汽车轻量化技术探析

王松

摘要：汽车重量与耗油量有着直接的关系，汽车轻量化是在保证车辆安全的前提下采取技术手段进行合理减重，是减少燃油消耗、减少排放的主要措施，对推动汽车行业持续健康发展有着十分重要意义。本文从结构优化设计、轻量化材料和先进制造工艺三方面进行分析，并对汽车轻量化技术发展方向进行了预测。

关键词：汽车轻量化;结构优化;节能减排

汽车数量的变多使得能源消耗和污染排放日益严重，汽车轻量化是解决该问题的有效途径之一，如果汽车重量减小100公斤，每百公里的油耗就会降低0.3-0.5升，二氧化碳的排放量也就减少8- 11克。国家正在大力推进汽车轻量化技术的发展，很多汽车制造商和研发机构已经一些技术上取得了突破，汽车的轻量化可以有效降低汽车内部的动力、传动系统重量，会给驾驶人员带来更好动力性和操控性体验。

1 结构优化设计

1.1尺寸优化

汽车的结构尺寸优化是应用最早和最成熟的轻量化设计技术，把冲压件壁厚度、减重孔、梁截面等尺寸作为设计变量，来达到刚度、强度和吸能等工况要求，把结构质量最小作为优化设计的目标，建立起目标函数。汽车线性静力学和线性振动，需要利用数值优化算法来进行轻量化设计，来获取到响应函数灵敏度数值。

线弹性进行汽车轻量化设计是需要首先解决的问题，主要对汽车零部件进行优化设计，并对整车结构进行减重。国内的学者针对轿车门结构方式和尺寸进行了优化，并进行了轻量化设计，在提升刚度和振动频率的基础上，对车门重量进行了合理减重。也有学者对载重越野和客车骨架进行轻量化设计，使得车身重量显著降低。国外学者利用UG软件进行建模，对车身前部结构采用碳纤维进行优化，使得承载结构减重61.8%。

1.2形状优化

对车辆整体或局部形状进行优化，让结构受力更为均匀，充分地利用好材料特性。针对规则几何形状的结构，需要把结构几何形状进行参数量化，把形状转变为尺寸优化。针对汽车结构，因为采取的为不规则形状，无法利用参数来对外形进行描述，不能采取尺寸优化方式。采取无参数优化方式可以有效解决该问题，国外学者已经利用该方法对主承力梁减重进行了优化设计，有效地降低了结构重量。

1.3多学科设计优化

学科优化方式可以对车身进行轻量化设计，就应该结合多学科知识，充分利用疲劳、刚度、碰撞安全等多种理论。为了达到以全局优解的目的，应该全面考虑学科的影响。因为对每种学科进行建模和计算都需要很大的工作量，每种学科的响应函数也有着较大的差别，需要选用不同的学科变量，无法在一次优化中进行全面的考虑。只针对单一学科进行考虑，就无法顾及到其它学科的要求，应该进行多次修改才能获取到满足性能需要的解。可以采取分解协调多学科优化设计方法，把复杂的多学科优化划分成多个子问题，应用协调机制来对子问题优化进行控制，可以降低问题的复杂程度，还能得到学科需要的优化解。

2 轻量化材料应用

2.1 高强度钢

该类材料利用细晶强化、固溶强化等机理实现钢材的强化，根据强度大小可划分成高强度钢、超高强度钢，按照冶金学特点可以划分成先进高强钢、普通高强钢。先进高强钢利用相变来实现高强度，与低合金钢进行比较来看，该钢材有着更高的屈服强度，可以减小车身结构附加支撑件等部件的截面积，改用更为轻薄的板材，车身质量就会降低。该材料还有着更好的抗疲劳、抗碰撞等性能，是将来汽车轻量化设计的主要材料。

先进高强钢存在着特殊断裂问题，这是因为不同钢种的延伸率会随着强度变大而减小，该类型的钢材具备的延伸率小于普通的深拉钢，采用复杂的成型制造工艺，会使得先进高强钢应变极限被耗用完。原来应用的深拉钢中很少出现断裂问题，在先进高强钢成型和碰撞时会经常存在着断裂现象。宝马的研发中心对车身B柱受侧面进行碰撞时，出现了根部断裂问题。该种材料应用到汽车轻量化设计时存在着断裂风险，采取何种方式避免在成型和碰撞中产生断裂，是汽车工业需要解决的问题。国外的公司已经研发出第三代高强度汽车钢，有着更好的应变硬化率和很高的塑性。

2.2铝合金、镁合金

铝合金材料有着较轻的重量，还具备较强的耐腐蚀性，容易加工成型，是成熟的轻量化材料。很多车辆的铝合金材料已经占到车辆整重的10%。铸铝占到汽车铝量的80%，多用在发动机零部件、壳体和底盘等零件，已经批量应用的零件有发动机托架、发动机缸体、车轮等多种零件。锻造铝具备更好的力学特性，横向转向叉和车轮已经应用到奥迪车系中。变形铝合金出被应用到顶盖、车身发罩外板等部件，有的车型已经完全采用铝车身。影响铝合金板材应用的因素主要有造价太高，一些生产工艺需要改进，可以进行铝车身修复的厂家较少，使用成本较大，多采取钢铝混合车身。

