整車輕量化技術研究綜述

于用軍，李飛，王帥，黃小征，郭永奇

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

前言

隨著汽車安全、燃油經(jīng)濟性及排放標準的提高，安全、節(jié)能、環(huán)保已成為汽車研發(fā)的熱點問題。汽車輕量化是指在滿足汽車的安全性能及成本限制的條件下，采用有效的設計方法，盡可能地降低汽車整備質(zhì)量，從而起到提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染的作用，因此，整車輕量化的研究對安全、節(jié)能、環(huán)保三大熱點問題的解決有著重要的意義。

汽車輕量化技術主要包括輕量化材料的應用、先進工藝和結構優(yōu)化三種途徑。近年來，我國在汽車輕量化技術方面的研究取得了較大的成果，國內(nèi)汽車輕量化材料正在加速發(fā)展，車用高強度鋼、鋁合金材料在汽車的車身及底盤等零部件上得到了廣泛應用。在結構優(yōu)化設計方面，國內(nèi)從過去的經(jīng)驗設計過度到了應用有限元分析軟件進行結構優(yōu)化及仿真分析。先進成型工藝及連接技術的不斷創(chuàng)新，加強了輕量化材料的使用，有效的促進了整車輕量化的發(fā)展。雖然國內(nèi)汽車輕量化技術有了較快的發(fā)展，但與發(fā)達國家先進的輕量化技術相比，仍然存在著較大的差距。

為了促進輕量化技術的發(fā)展，研究對輕量化的技術方法及應用現(xiàn)狀進行了概述，并提出了一條整車輕量化技術路線。

1 材料輕量化

材料輕量化指的是在滿足機械性能的前提下，將輕量化材料應用到零部件的設計中，以達到減輕零部件重量的目的，所采用的材料主要包括高強度鋼，鋁鎂合金，工程塑料以及各種復合材料的應用。

1.1 輕量化材料簡介

汽車用鋼主要分為低強度鋼、高強度鋼和超高強度剛。高強度鋼主要包括烘烤硬化鋼、高強度IF鋼和高強度低合金鋼。

鋁鎂合金的主要元素是鋁，再摻入少量的鎂或是其它的金屬材料來加強其硬度。鋁鎂合金具有質(zhì)量輕、密度低、散熱性較好、抗壓性較強，能充分滿足產(chǎn)品的高度集成化、輕薄化、耐撞等性能。

工程塑料具有重量輕、比強度高、剛性大、機械強度高等優(yōu)點，在輕量化設計中可替代金屬作為工程結構材料使用。

復合材料是由纖維等增強材料及母體等2種或2種以上性質(zhì)不同的材料，通過各種工藝手段組合而成。具有質(zhì)量輕、強度高、剛度好的特點。

1.2 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外對輕量化材料的研究越來越廣泛，全新奧迪 A4L車身框架在車身結構零部件上同時使用了超高強度鋼板與鋁合金材料，其設計理念是在車身不同結構的不同部位使用不同的材料，從而在剛性、強度，車重和成本之間取得最佳平衡。新保時捷Panamera Turbo將超高強度鋼應用到了防撞梁的設計中，不僅大幅度提升了車輛碰撞的安全性能，同時提高了防撞梁的輕量化水平。捷豹使用了智能全鋁車身架構，實現(xiàn)了車輛最佳的性能、能效、安全以及駕駛表現(xiàn)。全新奧迪 Q7前擋泥板、引擎蓋、行李廂蓋、行李艙、車頂均采用了鋁合金材料，僅車門就比上一代車型減輕了24kg。

2 結構輕量化

結構輕量化設計是確保汽車零部件在滿足強度和剛度等性能的條件下，通過結構優(yōu)化設計可將材料、最優(yōu)的結構形狀和尺寸應用在汽車零部件的設計中，使每部分材料都能發(fā)揮出其最大的承載能力和吸能特性，從而實現(xiàn)整車輕量化設計的目的。汽車結構優(yōu)化主要分為拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化，形貌優(yōu)化和形狀優(yōu)化等優(yōu)化方法。

2.1 結構優(yōu)化方法簡介

拓撲優(yōu)化技術是在給定的設計空間內(nèi)找到最佳的材料分布方案，從而使零部件在滿足各種性能的條件下得到最輕的重量。該設計方法主要應用于零部件的概念設計階段。

形狀優(yōu)化技術是一種用于詳細設計階段的技術，主要是指在滿足各工況的前提下，改變結構的整體或者局部變形，使得結構受力更加均勻，從而達到材料的充分利用。在零部件的輕量化設計中，可以將形狀優(yōu)化與尺寸優(yōu)化相結合，達到對零部件最大程度的輕量化設計。

圖1 拓撲優(yōu)化與形狀優(yōu)化方法

尺寸優(yōu)化是最經(jīng)典的優(yōu)化技術，一般也叫參數(shù)優(yōu)化技術，可以對有限元模型的各種參數(shù)，如板間厚度，界面尺寸、材料特性、彈性元件剛度等進行優(yōu)化，根據(jù)設計階段的不同，可以分為用于詳細設計階段的尺寸優(yōu)化技術和用于概念設計階段的自由尺寸優(yōu)化技術。

