汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化設(shè)計(jì)方法綜述

韓啟龍

（江西江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司開發(fā)中心 330000)

汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化設(shè)計(jì)方法綜述

韓啟龍

（江西江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司開發(fā)中心 330000)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車技術(shù)也日新月異。作為汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，汽車結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)也隨之迅速發(fā)展。文章從汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化的方式、材料輕量化的分類以及未來輕量化發(fā)展的方向等方面，綜述了汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化的方法。

汽車結(jié)構(gòu)；輕量化設(shè)計(jì)；汽車材料

1 輕量化技術(shù)

1.1 優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)輕量化

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝能夠?qū)崿F(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)的輕量化。譬如，汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中會(huì)使用很多夾芯板來提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，既節(jié)省了原材料，又減少了車體的質(zhì)量。這種夾芯板的外層使用的是高強(qiáng)度鋼或鎂合金材料，中間的夾層則是網(wǎng)狀鋼板，強(qiáng)度大，質(zhì)量輕，而且能夠起到隔絕車內(nèi)和車外的聲音。

1.2 改善零部件的集成實(shí)現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)輕量化

將材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝較為簡單的多個(gè)零部件集成在一起，可以有效降低汽車的質(zhì)量和成本。這種集成零部件減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的方式在汽車的塑料和鑄件中有廣泛的應(yīng)用。使用新興的拼焊板成形技術(shù)加工出來的集成零部件，強(qiáng)度得到了有效提高，兼具一定的耐腐蝕性，又節(jié)省了空間。

1.3 改進(jìn)連接方式等實(shí)現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)輕量化

汽車零部件之間的連接需要很多的材料，改進(jìn)零部件之間的連接方式可以有效降低汽車質(zhì)量。通?？梢允褂酶虞p便的材料，改進(jìn)連接的結(jié)構(gòu)的方式。

2 汽車材料的輕量化

2.1 高強(qiáng)度鋼在汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

高強(qiáng)度鋼能夠經(jīng)受非常大的載荷而不發(fā)生斷裂，所以使用較少的高強(qiáng)度鋼就可以滿足一般的鋼材所實(shí)現(xiàn)的功能。這種鋼能夠承受更大的力，也就是有效提高了材料的輕度。但這種鋼的耐腐蝕性較差，所以一般只用于汽車的外殼等結(jié)構(gòu)中。

2.2 球墨鑄鐵在汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

相同體積的球墨鑄鐵只有鋼材質(zhì)量的90%，所以大量使用球墨鑄鐵在汽車結(jié)構(gòu)上，可以有效降低汽車的質(zhì)量[1]?，F(xiàn)在世界各大汽車研發(fā)機(jī)構(gòu)和制造商都在嘗試用球墨鑄鐵來代替鋼材，因球墨鑄鐵具有良好的鑄造和加工性能，可以非常便捷地將多個(gè)零部件整合起來。

2.3 鋁合金在汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

由于鋁合金比鋼材的密度小，在汽車的設(shè)計(jì)過程中，合理地使用鋁材能夠有效地降低汽車的質(zhì)量。但是鋁的強(qiáng)度較低，所以只能在部分零部件中有所使用。

2.4 鎂及鎂合金在汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

和鋼材相比，鎂的密度比較小，在目前廣泛應(yīng)用于汽車的工程材料中，鎂的密度是最小的。由于鎂的密度小但是強(qiáng)度高，且加工容易，所以在汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大量使用鎂合金材料或者在鋼的外面鍍一層鎂，可以提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

2.5 鈦合金在汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

稀有金屬鈦的熔點(diǎn)是1 700 ℃，是一種耐熱性能非常好的材料。鈦合金的質(zhì)量輕，且疲勞性能非常優(yōu)秀，能夠長時(shí)間承受劇烈的交變載荷作用而不發(fā)生斷裂。但是鈦合金的價(jià)格比較高昂，且機(jī)械加工成型比較麻煩，所以目前只有在高檔汽車中有所應(yīng)用。

2.6 精細(xì)陶瓷在汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

非金屬新型材料精細(xì)陶瓷是純度非常高的陶瓷粉末經(jīng)過特殊的加工工藝之后得到的。精細(xì)陶瓷的機(jī)械性能非常好，比如變形情況是線性變化等，具有這種特性使其廣泛應(yīng)用于各種傳感器的制造。

2.7 塑料在汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

汽車的內(nèi)飾件有非常多的塑料，并且有些汽車前后保險(xiǎn)杠使用的是聚丙烯塑料，在塑料中填充石灰粉，可以有效緩沖來自外界的沖擊，極大提高了汽車的安全性能，且加工工藝比較簡單，外觀比較美觀。所以使用塑料代替一些金屬制造部件的汽車可以有效地減輕汽車重量。

2.8 復(fù)合材料在汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是屈服強(qiáng)度高，有良好的抗壓性能，且機(jī)加工方便，作為汽車的結(jié)構(gòu)材料，在汽車上的應(yīng)用也越來越多。通常應(yīng)用于汽車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)合材料有玻璃纖維增強(qiáng)材料、有機(jī)合成纖維復(fù)合材料和碳纖維增強(qiáng)材料。

3 汽車結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)的應(yīng)用前景

結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)于輕量化技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的影響。目前，國內(nèi)廠家正在就典型轎車、商用車和客車輕量化材料的應(yīng)用技術(shù)和使用性能進(jìn)行研究。其中對(duì)高強(qiáng)鋼和鋁的使用結(jié)果最值得期待。

[1]崔新濤.多材料結(jié)構(gòu)汽車車身輕量化設(shè)計(jì)方法研究[D].天津大學(xué).2014.

U463文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

韓啟龍（1989—），男，助理工程師，本科，研究方向?yàn)槠囓圀w設(shè)計(jì)。