汽車輕量化技術發(fā)展綜述

戚航

摘 要：汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實驗證明，汽車質量降低一半，燃料消耗也會降低將近一半。由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經成為世界汽車發(fā)展的潮流。簡要介紹了目前汽車輕量化技術的發(fā)展狀況， 包括輕量化設計概況、各種輕量化材料的性能及運用， 闡述了汽車輕量化的實施途徑。

關鍵詞：輕量化；汽車；發(fā)展

有關研究數(shù)據(jù)表明，若汽車整車質量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；若滾動阻力減少10%，燃油效率可提高3%；若車橋、變速器等機構的傳動效率提高10%，燃油效率可提高7%。由此可見，伴隨輕量化而來的突出優(yōu)點就是油耗顯著降低。汽車車身約占汽車總質量的30%，空載情況下，約70%的油耗用在車身質量上，因此車身的輕量化對減輕汽車自重，提高整車燃料經濟性至關重要。同時，輕量化還將在一定程度上帶來車輛操控穩(wěn)定性和一定意義上碰撞安全性的提升。車輛行駛時顛簸會因底盤重量減輕而減輕，整個車身會更加穩(wěn)定；輕量化材料對沖撞能量的吸收，又可以有效提高碰撞安全性。因此汽車輕量化已成為汽車產業(yè)發(fā)展中的一項關鍵性研究課題。

一、輕量化技術及其發(fā)展現(xiàn)狀

汽車輕量化的技術內涵是：采用現(xiàn)代設計方法和有效手段對汽車產品進行優(yōu)化設計，或使用新材料在確保汽車綜合性能指標的前提下，盡可能降低汽車產品自身重量，以達到減重、降耗、環(huán)保、安全的綜合指標。然而，汽車輕量化絕非是簡單地將其小型化。首先應保持汽車原有的性能不受影響，既要有目標地減輕汽車自身的重量，又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性及舒適性，同時汽車本身的造價不被提高，以免給客戶造成經濟上的壓力。汽車輕量化技術包括汽車結構的合理設計和輕量化材料的使用兩大方面。一方面汽車輕量化與材料密切相關；另一方面，優(yōu)化汽車結構設計也是實現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑。與汽車自身質量下降相對應，汽車輕量化技術不斷發(fā)展，主要表現(xiàn)在：（1）輕質材料的使用量不斷攀升，鋁合金、鎂合金、鈦合金、高強度鋼、塑料、粉末冶金、生態(tài)復合材料及陶瓷等的應用越來越多；（2）結構優(yōu)化和零部件的模塊化設計水平不斷提高，如采用前輪驅動、高剛性結構和超輕懸架結構等來達到輕量化的目的，計算機輔助集成技術和結構分析等技術也有所發(fā)展；（3）汽車輕量化促使汽車制造業(yè)在成形方法和聯(lián)接技術上不斷創(chuàng)新。目前，國內汽車輕量化材料正在加速發(fā)展，新型智能材料逐漸在汽車制造中得到應用。車用高性能鋼板、鎂合金已在汽車上有所應用。如上海大眾桑塔納轎車變速器殼體采用鎂合金。隨著鎂合金材料的技術進步及其抗蠕變性能的進一步改善，自動變速器殼體以及發(fā)動機曲軸箱亦適合改用鎂材料制造。若曲軸箱由鋁改為鎂，則可減輕0%左右。傳統(tǒng)的轎車車身結構是鋼車身，現(xiàn)今也越來越多地采用高強度鋼、精練鋼、鋁合金和夾層鋼車身結構，其制造工藝有柔性化板材輥軋、剪拼焊接工藝技術、薄壁制造技術等。不銹鋼與強度較高的碳鋼相比，表現(xiàn)出不少優(yōu)點，例如延展性更好、強度更高、更適合形狀復雜的覆蓋件成形。上世紀80年代，重慶汽車研究所就開展了雙相鋼研究；一汽轎車、奇瑞汽車公司也在轎車車身上進行了高強度鋼板的初步應用試驗。在結構設計方面可以采用前輪驅動、高剛性結構和超輕懸架結構等來達到輕量化目的，國內已從主要依靠經驗設計逐漸發(fā)展到應用有限元等現(xiàn)代設計方法進行靜強度計算和分析階段。目前出現(xiàn)了一批擁有自主知識產權的汽車車身模具開發(fā)技術，如湖南大學與上汽通用五菱在薄板沖壓工藝與模具設計理論方面開展了較深入的研究；北京航空航天大學開發(fā)了CAD系統(tǒng)CAXA，并已經開展了客車輕量化技術的研究，利用有限元法和優(yōu)化設計方法進行結構分析和結構優(yōu)化設計，以減少車身骨架、發(fā)動機和車身蒙皮的重量等。