形貌優(yōu)化技術廣泛應用于提高各種沖壓板件的性能，如減少變形、提高模態(tài)頻率、減少振動等，從而間接的實現(xiàn)零部件的輕量化設計。

圖2 形貌優(yōu)化方法

2.2 研究現(xiàn)狀

目前，本田公司通過結構優(yōu)化方法對Lgend轎車的發(fā)動機罩內(nèi)板、前翼子板及后懸架等零部件進行了輕量化設計，大幅度降低了零部件質(zhì)量。清華大學范文杰等提出了一種多目標拓撲優(yōu)化研究方法，研究了以靜態(tài)多工況下剛度和動態(tài)振動頻率為目標函數(shù)車架的結構優(yōu)化。中通汽車將結構優(yōu)化應用到車身骨架的設計中，實現(xiàn)了車身減重16%的目標。東風汽車將汽車控制臂及轉(zhuǎn)向節(jié)替換為鋁合金材料，并對其進行了強度分析和拓撲優(yōu)化設計，在滿足性能要求的前提下，實現(xiàn)了零件最大程度的輕量化，如圖3所示。

圖3 控制臂拓撲優(yōu)化

3 工藝輕量化

工藝輕量化是指為了實現(xiàn)輕量化材料的應用所采用的連接及成型技術。目前應用較為廣泛的有激光拼焊、熱沖壓成形、輕量化材料的連接技術等。輕量化工藝主要是配合輕量化設計與材料的應用，共同構成了輕量化的三個技術途徑。

3.1 工藝輕量化簡介

激光拼焊是采用激光能源，將若干不同屬性、不同厚度的材質(zhì)進行拼合焊接的先進工藝技術，以滿足零部件對材料性能的不同要求，實現(xiàn)用最輕的重量、最優(yōu)結構和最佳性能達到零部件輕量化的目的。

圖4 激光拼焊技術在車身上的應用

熱沖壓成型技術是一種零件加工方式，先將坯料加熱至一定溫度，然后用沖壓機在相應的模具內(nèi)進行沖壓，以得到所需外形的一種材料成型方法。通過熱沖壓成形可以得到具有超高強度剛的車身零部件，從而有效的降低車身重量；

汽車輕量化連接技術主要包括激光焊接、攪拌摩擦焊、鎖鉚技術、自鎖鉚、熱熔、自攻螺釘以及膠粘，通過先進的連接技術可以實現(xiàn)不同材料零部件的連接，從而實現(xiàn)整車輕量化。

3.2 研究現(xiàn)狀

目前，凱迪拉克ATS-L車身系統(tǒng)運用了弧形焊接與釬焊、鐳射焊接、自穿孔鉚釘?shù)榷囗椓悴考雍瞎に?。全新奧迪A4L采用的是鋼鋁混合車身，由于鋁合金部件和鋼制部件的物理性質(zhì)不同，鋼鋁部件之間采用自沖鉚接的方式進行連接。君越使用了大量結構膠，激光焊接、自攻螺釘?shù)裙に囘M行車身連接，實現(xiàn)了整車輕量化的設計。

4 整車輕量化技術路線

研究將重量管理與輕量化方法相結合，制定了如圖5所示的整車輕量化技術路線，由圖5可知：在整車輕量化的開發(fā)中，首先應對開發(fā)車型的整備質(zhì)量進行目標制定，然后將整車目標質(zhì)量分解到各系統(tǒng)及零部件中，采用結構優(yōu)化、輕量化材料及先進工藝技術對超重零部件進行輕量化設計，在輕量化設計中，以高強度鋼技術為主，包括集成化技術、成型技術，焊接技術，檢測評價方法及性能開發(fā)，同時加大鋁合金在發(fā)動機、底盤關鍵零部件和覆蓋件上的應用技術的研究，增加塑料零部件的應用。

最后采用臺架試驗及整車搭載的方法對優(yōu)化后的零部件進行驗證分析。

圖5 整車輕量化技術路線

5 結論

汽車的輕量化技術主要有結構優(yōu)化，輕量化材料使用，先進工藝技術三種途徑。結構優(yōu)化中的拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化在汽車零部件的開發(fā)中得到了廣泛的應用。在材料方面，以高強鋼的使用為主，同時加強了鋁合金材料及以塑代鋼的應用。另外，熱成型、激光拼焊、材料連接技術的使用促進了整車輕量化的發(fā)展。

[1] 范子杰,桂良進,蘇瑞意.汽車輕量化技術的研究與進展[J].汽車安全與節(jié)能學報,2014,5（1）:1-16.

[2] 郭玉琴,朱新峰,楊艷.汽車輕量化材料及制造工藝研究現(xiàn)狀[J].鍛壓技術,2015,40（3）:1-6.

[3] 史國宏,陳勇,楊雨澤.白車身多學科輕量化優(yōu)化設計應用[J].機械工程學報,2012,48（8）:110-114.

[4] 路洪洲,王智文,陳一龍.汽車輕量化評價[J].汽車工程學報,2015,5(1):1-8.

[5] 應善強,張義和,曹廣祥.汽車輕量化與高強鋼板的應用[J].汽車工藝與材料,2012,30(10):11-23.

[6] 洪清泉,趙康,張攀.Optistruct＆HyperStudy理論基礎與工程應用[M].北京,2012.