汽車結構的輕量化設計措施分析

賈朝貝

摘 要：汽車工業要發展，在目前必須要滿足環保要求，汽車輕量化設計可實現節能減排，但輕量化設計不是單純減重，而是要保證安全性能的前提下去減重，因而如何進行輕量化設計值得探索，本文中重點對此進行了分析討論，探析了目前市面上主流的輕量化設計方法措施，僅供參考。

關鍵詞：汽車 輕量化設計 方法措施

Analysis of Lightweight Design Measures for Automobile Structure

Jia Chaobei

Abstract：The development of the automobile industry must meet the requirements of environmental protection at present. The lightweight design of automobiles can achieve energy saving and emission reduction. However， lightweight design is not simply to reduce weight， but to reduce weight on the premise of ensuring safety performance. Quantitative design is worth exploring. This article focuses on analysis and discussion， and explores the current mainstream lightweight design methods and measures on the market for reference.

Key words：automobile， lightweight design， methods and measures

輕量化在當前汽車設計制造產業當中是一個比較主流的方向，與新能源車具有相當的地位，在傳統發動機技術發展陷入瓶頸，新能源汽車受限于電池的情況下，輕量化成為了一種非常關鍵的解決手段，通過輕量化來實現節能減排。但汽車輕量化，不是單純減輕汽車的重量，而是在減輕重量的同時提升性能，因此分析討論如何去進行輕量化設計，具有非常典型的價值意義。

1 輕量化設計概述

1.1 輕量化產生背景

輕量化設計是目前國內外汽車設計制造技術中的主要發展方向之一，與環保和安全具有同等地位，隨著人們環保意識增強，汽車工業要發展，必須要走可持續發展道路，而可持續發展顯然必須要實現節約資源、減少消耗，對于汽車工業而言，要達到相關要求，已經得到公認的路徑包括提高發動機效率、新能源和輕量化。汽車的節能環保通常情況下是降低油耗或提高燃油效率，降低或者清潔排放尾氣。在提高發動機效率方面，由于傳統發動機不管是柴油機還是汽油機，實際上都已經達到了一個相當高的水準，現階段主要是通過對發動機進行微量調整并利用汽車電子技術來提高發動機的效率，但效果并不是很理想，僅僅只能說達標。而新能源汽車在環保上的效果最佳，但是問題在于由于電池的限制，新能源車的發展還需要走很長的一段路，而輕量化技術，在保證汽車安全性的基礎上去降低汽車的自重來實現能耗的下降，它可以作為提高發動機能效，甚至是新能源車能效的一種基礎技術手段，在當前發動機技術、新能源車技術尚未出現巨大突破之前，輕量化將是節能減排的主流技術手段。

1.2 輕量化設計要求

相關研究指出汽車自重每降低10%，將降低燃油消耗6～8%，降低排放5～6%。輕量化技術并不是單純降低汽車自重，它必須要以汽車安全性為前提去減重。目前在輕量化設計中，要求，必須確保汽車整體結構的安全性達到相關安全標準，并且要求汽車結構的使用性能要達到甚至超過傳統鋼材質汽車的性能。

一直以來，汽車設計當中輕量化和安全性都是一個矛盾體，有很多人認為，輕量化結構將降低安全性，而為了保證安全性，就必須要加強汽車結構的抗彎、抗扭、抗側翻、碰撞吸能等特性，而這些將增加汽車自重。但實際上輕量化并不是單純降低自重，它必須保證安全性，汽車減重但整體性能不能受到影響，車身強度、剛度、模態等結構特性必須要滿足相關要求，所以輕量化設計是一門綜合性的學科，在實踐中必須要充分考慮材料、結構力學、生產工藝、人體工程學、工業設計等方面的內容。

2 輕量化設計方法

目前在汽車輕量化設計中，已經形成了三個相互獨立又相互影響的輕量化技術，即輕量化材料應用、輕量化結構設計以及生產工藝改進。

2.1 材料輕量化

輕量化材料是目前輕量化設計中的主流方式，一般所用的材料都是非常輕量化的材料，比如碳纖維復合材料，典型代表如邁凱倫P1，鋁合金如凱迪拉克CT6，全鋁車身如奧迪R8、第四代攬勝等。

由于汽車結構上不同的部位對材料強度、剛度要求是不一樣的，因此可以根據實際的需求用輕量化材料來制造部件，達到性能要求，而輕量化材料自重輕，但性能很強可以替代原本所用的材料，用來降低自重。目前比較常用的輕量化材料包括高強度鋼、復合材料、鋁合金等，以高強度鋼來論，其本身擁有非常高的強度等級，在設計部件中可以降低板件厚度來降低重量，但是卻可以保證具有足夠高的性能，但其不是輕量化材料最優化的選擇，但是因為其強度高，可以設計成薄壁中空件，用在中通道、地板、A/B柱等關鍵區域。鋁合金這種輕量化材料在汽車上用量非常高，已經成為汽車車身的主材，它是非常理想的輕量化材料。復合材料則主要是碳纖維復合材料，這種材料也是非常理想的輕量化材料，但是由于其成本高昂，通常會用在專用汽車上，比如超跑。

