汽車輕量化技術及其在商用車上的應用

摘 要：就汽車輕量化技術及其在商用車上的應用進行了分析，期望能夠為現代汽車工業的可持續發展以及環境保護工作的開展，提供科學的技術參考依據。

關鍵詞：輕量化；汽車；商用車；應用

商用車需要在保證安全性和穩定性的前提下承載更多貨物，而車輛整備質量的減輕并不意味著載重能力的下降，通過輕量化技術的優化設計，商用車可以在不犧牲載重能力的前提下提升燃油效率，并保證其安全性和耐用性。

汽車輕量化技術概述

輕量化技術旨在確保汽車性能和安全標準的同時，通過應用新型材料、改良工藝以及改進設計等方法，實現汽車整備質量的減輕，從而提高燃油效率、降低排放、提升性能及改善操控性。

在材料選擇方面，汽車制造業正在越來越多地采用高強度鋼、鋁合金、鎂合金以及碳纖維復合材料等輕質材料，這些材料不僅質量輕，而且具有較高的強度和耐久性，能夠滿足汽車的安全標準。在結構設計方面，通過優化車身和零部件的結構，可以實現材料的更合理使用，從而降低車輛整備質量。比較常見的就是采用一體化成型技術可以減少零部件的數量，簡化裝配過程，同時減輕質量。在制造工藝方面，先進的焊接、連接和成型技術也被廣泛應用于汽車輕量化。

盡管汽車輕量化帶來了諸多好處，但在實際應用中也面臨著一些挑戰。比如，新材料的成本通常較高，需要通過規模化生產和技術創新來降低成本，而且不同材料之間的連接和兼容性問題也需要解決，以確保汽車的整體性能和安全性，尤其是要注意輕量化設計還需要考慮汽車的耐撞性、疲勞壽命和腐蝕防護等因素[1]。

汽車輕量化的重要性

1.提升燃油效率

燃油效率，是指汽車在行駛過程中每單位燃油所能行駛的距離，是衡量汽車經濟性的重要指標。商用車的燃油消耗量遠高于乘用車，尤其是在長途運輸和物流配送中，燃油成本至少占其運營總成本的30%，輕量化技術通過減少車輛自身質量，可以直接降低燃油消耗，從而提升燃油效率。研究表明，汽車整備質量每減少10%，燃油效率可提升6%～8%[2]。對于商用車而言，輕量化的經濟效益更加顯著， 特別是在長途運輸和密集運輸場景中，輕量化技術的應用可以大幅降低運營成本， 提升企業的市場競爭力。

2.降低碳排放

碳排放是全球氣候變化的主要驅動力之一，而交通運輸行業是碳排放的一種主要來源，商用車的碳排放量在交通運輸行業中占比較高，尤其是在重型載貨汽車等大型商用車的使用中，碳排放問題尤為突出。

輕量化技術通過減少車輛整備質量和降低燃油消耗，可以直接減少二氧化碳和其他污染物的排放，從而為實現全球碳中和的目標做出貢獻。同時，輕量化技術的應用還可以為新能源商用車的發展提供支持，從而進一步降低碳排放。

3.提高載重能力

商用車需要在保證安全性和穩定性的前提下，承載更多的貨物，而總體質量的減輕并不意味著載重能力的下降。通過輕量化技術的優化設計，商用車可以在不犧牲載重能力的情況下提升燃油效率。比如采用鋁合金車身和輕量化底盤設計，可以有效減小質量，同時保持較高的載重能力，從而提升商用車的經濟性和實用性。

4.提升操控性和安全性

操控性是指車輛在行駛過程中的穩定性和靈活性；安全性是指車輛在碰撞或緊急情況下的保護能力。輕量化設計通過優化車身結構和材料強度，可以減少車輛在行駛過程中的慣性力，從而提升操控性，而且輕量化材料（如高強度鋼和復合材料）具有較高的抗沖擊性能，可以在碰撞時有效吸收能量，減少對車內乘員的傷害，從而提升車輛的安全性，比如采用高強度鋼和鋁合金材料的車架和車身結構，可以在保證強度的同時降低整備質量，提升車輛的被動安全性能。

