探討汽車的輕量化技術(shù)運(yùn)用方法

王域丞洛陽市第一高級中學(xué) 河南省洛陽市 471003

摘 要：采取汽車輕量化技術(shù)能夠減輕汽車質(zhì)量，有效解決節(jié)能環(huán)保相關(guān)問題。輕量化在推動汽車工業(yè)有效發(fā)展上起到了非常大的作用，對其具體運(yùn)用方法進(jìn)行分析具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。本文介紹了輕量化技術(shù)在輕量化材料開發(fā)以及汽車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用、現(xiàn)代工藝上實(shí)現(xiàn)的具體方法與產(chǎn)生的主要作用等，表明了輕量化技術(shù)當(dāng)

前主要應(yīng)用方向以及應(yīng)用現(xiàn)狀，并且強(qiáng)調(diào)了該技術(shù)未來的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：汽車；輕量化技術(shù)；運(yùn)用方法

隨著我國汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，我國環(huán)保問題、能耗問題與安全問題造成的影響也越來越大。所謂汽車輕量化技術(shù)，主要指在與汽車實(shí)際使用以及經(jīng)濟(jì)要求相符的條件下，集成應(yīng)用整車與零部件合理設(shè)計(jì)、環(huán)控、材料應(yīng)用和新工藝開發(fā)，從而減輕汽車質(zhì)量，與現(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)展整體趨勢一致，同時(shí)也是當(dāng)今有效解決環(huán)保問題以及節(jié)能問題的主要手段。

1 輕量化技術(shù)運(yùn)用中優(yōu)化設(shè)計(jì)的作用

1.1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

對于汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)，其主要針對的是車身以及關(guān)鍵零部件。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要考慮的有：①對車身空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到不同工作載荷的要求；②減小或者是減少車身不必要的尺寸、各種零件的數(shù)量以及零部件厚度；③不斷優(yōu)化零部件外形，盡量減少多余的結(jié)構(gòu)或者是增強(qiáng)重要構(gòu)件數(shù)量。

1.2 材料的確定

優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是通過科學(xué)設(shè)計(jì)汽車產(chǎn)品，在與汽車使用性以及經(jīng)濟(jì)性具體要求相符的條件下，采取相應(yīng)的輕量化材料，這時(shí)候設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)以及 CAE技術(shù)就顯得特別重要。其中設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蛲ㄟ^不斷積累獲得轉(zhuǎn)化，屬于輕量化數(shù)據(jù)庫里面的專家系統(tǒng) [1]。此外，依據(jù)設(shè)計(jì)的靜動力學(xué)相關(guān)分析，整車性能的深入研究以及主要件生產(chǎn)工藝具體模擬過程可知， CAE技術(shù)能夠?yàn)椴牧系倪x擇進(jìn)行合理預(yù)判。

1.3 預(yù)置工藝

由于汽車結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，其工藝實(shí)現(xiàn)會嚴(yán)重影響到整車輕量化效果。隨著汽車業(yè)的不斷發(fā)展，各種復(fù)合材料、高強(qiáng)鋼以及鋁鎂合金不斷出現(xiàn)，同時(shí)也對應(yīng)用工藝方面的要求更加高 [2]。其中主要有：一些部件，比如轎車副車架，本身形狀十分復(fù)雜同時(shí)生產(chǎn)難度較高，液壓成形可以提供一個(gè)有效解決途徑；界別比較高的高強(qiáng)鋼，其對成形性方面的要求比較高，熱成形技術(shù)就可以有效解決該問題。利用 CAE技術(shù)能夠?qū)@些工藝所具有的可行性以及路徑進(jìn)行有效的分析。

1.4 試驗(yàn)仿真

所有車輛的好壞，均需要試驗(yàn)的驗(yàn)證。汽車輕量化整個(gè)發(fā)展歷程中，國外一些汽車檢測法規(guī)開始用 CAE分析法取代某些試驗(yàn)測試，并且其結(jié)果獲得了各界確認(rèn)，最終變?yōu)榱艘豁?xiàng)標(biāo)準(zhǔn)要求。其中對汽車輕量化造成嚴(yán)重影響的相關(guān)試驗(yàn)主要是：保險(xiǎn)杠碰撞試驗(yàn)、自車身彎扭試驗(yàn)以及自車身 NVH試驗(yàn)等，這些試驗(yàn)均能夠利用 CAE技術(shù)取得比較理想的仿真效果。

2 輕量化技術(shù)運(yùn)用中各種新材料以及新工藝的作用

2.1 新材料的運(yùn)用

①高強(qiáng)鋼屬于輕量化的主要材料，大量使用這種高強(qiáng)鋼不僅可以使整車輕量化，同時(shí)還可以確保汽車自身安全性以及可靠性，所以，高強(qiáng)鋼實(shí)際使用面比較廣，同時(shí)量也非常大。

