汽車輕量化技術(shù)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(zhì)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(zhì)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(jīng)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(shù)的發(fā)展狀況， 包括輕量化設(shè)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(guān)鍵詞：輕量化；汽車；發(fā)展

有關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，若汽車整車質(zhì)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(gòu)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(zhì)量的30%，空載情況下，約70%的油耗用在車身質(zhì)量上，因此車身的輕量化對減輕汽車自重，提高整車燃料經(jīng)濟性至關(guān)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(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一項關(guān)鍵性研究課題。

一、輕量化技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀

汽車輕量化的技術(shù)內(nèi)涵是：采用現(xiàn)代設(shè)計方法和有效手段對汽車產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)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(chǎn)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(jīng)濟上的壓力。汽車輕量化技術(shù)包括汽車結(jié)構(gòu)的合理設(shè)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(guān)；另一方面，優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計也是實現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑。與汽車自身質(zhì)量下降相對應，汽車輕量化技術(shù)不斷發(fā)展，主要表現(xiàn)在：（1）輕質(zhì)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(jié)構(gòu)優(yōu)化和零部件的模塊化設(shè)計水平不斷提高，如采用前輪驅(qū)動、高剛性結(jié)構(gòu)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等來達到輕量化的目的，計算機輔助集成技術(shù)和結(jié)構(gòu)分析等技術(shù)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(shù)上不斷創(chuàng)新。目前，國內(nèi)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(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，其制造工藝有柔性化板材輥軋、剪拼焊接工藝技術(shù)、薄壁制造技術(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計方面可以采用前輪驅(qū)動、高剛性結(jié)構(gòu)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等來達到輕量化目的，國內(nèi)已從主要依靠經(jīng)驗設(shè)計逐漸發(fā)展到應用有限元等現(xiàn)代設(shè)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(chǎn)權(quán)的汽車車身模具開發(fā)技術(shù)，如湖南大學與上汽通用五菱在薄板沖壓工藝與模具設(shè)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(jīng)開展了客車輕量化技術(shù)的研究，利用有限元法和優(yōu)化設(shè)計方法進行結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計

目前國內(nèi)外汽車輕量化技術(shù)發(fā)展迅速，主要的輕量化措施是輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析，設(shè)計已經(jīng)融合到了汽車設(shè)計的前期。輕質(zhì)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)起著非常重要的作用，涵蓋了汽車設(shè)計和制造的各個環(huán)節(jié)。運用這些技術(shù)可以實現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計、制造。輕量化的手段之一就是對汽車總體結(jié)構(gòu)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(zhì)化。利用CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)，可以準確實現(xiàn)車身實體結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局設(shè)計，對各構(gòu)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(guān)該車的相關(guān)數(shù)據(jù)進行工程分析和剛度、強度計算。對于采用輕質(zhì)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(shè)計的各項要求。此外利用CAD/CAE/CAM技術(shù)可以用仿真模擬代替實車進行試驗，對輕量化設(shè)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(shù)和相關(guān)的模塊化設(shè)計和制造技術(shù)，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(jié)合參數(shù)反演技術(shù)、多目標全局優(yōu)化等現(xiàn)代車身設(shè)計方法，研究汽車輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，包括多種輕量化材料的匹配、零部件的優(yōu)化分塊等。從結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)合理設(shè)計有以下3個方面：（1）通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，減小車身骨架及車身鋼板的質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(qū)動和超輕懸架結(jié)構(gòu)等，使結(jié)構(gòu)更緊湊，或采取發(fā)動機后置、后輪驅(qū)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(nèi)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(zhì)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(shù)的輕量化結(jié)構(gòu)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(shù)已經(jīng)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(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(chǎn)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(shè)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(gòu)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(jīng)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?，F(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(zhuǎn)向等零部件上的運用。

3.塑料和復合材料

與相同結(jié)構(gòu)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(nèi)外飾件上，如儀表板、車門內(nèi)板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護板、側(cè)圍內(nèi)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(jié)構(gòu)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(shè)計靈活美觀、易設(shè)計成整體結(jié)構(gòu)、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(jié)語

隨著輕量化材料技術(shù)，包括生產(chǎn)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(zhì)材料的不同性能，進行多材料混合結(jié)構(gòu)設(shè)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(jīng)成為未來汽車設(shè)計發(fā)展的方向。目前汽車輕量化技術(shù)還處于很不成熟的階段，未來將有很大發(fā)展前景endprint