汽車輕量化技術在商用車上的應用

1.材料輕量化

材料輕量化，指的是通過采用密度較低、強度較高的材料，在保證車輛性能和安全性的前提下，盡可能降低汽車的整備質量。對于需要承擔重載任務的商用車來說，材料的選擇直接影響到車輛的燃油效率、載重能力和整體性能。目前常用的輕量化材料主要有以下幾種。

（1）高強度鋼" 與傳統鋼材相比，高強度鋼具有更高的屈服強度和抗拉強度，可以在保證結構強度的前提下減少材料的使用量，從而實現輕量化，高強度鋼的密度雖然相對較高，但由于其出色的力學性能，通過優化設計可以有效使車輛輕量化，主要用于商用車的車身、底盤和懸掛系統等部件中。比如采用高強度鋼制造的車架可以提供更好的扭轉剛度和彎曲剛度，同時減小車架質量，從而提升車輛的操控性能和燃油效率。

（2）鋁合金" 其密度約為鋼材的1/3，具有良好的耐腐蝕性和較高的強度，常用于商用車的車身、輪轂、發動機罩和懸掛系統等部件，目前市場上已經有某些商用車制造商推出全鋁車身的卡車和客車，這些車輛在輕量化方面表現出色， 燃油效率顯著提升，比如鋁合金輪轂則可以減輕輪轂的質量，降低轉動慣量，從而提高車輛的加速性能和操控性[3]。

（3）鎂合金" 其密度僅為鋁合金的一半左右，具有極高的輕量化潛力，主要應用在內飾件、座椅骨架以及發動機部件等，由于鎂合金具有良好的減振性能和較低的熱導率，可以有效降低車輛的噪聲和振動，提升乘坐舒適性。

（4）復合材料" 尤其是碳纖維增強復合材料（CFRP），因其極高的強度質量比和良好的抗疲勞性能，成為汽車輕量化領域的研究熱點，CFRP 的密度僅為鋼的1/5，但強度卻可以達到鋼的數倍，因此在實現輕量化方面具有巨大潛力。在商用車上，復合材料可以應用于車身、車架和內飾等部件，比如某些高端客車和卡車已經開始采用CFRP車身，以實現輕量化和提升燃油效率。

2.結構優化設計

結構優化設計主要是通過利用先進的設計方法和工具，可以在確保車輛性能 和安全性的前提下，實現結構的輕量化。

（1）計算機輔助工程（CAE） CAE 軟件通過計算機仿真和分析，可以幫助工程師在設計階段就對車輛結構進行優化，從而在保證性能和安全性的前提下減少材料使用量，比如有限元分析 （FEA）可以用于分析車架、底盤和車身等關鍵部件在不同工況下的應力分布和變形情況，識別出結構中的薄弱環節和冗余部分，通過優化設計，減少這些部位的材料使用量，從而實現輕量化；或者是結構動力學分析，其主要用于評估車輛在動態工況下的性能，如振動、沖擊和疲勞等，對于商用車而言，由于其經常在復雜的路況下行駛，結構動力學分析尤為重要，通過優化結構設計，可以減少振動和沖擊對車輛的影響，提高車輛的穩定性和舒適性，同時減少材料的使用量[4]。

（2）模塊化設計" 指將車輛的各功能部件設計成獨立的模塊，這些模塊可以單獨制造和裝配，從而提高設計和生產的靈活性，該設計方法可以最大程度上減少冗余結構。比如，可以將車架、車身、底盤、動力系統以及懸架系統等關鍵部件分解成多個模塊，每個模塊都有明確的功能和接口標準，通過標準化和通用化的設計，可以減少不同車型之間的重復設計和制造工作，從而降低成本和實現輕量化，或者是通過優化連接方式和組裝工藝，可以進一步減輕車輛的質量，比如采用輕量化材料的連接件和緊固件，可以減輕連接部位的質量。