二、實現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑

（一）合理的結構設計

目前國內外汽車輕量化技術發(fā)展迅速，主要的輕量化措施是輕量化的結構設計和分析，設計已經融合到了汽車設計的前期。輕質材料在汽車上的應用，包括鋁、鎂、高強度鋼、復合材料、塑料等，與結構設計以及相應的裝配、制造、防腐、連接等工藝的研究應用融為一體。在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，利用CAD/CAE/CAM一體化技術起著非常重要的作用，涵蓋了汽車設計和制造的各個環(huán)節(jié)。運用這些技術可以實現(xiàn)汽車的輕量化設計、制造。輕量化的手段之一就是對汽車總體結構進行分析和優(yōu)化，實現(xiàn)對汽車零部件的精簡、整體化和輕質化。利用CAD/CAE/CAM一體化技術，可以準確實現(xiàn)車身實體結構設計和布局設計，對各構件的開頭配置、板材厚度的變化進行分析，并可從數(shù)據(jù)庫中提取由系統(tǒng)直接生成的有關該車的相關數(shù)據(jù)進行工程分析和剛度、強度計算。對于采用輕質材料的零部件，還可以進行布局分析和運動干涉分析等，使輕量化材料能夠滿足車身設計的各項要求。此外利用CAD/CAE/CAM技術可以用仿真模擬代替實車進行試驗，對輕量化設計的車身進行振動、疲勞和碰撞分析。通過開發(fā)汽車車身、底盤、動力傳動系統(tǒng)等大型零部件整體加工技術和相關的模塊化設計和制造技術，使節(jié)能型汽車從制造到使用各個環(huán)節(jié)都真正實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保。通過結合參數(shù)反演技術、多目標全局優(yōu)化等現(xiàn)代車身設計方法，研究汽車輕量化結構優(yōu)化設計技術，包括多種輕量化材料的匹配、零部件的優(yōu)化分塊等。從結構上減少零部件數(shù)量，確保在汽車整車性能不變的前提下達到減輕自重的目的。具體結構合理設計有以下3個方面：（1）通過結構優(yōu)化設計，減小車身骨架及車身鋼板的質量，對車身強度和剛度進行校核，確保汽車在滿足性能的前提下減輕自重。（2）通過結構的小型化，促進汽車輕量化，主要通過其主要功能部件在同等使用性能不變的情況下，縮小尺寸。（3）采取運動結構方式的變化來達到目的。比如采用轎車發(fā)動機前置、前輪驅動和超輕懸架結構等，使結構更緊湊，或采取發(fā)動機后置、后輪驅動的方式，達到使整車局部變小，實現(xiàn)輕量化的目標

（二）使用新型材料endprint

據(jù)統(tǒng)計，汽車車身、底盤（含懸架系統(tǒng)）、發(fā)動機三大件約占一輛轎車總重量的65%以上。其中車身內外覆蓋件的重量又居首位。因此減少汽車白車身重量對降低發(fā)動機的功耗和減少汽車總重量具有雙重的效應。為此，首先應該在白車身制造材料方面尋找突破口。具體可以有如下幾種方案：（1）使用密度小、強度高的輕質材料，像鋁鎂合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；（2）使用同密度、同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強度鋼；（3）使用基于新材料加工技術的輕量化結構用材，如連續(xù)擠壓變截面型材、金屬基復合材料板、激光焊接板材等。