②鋁合金屬于輕質(zhì)材料，本身抗腐蝕性非常好，具有廣闊應(yīng)用前景。最近幾年，汽車制造過程中鋁材用量越來越大，其中主要包含有鍛鋁或者是鑄鋁、板材以及擠壓材，一般使用于車輪、車身結(jié)構(gòu)、外覆蓋件以及空間框架等位置。

③鎂合金是一種比鋁質(zhì)量更輕的材料，具體體積質(zhì)量只有 1.8 千克 /立方米，獲得的輕量化效果非常顯著。這種材料最開始是在方向盤骨架、殼體類以及氣缸蓋罩蓋等部位使用，當(dāng)前已經(jīng)逐漸應(yīng)用于支架類零件、座椅骨架以及儀表盤骨架部位。

④塑料和各種纖維復(fù)合材料也開始廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域，其中汽車上所采用的塑料件已經(jīng)有數(shù)百個(gè) [3]。對于重型卡車，其所使用的塑料以及復(fù)合材料量高達(dá) 150千克，主要包括普通的塑料以及強(qiáng)度比較高的復(fù)合材料。

⑤二十世紀(jì)六十年代發(fā)展起來的新材料主要包括金屬基復(fù)合材料，并且在八十年代之后得到了迅猛的發(fā)展。對于汽車工業(yè)生產(chǎn)而言，其所采取的 MMC大部分為纖維增強(qiáng)或者是顆料增強(qiáng)的相應(yīng)鋁基復(fù)合材料。這種材料在剎車系統(tǒng)零部件以及發(fā)動機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中發(fā)動機(jī)零件包括氣門挺柱、缸套、活塞、搖臂、連桿以及活塞銷，而汽熱成形技術(shù)的具體應(yīng)用

為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化以及增強(qiáng)汽車性能的目的，就應(yīng)該選擇強(qiáng)度較高的相應(yīng)輕量化材料。現(xiàn)階段，目前，如果乘用車的車型已經(jīng)達(dá)到 Uncap碰撞 4星或者是 5星級水平，那么其主要安全件里面（A柱，B柱，C 柱以及保險(xiǎn)杠防撞梁和防沖柱等）一般采用的是抗拉強(qiáng)度達(dá)到 1 500 MPa并且屈服強(qiáng)度達(dá)到 1 200 MPa相應(yīng)馬氏體鋼，這樣高的強(qiáng)度之所以可以實(shí)現(xiàn)，主要是因?yàn)闊岢尚武摬囊约跋嚓P(guān)工藝技術(shù)的迅猛發(fā)展。材料自身屈服強(qiáng)度以及延伸率會對其加工成形性產(chǎn)生直接的影響，同時(shí)材料的斷裂應(yīng)變與其屈服強(qiáng)度以及材料的溫度存在緊密的聯(lián)系 [4]。當(dāng)溫度為 900℃的時(shí)候，熱成形鋼具體屈服強(qiáng)度將會減小到 150 MPa，并且斷裂應(yīng)變超過 50% ，這時(shí)候熱成形鋼自身成形性以及可加工性均非常好，當(dāng)熱成形過程結(jié)束后，開展冷卻淬火工作，使其達(dá)到高強(qiáng)度，同時(shí)固定了處于熱成形狀態(tài)下的相應(yīng)形狀。

2.2.2 液壓成形技術(shù)的具體應(yīng)用

所謂液壓（也就是內(nèi)高壓）成形，主要是指選擇液態(tài)物質(zhì)當(dāng)做施力介質(zhì)，通過施力介質(zhì)處理坯料，使其貼合凸?；蛘呤前寄Ｃ娉尚?。其中液壓成形可以分為兩種，分別是板材液壓成形以及管材液壓成形。進(jìn)行汽車工業(yè)生產(chǎn)的時(shí)候，一般選擇管材內(nèi)高壓成形方法。對于管材液壓成形方法而言，其所具有的優(yōu)點(diǎn)主要有：①可以節(jié)約材料用量；②降低后續(xù)工作量；③因?yàn)楹附訙p少，所以能夠增強(qiáng)構(gòu)件強(qiáng)度以及剛度；④和沖焊件進(jìn)行比較，其材料利用率處于 95%～98%范圍內(nèi)；