2.2 結構輕量化

輕量化結構設計，是采用綜合優化設計的方法，通過對結構的優化來減重，現階段主要采取數字三維設計方法，通過建立模型、利用有限元分析、碰撞測試等方法調整結構，用最少的材料實現最理想的結構，進而降低汽車自重又不影響汽車安全性。

目前絕大多數車企都在采用車身結構優化，因為它可以用少量的成本實現比較理想的效果，一般在設計中會利用到CAD等三維數字設計軟件，對汽車的結構布局進行設計，并在軟件上進行碰撞測試，從整車的角度去分析車的結構，進而明確零部件的安裝位置以及材料，在輕量化結構設計完成以后，通過軟件測試分析整車的性能指標，保證輕量化后，整車性能滿足要求。例如奧迪RB的ASF車身結構，這個結構利用鋁材，通過先進的制造工藝將鋁材擠壓為型材，制造成各種截面的部件，然后按照骨架+蒙皮的方式來進行組合，形成一體式的鋁制蒙皮結構，鋁型材骨架勾勒出車身的線條。這種結構設計要比一體化鋼制車體輕40%左右，而且剛度提升40%左右。國內湖南晟通集團汽車工程研究院，則將板梁和型材進行結合，打造出全鋁車身的12m公交車，強度與鋼制車相當，但車身自重降低了50%，整備質量降低30%，滿載質量降低20%，在國內是比較先進的水平。

2.3 生產制造工藝優化

生產工藝的改進方面，主要是為了滿足輕量化材料制造、輕量化結構設計制造的需求。輕量化材料要制作成汽車需要的部件，傳統的沖壓工藝是無法滿足要求的，采用傳統的方法會造成回彈大，如此在針對輕量化材料制造時，必須要采用合理科學的制造工藝，例如差厚板工藝，熱沖壓成型技術等，例如差厚板工藝，這種工藝技術使汽車零部件在受力、結構上優于傳統等厚板材，但材料用量降低而自重降低。同時對于裝配，目前采用的工藝主要是激光焊接和結構膠粘接，激光焊接可以焊接很多焊材，甚至可以焊接各種異質焊材，對于運用了多種輕量化材料的汽車的裝配具有很重要的作用，結構膠粘接，則是更強大的一種裝配工藝，在航空領域都有廣泛的應用。

3 車身結構輕量化設計

事實上汽車結構的輕量化設計中，上述三類輕量化技術是相輔相成的，生產制造工藝作為基礎手段為輕量化設計方案的實現提供可能，而輕量化材料則為結構輕量化設計提供了更重要的材料基礎，再通過綜合優化，促使結構在大量替換了輕量化材料的情況下依然可以保持理想的性能，甚至可能出現超越。

在汽車結構輕量化設計中，三維數字化設計是目前最關鍵的手段，在CAD、CAE技術的支持下，汽車結構布局、結構優化、結構件形狀、配置、板厚等可在軟件上進行直接的計算和分析，尋求通過零部件的壁厚減薄，數量精簡，材料替換等方式，實現合理化的設計，例如吉利汽車中FE車型散熱器上橫梁總成，原本是獨立的，集成了二道開啟機構，并單獨設立了散熱器格柵支架，經過優化將格柵支架與散熱器上橫梁總成結合，去掉了格柵支架，在保證安全的前提下減重達到2.2kg。

在結構輕量化設計中，主要針對布局、尺寸、形狀、拓撲四個方面進行優化設計，布局方面主要考慮整車最佳布局形式，前置前驅可以降低很多傳動系統的部件，承載式車身可以取消車架。尺寸方面一般按照質量和強度等要求，對部件板厚、梁截面、截面慣性矩等尺寸進行優化，使應力分布均勻，尺寸優化重點以調整零部件的形狀尺寸為關鍵點，只要滿足各種工況下部件剛度、震動、強度等要求即可，當然在不考慮成本的情況下，直接上輕量化材料替換掉車身結構上的絕大部分部件，更能夠減重。比如除開A/B柱、地板等關鍵部位用高強度鋼外，可直接使用鋁合金件。形狀方面主要是通過調整結構部件外形使部件受力更加均勻，使材料發揮出更大的潛力，差厚板就是典型的通過外形優化而得到的輕量化部件，在設計中一般采取有限元分析方法，尋找部件的應力集中點，探尋應力高峰，進而逐步調整形狀，迫使應力分布盡可能均勻，差厚板就是將應力集中的部分增厚，而應力分散且弱的部分則減薄。拓撲方面主要是對空間材料分布進行分析，基于拓撲算法自動計算動力傳遞路徑，進而找出可以節省材料的區域，促使材料在空間當中實現最佳的分布。

4 結束語

綜上所述，汽車結構輕量化設計是當前汽車工業實現可持續發展，必然采取的技術方法，通過輕量化設計，降低汽車自重，實現節能減排的目的，在傳統發動機技術和新能源車技術尚未出現巨大突破的情況下，必然主導汽車設計，在本文當中提煉了目前汽車結構輕量化設計的方法與具體的措施，希望可以為汽車結構設計提供一些理論參考。

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