汽車輕量化關鍵技術的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

文/張海霞，趙升噸，陳超，張鵬，董鵬·西安交通大學機械工程學院

隨著社會的快速發(fā)展，汽車保有量越來越多，給人們出行帶來方便快捷。目前，節(jié)能、環(huán)保、安全和智能都成為汽車發(fā)展的新動向。與此同時，能源和環(huán)境是當今世界面臨的兩大問題，兩者都與汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展息息相關，制造出“低能耗”、“低排放”甚至“零排放”的汽車是汽車行業(yè)及政府等部門都需要思考的問題。

在采用相同動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的前提下，乘用車的整車質(zhì)量每減少10%，燃油消耗就可降低6%～8%。巴斯夫公司統(tǒng)計結(jié)果表明，汽車每減重100kg，每百公里油耗可降低0.3～0.6L、二氧化碳排放可減少5g/km。相較于汽車的動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的技術改革，輕量化是降低能耗、減少排放的最為有效的措施之一。在《中國制造2025》中關于汽車發(fā)展的整體規(guī)劃中也強調(diào)了“輕量化仍然是重中之重”，“輕量化”已然成為國家的重要戰(zhàn)略，越來越多的研究機構(gòu)和汽車行業(yè)將其研究工作的重點放在汽車輕量化上。

汽車輕量化實現(xiàn)的途徑

汽車輕量化即在汽車保證其基本的使用性能要求、安全性要求和其成本控制要求的前提下，從結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面，應用新設計、新材料、新技術來實現(xiàn)對汽車整體的減重，以完成汽車向“低能耗”、“低排放”的轉(zhuǎn)變。

目前，實現(xiàn)汽車輕量化主要有三種途徑：⑴結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使部件薄壁化、中空化、小型化或復合化；⑵新材料的使用，如高強度鋼、鋁、鎂合金及一些非金屬材料的使用；⑶工藝的改進，主要包括成形技術和連接技術。

輕量化結(jié)構(gòu)設計

從車身結(jié)構(gòu)方面實現(xiàn)輕量化，主要有整體車身的拓撲優(yōu)化設計、尺寸形狀再優(yōu)化。拓撲優(yōu)化為基于經(jīng)驗目標函數(shù)的宏觀優(yōu)化，尺寸形狀再優(yōu)化和材料布局優(yōu)化則為局部的調(diào)整細化。

拓撲優(yōu)化設計是在給定的空間范圍內(nèi)，通過不停地迭代，重新規(guī)劃材料的分布和連接方式，將車身整體中的冗余部分去掉，使部分零部件薄壁化、中空化，完成宏觀層面的拓撲優(yōu)化。拓撲優(yōu)化是數(shù)學運算方法和有限元分析的有效結(jié)合。

尺寸形狀優(yōu)化是在確定了車身結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料分布的前提下展開的，主要對各個桁架結(jié)構(gòu)進行橫截面積、幾何尺寸以及節(jié)點位置尋求最優(yōu)解，在達到保證基本剛度要求的前提下車身重量最小。尺寸優(yōu)化是建立在數(shù)學模型之上得到的最優(yōu)解，可作為拓撲優(yōu)化的進一步完善和提高。

輕量化材料的使用

輕質(zhì)新材料的應用是汽車實現(xiàn)輕量化的關鍵。為實現(xiàn)輕量化，世界各大汽車生產(chǎn)商和材料生產(chǎn)廠家一直致力于輕量化材料的研發(fā)，輕量化材料應用的多少已經(jīng)成為衡量汽車生產(chǎn)技術和新材料開發(fā)水平的重要標準之一。目前用于汽車輕量化的新材料主要分為金屬材料和非金屬材料。

金屬材料

金屬材料主要是高強度鋼和輕質(zhì)合金。使用高強鋼、鋁合金、鎂合金，車體重量可分別減輕15%～25%、40%～50%和55%～60%。目前，高強度鋼主要被應用于汽車結(jié)構(gòu)件、安全件、前后保險杠等部位；鋁合金主要應用在車身結(jié)構(gòu)材料的替換上；鎂合金主要應用在零部件上，其中包括殼體類與支架類零部件。

高強度鋼具有強度高、質(zhì)量輕、成本低等特點，有助于汽車的輕量化，而且能夠提高安全性。所以，汽車用高強度鋼已成為頗具競爭性的輕量化材料。就目前的工業(yè)發(fā)展狀況來看，車輛的主要部分如懸架、底盤和車身結(jié)構(gòu)需要高強度鋼的應用較多。這些部位的高強度鋼，大多是在原有材料的基礎上，添加不同成分的合金，從而提高了合金鋼的強度和韌性。

鋁及鋁合金是目前應用較為成熟的輕量化金屬材料，其優(yōu)勢為低密度、高輕度、高彈性、高抗沖擊性能、易著色等。在當前汽車制造中，已大量的使用在汽車輪轂、動力系統(tǒng)及懸架系統(tǒng)等零部件中，近年來奧迪、捷豹路虎、福特等都使用了全鋁式的車身結(jié)構(gòu)，鋁合金已經(jīng)成為了一種比較理想的輕量化材料，未來隨著成形技術和連接技術的發(fā)展，鋁合金的使用會越來越廣泛。

鎂及鎂合金具有密度低、質(zhì)量輕、比強度優(yōu)于鋁合金和鋼等優(yōu)勢，但由于其高溫疲勞性能較差和抗蠕變能力弱，限制了其在汽車上的應用，目前主要應用在殼體類和支架類零件上，如儀表盤、變速箱體、轉(zhuǎn)向支架、剎車支架等。我國鎂含量儲備大，但是從鎂合金的生產(chǎn)、成形等方面都需要加大研究投入，將其轉(zhuǎn)化為我國的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。