3.制造工藝優化

通過采用先進的制造工藝，可以在保證車輛性能和安全性的前提下，實現結構的輕量化和材料的高效利用。

（1）激光焊接技術" 該技術具有高精度、高效率及低熱影響區的特點。在實際應用中，可以實現微米級的焊接精度，減少焊接變形和翹曲，極大地提高了焊接的準確性和一致性，提高車輛的結構強度和剛度，比較常見的就是通過激光焊接技術連接鋁合金車身部件，可以精確控制焊接路徑和焊接能量，確保焊接接頭的質量，避免在焊接過程中出現裂紋和氣孔，確保焊接接頭的質量，而且激光焊接通過短時間和高能量密度的焊接過程，可以將熱影響區控制在一個非常小的范圍內，從而減少對焊縫周圍材料的熱影響。這不僅提高了焊接接頭的強度和韌性，還減少了焊接后的熱處理工藝，簡化了生產流程。相比傳統的焊接方法，如 TIG 焊接和 MIG 焊接，激光焊接的速度可以提高數倍，大大縮短了生產時間。這對于大規模生產鋁合金車身部件的汽車制造商來說，具有重要的經濟價值。

（2）液壓成型技術" 該技術主要是通過高壓液體迫使金屬材料在模具中成形，可以實現復雜的幾何形狀和薄壁結構，一方面可以實現傳統沖壓工藝難以實現的復雜形狀和薄壁 結構，另一方面可以實現更薄的材料厚度，同時保持結構的強度和剛度，比如在液壓成型車架部件時，可以采用更薄的鋼板，而傳統的沖壓工藝在成形過程中容易產生材料的不均勻變形和局部應力集中，導致薄壁結構的成形質量較差，液壓成形技術則可以通過均勻的高壓液體壓力確保材料在整個成形過程中的受力均勻，減少了局部的應力集中和材料的不均勻變形，鋼板在成形過程中不會出現開裂、變形等質量問題，從而保證了成形后的車架部件具有良好的力學性能，并減小車架的質量，提高燃油效率，而且采用液壓成形技術成形的車架部件， 總體質量可以減輕至少10%，這對于大型載貨汽車和專用車輛來說，可以顯著提升其經濟性和市場競爭力[5] 。

（3）3D 打印技術nbsp; 該技術主要是通過逐層堆積材料實現復雜結構的制造，在實際應用中可以發現，3D打印技術能夠實現傳統制造工藝難以實現的復雜結構和內部支撐結構。這對于商用車的輕量化設計非常重要，因為復雜的內部結構可以優化材料的分布，減少材料的使用量。比較常見的就是通過3D打印技術制造的懸掛系統部件，包括懸掛系統的連桿、彈簧座和減振器外殼等部件，傳統的懸掛系統部件開發需要經過設計、模具制造、試制和測試等多個環節，周期較長，通過3D打印技術則可以實現內部加強筋、蜂窩狀結構和多孔結構的設計，從而優化結構的強度和剛度，減少材料的使用量。而且3D打印技術可以使用多種材料，包括金屬、塑料、復合材料等，為輕量化設計提供了更多的選擇，不同的材料具有不同的性能特點，可以根據具體的應用需求選擇最合適的材料，比如采用輕質金屬材料3D打印的發動機部件，可以實現更高的強度和更輕的質量，或者是通過3D打印技術制造的專用車輛部件，可以快速滿足客戶的定制需求，提高市場競爭力[6]。

結語

綜上所述，商用車能耗較大，通過輕量化技術的設計與應用可以顯著降低車輛整備質量，燃油效率也會因此上升且操控性更好，在行駛過程中的安全性更高。 因此，還需要廣大汽車工業參與者積極引入輕量化技術，并將其落實到商用車的生產過程中，從而可以全面提高商用車性能，在降低運營成本的同時，還可以為環境保護和可持續發展做出貢獻。

參考文獻：

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[3] 韓秋生，姚慶泰，王子國，等. 汽車輕量化機械連接工藝技術研究[J]. 汽車工藝與材料，2024（9）：7-11.

[4] 黃其高.淺析我國汽車輕量化技術[J]. 汽車維修技師，2024（14）：121-123.

[5] 蘇英霞，陳矗，喬蒙，等. 汽車天然纖維復合材料輕量化技術[J]. 塑料，2024，53（5）：24-27.

[6] 朱季晨，邱凌. 第十七屆汽車輕量化大會今在揚開幕[N]. 揚州日報，2024-10-09（2）.