⑤減少生產(chǎn)成本以及模具費(fèi)用支出。

2.2.3 激光拼焊板技術(shù)的有效應(yīng)用

因?yàn)榧す夂附蛹夹g(shù)具有一定特殊性，并且焊接速度非?？?，具體熱影響區(qū)比較小，所以，激光拼焊板材具有比較理想的成形性。這種拼焊板技術(shù)可以把各種表面處理狀態(tài)、不同厚度以及不同強(qiáng)度的相應(yīng)板材利用激光拼焊集成為整體板坯進(jìn)行沖制，通過這種方式能夠選擇減少模具數(shù)量以及后續(xù)生產(chǎn)工序環(huán)節(jié)，達(dá)到減小生產(chǎn)成本的目的，同時(shí)確保零部件質(zhì)量，改善零件結(jié)構(gòu)，將各種強(qiáng)度以及各種厚度板材所具有的特性充分發(fā)揮出來了。

2.2.4 金屬半固態(tài)成形技術(shù)的有效應(yīng)用

這種技術(shù)所具有的特點(diǎn)主要為：節(jié)能環(huán)保、高效并且高性能以及低成本。通過多年的有效發(fā)展，這種技術(shù)的應(yīng)用越來越成熟。二十世紀(jì)九十年代，西方國家已經(jīng)發(fā)展至產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用這一階段，同時(shí)促進(jìn)了鋁合金材料在汽車結(jié)構(gòu)零件制作中的廣泛應(yīng)用[5]?，F(xiàn)階段，瑞士 Alusuiss、德國 EFU以及法國 Pechiney公司等都具備較大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，同時(shí)在汽車零部件生產(chǎn)中得到了大量的使用。單件尺寸以及質(zhì)量也越來越大。

3 輕量化技術(shù)運(yùn)用中 LCA的作用

所謂 LCA，主要指客觀評價(jià)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)活動環(huán)境負(fù)荷，其利用辨識并且量化能量、具體物質(zhì)消耗和因?yàn)樯a(chǎn)而產(chǎn)生的廢棄物排放量的方式來評估能力以及物質(zhì)利用給周圍環(huán)境造成的影響，從而獲得改善產(chǎn)品或者是生產(chǎn)工藝的途徑，屬于有效工藝評價(jià)方法。對于輕量化而言，不僅應(yīng)該減輕汽車質(zhì)量，同時(shí)還應(yīng)該符合汽車 LCA，這是因?yàn)?LCA主要追求的是產(chǎn)品整個(gè)生命周期不對周圍環(huán)境產(chǎn)生大的影響，能夠盡量提高可耗竭資源實(shí)際使用效率，降低材料以及能量的消耗量，對各種可再生能源進(jìn)行充分的利用，達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。

4 輕量化技術(shù)未來應(yīng)用前景

未來輕量化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將一直圍繞材料的使用進(jìn)行，全球各國為此均已經(jīng)采取了多種措施：其中美國 PNGV計(jì)劃認(rèn)為材料的選用主要是塑料復(fù)合材料、高強(qiáng)鋼以及鋁 /鎂合金，通過這些材料達(dá)到汽車輕量化的目標(biāo)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了廣泛運(yùn)用輕質(zhì)材料所具有的重要性；落實(shí) ULSAB-AVC計(jì)劃的時(shí)候，把輕量化目標(biāo)范圍延伸至發(fā)動機(jī)支架、汽車超輕鋼懸架系統(tǒng)和別的結(jié)構(gòu)件，生產(chǎn)出的車身燃油效率得到了顯著改善，同時(shí)材料十分容易回收，能夠減少成本投入。

中汽協(xié)發(fā)表了《汽車輕量化意義》，內(nèi)容主要面向未來，并且要求分析并且優(yōu)化汽車總體結(jié)構(gòu)的時(shí)候，應(yīng)該在以下方面實(shí)現(xiàn)輕量化：附件輕量化、零部件的精簡化以及整體化、車身輕量化、發(fā)動機(jī)輕量化、變速器輕量化、懸架輕量化與車身輕量化?，F(xiàn)階段，國內(nèi)廠家正在研究客車、普通轎車以及商用車所使用的輕量化材料具體應(yīng)用技術(shù)以及使用性能，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)鋼以及鋁材料的使用結(jié)果非常值得期待 [6]。

5 結(jié)語

汽車生產(chǎn)過程中，各種輕量化材料已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用，未來汽車工業(yè)主要發(fā)展方向就是汽車輕量化?，F(xiàn)階段，經(jīng)常使用的輕量化技術(shù)為：優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、材料技術(shù)、 LCA生產(chǎn)技術(shù)。對象研究表明，以后汽車工業(yè)生產(chǎn)相應(yīng)實(shí)現(xiàn)全方位輕量化目標(biāo)，就應(yīng)該將發(fā)展重點(diǎn)放在材料輕量化方面，對促進(jìn)汽車工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展非常有利。

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