镁合金质量比较轻，有着很高的强度和刚度，地球上的镁材料十分丰富，是具有很好應用前景的汽车轻量化材料。国外某汽车制造企业，已经把镁合金材料应用到曲轴箱、传动箱壳体中，随着镁合金防腐性能的不断提升和生产成本的降低，一些汽车生产企业把镁合金应用到转向柱、离合器、制动系统等多种壳体中。进入到新世纪以来，镁合金在汽车使用量得到提升，方向盘骨架、变速箱等也应用了该种材料。镁合金有着更好的力学性能，可以具备较高的强度和塑性，车身前端结构已经得到了应用，可以降低5060%车辆前端重量。变形镁合金有着较高的力学性能，但不具备较高的韧性，受到外界冲击时会出现脆性断裂，高性能镁合金研发是将来的发展方向。

2.3塑料和复合材料

塑料和纤维复合材料在汽车工业中不断得到应用，塑料重量已经达到整车重量的12-20%，很多汽车公司已经对塑料和复合材料在汽车上的应用展开探索。汽车的仪表板、顶棚、杂物箱盖等内部装饰件都采用塑料，车身外板，保险杠、油箱，发动机进气管等部位也得到了应用。单一塑料不能达到高应力和高温的使用需要，复合材料在汽车零部件中的作用愈加突现出来。玻璃纤维复合材料用于对地板、遮阳板、发动机罩等部位制作，该种材料基体主要为聚丙烯，采用聚醚酰亚胺作为基本的低密度复合材料正在研发中。长纤维热塑性复合材料多用到仪表盘、蓄电池槽、发动机底座中，碳纤维复合材料有着较高的强度和刚度，可应用到底盘、车身等结构件中。宝马公司研发的新型电动汽车，外壳都采用了碳纤维复合材料，底盘应用了铝合金材料，比传统材料重量降低了250350公斤。编织复合材料有着较好的碰撞性能，可以用于吸收能量。汽车生产采取的塑料向着增强型复合材料、塑料合金方向发展，还需要建立起完整的回收应用体系。

3 先进制造工艺

3.1液压成型

上世纪70年代，国外一些汽车厂家就开始对液压成型技术进行研究，采用液压成型技术用于生产汽车构件，有的汽车制造商已经建立了管材液压成型车间，用于生产液压成型零件。国内汽车厂家也应用液压成型技术用到试制副车架，是一种典型的汽车零部件定型技術，在汽车零部件生产中得到推广和应用，约有5 0%左右的底盘装配有液压成型件。液压成型是进行汽车轻量化的重要技术，与传统的冲压焊接技术进行比较来看，该技术可以减少ll%的零部件生产成本，14%的设备使用成本，还可以降低7.3%的重量。该技术有着较高的成型精度，不会消耗太多的材料，可以减轻加工和焊接工作量，提高成型件的强度和刚度。

汽车管件利用液压成型技术进行生产需要较高的压力，设备成本比较高，使用之后不便于调整。为了降低零件生产成本，需要选用合适的管件材料，确定合理的工艺参数，防止在液压成型时出现屈曲、破裂等质量缺陷，从而更好地保证零件生产质量。利用计算机仿真技术，需要把经验数据等参数进行设置，对管件成型时应力分布、壁厚变化、模具贴合状态等进行仿真，并对材质、工艺参数等进行优化设计。

3.2激光焊接

该技术是从上世纪60年代不断发展和演变而来，有着较快的焊接速度，可以达到较大的焊缝深宽比，不会产生大的热输入，焊接变形量小，在汽车制造行业得到了大量的应用。从零部件到车身，该技术已经成为汽车制造的关键焊接方法，最早用于变速箱的齿轮焊接，可以不进行焊后热处理，焊接速度快。采用激光焊接制造的零部件主要有尾气排放系统、车门铰链、减振器、滤清器等。车身的板材利用激光焊接技术进行制造，把不同厚度、材质和强度等条件下的板坯进行拼焊处理，可以用于生产大型的覆盖件，在保证强度的同时降低重量，进一步提高尺寸精度。可以减小产品设计和开发时间，避免存在材料浪费问题。采用拼焊板生产中间支柱、侧框架等，可以提升抗碰撞和抗耐腐蚀性能。可以不再采用密封胶，具有很高的环保意义，在钢制车身中，约有50%采用了拼焊板方式。车身框架的激光焊接，可以更好传递载荷，车身的刚度和强度得到进一步提升，车身冲压搭接宽度也会减小，可节省生产材料数量。

4 汽车轻量化技术发展方向

汽车的结构优化设计比较成熟，还需要对多学科、多目标优化方进行深入研究。轻量化材料方面，应该根据车辆的不同部位，选用不同的材料，实现材料和零部件的优化组合。生产工艺方面，还需要加强对热成型和变厚度板进行研究。零部件质量占到车辆总重的75%，，有着很大的轻量化潜力，需要做好零部件轻量化方面的研究。把多种轻量化技术进行结合，才能充分体现出轻量化的优点，需要采取集成化和系统化的设计方法。

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