圖1 奧迪A8全鋁車身

非金屬材料

隨著汽車輕量化進程的飛速發(fā)展，非金屬制品的應用范圍也在不斷擴大，其中使用最為廣泛的是塑料制品，碳纖維作為新型材料也逐步進入了汽車產(chǎn)業(yè)中。

塑料的應用已經(jīng)從內(nèi)飾擴展到零件和構(gòu)件上，“以塑代鋼”已經(jīng)成為一種趨勢。國外很多汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)達地區(qū)已經(jīng)將塑料制品的用量作為衡量汽車發(fā)展的重要指標。

碳纖維復合材料是目前最主要的車用復合材料，具有密度小、耐腐蝕、比強度和比剛度高等特點，主要應用在汽車的結(jié)構(gòu)件上，如汽車車身、底盤等，能在保證強度和剛度的前提下，大量減輕汽車重量。但碳纖維的生產(chǎn)成本高是制約其在汽車工業(yè)應用和推廣的一個主要原因。目前，碳纖維復合材料主要應用于一些小批量生產(chǎn)的高檔轎車和賽車中。

輕量化工藝

為了實現(xiàn)全面減重的目的，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計和新材料使用的情況下，仍需要研究開發(fā)更先進的生產(chǎn)制造工藝，以滿足新結(jié)構(gòu)和新材料的需求。輕量化工藝主要是新材料的零部件在生產(chǎn)過程中的連接技術和成形技術。當前應用較為廣泛的有板材鎖鉚連接、粉末注射成形和內(nèi)高壓成形等。

鎖鉚連接技術

傳統(tǒng)的板材連接方式如點焊，表面前處理過程復雜、生產(chǎn)成本較高、生產(chǎn)效率較低，無法滿足輕量化車身對板材連接的要求。而鎖鉚連接技術在連接輕質(zhì)材料如鋁合金、鎂合金等材料上具有很大優(yōu)勢，在連接異種材質(zhì)或表面有鍍層的板料時，其優(yōu)勢更加顯著。鎖鉚連接在連接前無需預沖孔、工藝步驟簡單、生產(chǎn)效率高，在輕量化車身制造上具有廣闊的發(fā)展前景，在汽車車身連接中占據(jù)很重要的地位。

鎖鉚連接是將鉚釘在外力的作用下，穿透第一層材料，并在底層材料中進行流動和延展形成一個互相鑲嵌的塑性變形過程，具有較高的抗拉強度和抗剪強度。目前鎖鉚連接技術在汽車行業(yè)的發(fā)展主要受限于汽車行業(yè)用的相關鎖鉚連接設備的發(fā)展水平較低。

粉末注射成形

粉末注射成形是傳統(tǒng)粉末冶金工藝與現(xiàn)代塑料注射成形工藝相結(jié)合的一項新型近凈成形技術。其可以得到致密度高、力學性能良好、表面粗糙度小的零件；同時能夠大量制備具有高性能的復雜形狀零件；生產(chǎn)效率較高，可以有效地降低成本，加速汽車輕量化發(fā)展的步伐，具有巨大的技術和經(jīng)濟優(yōu)勢。目前已被大量應用在汽車輕量化上，主要包括汽車動力傳輸零件、渦輪增壓器、燃油噴油器、安全氣囊傳感器嵌入件、壓力傳感器、電動門鎖組合零件等。

內(nèi)高壓成形

圖2 鎖鉚連接的工藝過程

圖3 粉末注射成形工藝流程

內(nèi)高壓成形又稱充液成形、液壓成形，是始于20世紀初的一種軟模成形技術。該工藝尤其適用于形狀復雜、尺寸多變、外觀質(zhì)量要求高、批量不大的大型板材零件的生產(chǎn)，使復雜形狀板材零件的生產(chǎn)簡單化、柔性化，實現(xiàn)零件的快速制造，并且大幅度降低模具費用。

根據(jù)原材料形狀的不同可分成兩類，即板材和管材。板材液壓成形主要是車身的覆蓋件；管材液壓成形主要應用于汽車復雜異形截面的管件零件，如曲軸、凸輪軸、排氣管道、支架梁等。

日本豐田在20世紀90年代初已建立了2條以3000t設備為核心的充液拉深生產(chǎn)線，專門生產(chǎn)高檔車的翼子板，并進行模具開發(fā)；Amino2002年成立北美分公司，并建立了以3000t設備為核心的充液拉深成形生產(chǎn)線，專門研制開發(fā)鋁合金車身覆蓋件充液拉深成形技術及模具，以減少零件連接數(shù)量，滿足多品種、小批量、個性化車型對整體覆蓋件成形的需求，提升汽車品質(zhì)；德國Schuler公司除了生產(chǎn)充液拉深設備外，還給主機廠和零部件廠提供批量生產(chǎn)用模具。而我國目前轎車車身鋁合金充液拉深零件模具開發(fā)還處于空白，這成為牽制鋁合金在汽車工業(yè)應用的另一關鍵因素。

圖4 內(nèi)高壓板材成形示例

結(jié)束語

汽車工業(yè)作為我國經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，其發(fā)展勢頭不容小覷，面臨當前世界能源和環(huán)境的危機，汽車輕量化已然成為汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路?，F(xiàn)階段我國輕量化技術的應用與國際先進水平尚有差距，輕量化結(jié)構(gòu)設計、新材料的使用以及新工藝的研發(fā)，三者之間息息相關，互相制約，綜合平衡發(fā)展才能促進整個輕量化的進展。