1.有色合金材料

鋁具有良好的機械性能，其密度只有鋼鐵的1/3，機械加工性能比鐵高4.5倍，耐腐蝕性、導熱性好。其合金還具有高強度、易回收、吸能性好等特點。汽車工業(yè)運用最多的是鑄造鋁合金和形變鋁合金。運用形變鋁材制造車身面板的技術已經比較成熟，包括發(fā)動機罩、行李箱罩、車門、翼子板等。保險杠、輪轂和汽車結構零件也廣泛使用鋁合金材料。運用鋁合金也面臨不少問題，比如，鋁合金加工難度比鋼材高，成型性還需繼續(xù)改善；由于鋁導熱性好，導致鋁合金的焊接性能差；不能像鋼板那樣采用磁力搬運等。其中，關鍵是成本問題，目前鋁價還比較高，成本控制對鋁合金的運用非常重要。鎂合金具有與鋁合金相似的性能，但是鎂的密度更低，它們的密度之比為1.8∶3，是當前最理想、重量最輕的金屬結構材料，因而成為汽車減輕自重、以提高其節(jié)能性和環(huán)保性的首選材料。但其鑄造性差，后處理工藝復雜，成本高。我國的鎂資源非常豐富，儲量占世界首位。但是國內用量很少，尤其汽車行業(yè)用量極少，因此前景非常廣闊。而西方工業(yè)發(fā)達國家對鋁基、鎂基的金屬基復合材料的開發(fā)與應用，已達到了產業(yè)化階段。

2.高強度鋼

用高強度鋼替代原使用材料，能適當減小零件尺寸。世界上廣泛通過進一步提高合金鋼、彈簧鋼、不銹鋼等鋼種的比強度和比剛度，以及粉末冶金配件具有的多孔密度低、精度高、成本低等特點，來作為汽車輕量化的措施采用高強度鋼板在等強度設計條件下可以減少板厚，但是車身零件選定鋼板厚度大都以元件剛度為基準，因此實際板厚減少率不一定能達到鋼板強度的增加率，不可能大幅度地減輕車重。高強度鋼板在汽車上應用的目的主要有3點：增加構件的變形抗力，提高能量吸收能力和擴大彈性應變區(qū)。由于運用高強度鋼板的經濟性和相對容易性，因此應大力提倡在汽車上運用高強度鋼板。現(xiàn)在各國都在加速高強度鋼和超高強度鋼在汽車車身、底盤、懸架、轉向等零部件上的運用。

3.塑料和復合材料

與相同結構性能的鋼材相比，塑料和復合材料一般可減輕部件的重量在35%左右。低密度與超低密度片狀成型復合材料的發(fā)展提供了更多的潛力，在重量減輕與強度方面達到甚至超過了鋁材，整體成本通常更低。塑料是由非金屬為主的有機物組成的，具有密度小、成型性好、耐腐蝕、防振、隔音隔熱等性能，同時又具有金屬鋼板不具備的外觀色澤和觸感。目前，塑料大都使用在汽車的內外飾件上，如儀表板、車門內板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護板、側圍內襯板、車門防撞條、扶手、車窗、散熱器罩、座椅支架等。而后逐漸向結構件和功能件擴展。常用的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復合材料。增強用的纖維除玻璃外，還有高級的碳纖維、合成纖維。復合材料作為汽車材料具有很多優(yōu)點：密度小、設計靈活美觀、易設計成整體結構、耐腐蝕、隔熱隔電、耐沖擊、抗振等。目前玻璃鋼復合材料的應用非常廣泛，尤其在歐美車系中。其中尤以SMC和GMT的應用最為廣泛。

三、結語

隨著輕量化材料技術，包括生產工藝、裝配、連接、材料性能等的不斷發(fā)展和成熟，針對不同輕質材料的不同性能，進行多材料混合結構設計，即同一部件的組成零件可由不同材料制造，以實現(xiàn)所用的材料與零件功能達成最佳組合，已經成為未來汽車設計發(fā)展的方向。目前汽車輕量化技術還處于很不成熟的階段，未來將有很大發(fā)展前景endprint