現(xiàn)代汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)探究

林灝宇

[摘 要]隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車(chē)已經(jīng)廣泛普及到人們的生活中。汽車(chē)保有量的不斷提高，讓人們深刻認(rèn)識(shí)到龐大的汽車(chē)保有量方便了人類(lèi)出行的同時(shí)也產(chǎn)生了巨大的污染，環(huán)境問(wèn)題日益突出，資源消耗局勢(shì)也十分嚴(yán)峻。而汽車(chē)輕量化通過(guò)采用新型技術(shù)和新型材料減少汽車(chē)的質(zhì)量，是降低汽車(chē)排放量、保護(hù)環(huán)境的一條可行措施。本文論述了汽車(chē)的基本結(jié)構(gòu)以及汽車(chē)工業(yè)發(fā)展史上各階段的特點(diǎn)，闡述了汽車(chē)輕量化的必要性和發(fā)展，以及汽車(chē)輕量化與汽車(chē)性能、節(jié)能環(huán)保、安全性和操縱性的關(guān)系。介紹了汽車(chē)輕量化的相關(guān)技術(shù)，并且對(duì)汽車(chē)輕量化的未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行分析和展望。

[關(guān)鍵詞]汽車(chē)；輕量化；輕量材料

中圖分類(lèi)號(hào)：U465 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2018）15-0397-02

1.汽車(chē)及其結(jié)構(gòu)

汽車(chē)是我們熟悉的交通工具，不管是長(zhǎng)途還是短途，汽車(chē)在人們的出行中都扮演著重要的角色。汽車(chē)通常由發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)、車(chē)身和電氣設(shè)備等組成。作為汽車(chē)動(dòng)力裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)，其作用是使供入的燃料燃燒而產(chǎn)生動(dòng)力，一般采用往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，可以說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)最主要的裝置之一。底盤(pán)作為傳動(dòng)裝置將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力傳給驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的裝置，它包括變速器、離合器、差速器等部件。汽車(chē)的全身上下一共有幾萬(wàn)個(gè)零件，各個(gè)系統(tǒng)相互配合，缺一不可，每個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都必須十分嚴(yán)謹(jǐn)。

2.汽車(chē)輕量化的必要性

2.1 汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)的必要性

（1）汽車(chē)輕量化是節(jié)能的需求。汽車(chē)是石油消耗的大戶(hù)，國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2001年全球57%的石油消費(fèi)在交通領(lǐng)域。美國(guó)能源部預(yù)計(jì)，2020年以后，全球石油需求與常規(guī)石油供給之間將出現(xiàn)凈缺口。數(shù)據(jù)顯示，全球石油儲(chǔ)量?jī)H夠在用約50年，石油資源短缺已成為全球問(wèn)題。目前中國(guó)已成為世界第三大汽車(chē)生產(chǎn)國(guó)，機(jī)動(dòng)車(chē)產(chǎn)量、銷(xiāo)售量和保有量的增長(zhǎng)都十分迅速。因此，汽車(chē)資源消耗量大，汽車(chē)排放污染已經(jīng)嚴(yán)重影響到我國(guó)的環(huán)境，制約了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。而采用輕量化結(jié)構(gòu)的汽車(chē)能在汽車(chē)載荷不變的條件下，顯著降低汽車(chē)燃油消耗，從而大大減少能源消耗、減少排放，對(duì)于建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)有著巨大的意義。

（2）汽車(chē)輕量化是性能的需求。汽車(chē)是現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)闹匾煌üぞ咧?，人們?duì)汽車(chē)的發(fā)展和制造要求越來(lái)越高，主要反映為潔凈化、安全化、輕量化、舒適化、信息化五大方面。汽車(chē)行駛的阻力由4部分組成：滾動(dòng)阻力、爬坡阻力、加速阻力、空氣阻力，而除空氣阻力外，其它形式的阻力都與汽車(chē)的質(zhì)量成正比，由此看來(lái)，汽車(chē)輕量化是節(jié)能的一項(xiàng)有效措施。通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)，汽車(chē)在安全和性能的表現(xiàn)絲毫不輸給普通汽車(chē)。前人的研究也表明，汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)后，汽車(chē)的性能基本上沒(méi)有任何改變（如圖2所示），安全性也可以得到有效的保障。

2.2 汽車(chē)輕量化的現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)關(guān)于減輕汽車(chē)自身質(zhì)量與減少燃油消耗之間的關(guān)系做了相應(yīng)的研究，有確切的證據(jù)可以表明減少整車(chē)質(zhì)量可提高汽車(chē)節(jié)能性和環(huán)保性、降低燃油消耗和排放量。汽車(chē)保有量越來(lái)越高的中國(guó)，資源消耗和環(huán)境污染程度不斷提高，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略受到牽制，對(duì)中國(guó)的發(fā)展來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一大阻礙。汽車(chē)排放的污染物成了霧霾的主要來(lái)源。減少汽車(chē)污染物排放是控制霧霾的有效措施。輕量化設(shè)計(jì)后的汽車(chē)每公里耗油量減少，污染物的排放也隨之減少。龐大的汽車(chē)數(shù)量群給交通出行帶來(lái)巨大壓力，交通堵塞和不文明的交通行為也滋生了噪音污染。而汽車(chē)輕量化能在結(jié)構(gòu)上縮小汽車(chē)尺寸，使汽車(chē)更靈活，也使道路的容納量有所提高，一定程度上減少了噪音污染。我國(guó)國(guó)產(chǎn)汽車(chē)與發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)出的汽車(chē)相比，平均油耗高出15%～20%。載貨汽車(chē)的質(zhì)量利用率則低11%～20%，這與我國(guó)的道路條件差，零部件加工精度低以及其他因素有關(guān)，當(dāng)然也受汽車(chē)自身的設(shè)計(jì)及使用的材料影響?？偟膩?lái)說(shuō)，我國(guó)汽車(chē)的輕量化研發(fā)還在初級(jí)階段，基礎(chǔ)不夠扎實(shí)，技術(shù)提升較慢，輕量材料以及汽車(chē)輕量化方面的意識(shí)也不夠到位，但是這也表明汽車(chē)輕量化在我國(guó)具有巨大的發(fā)展空間。

3.汽車(chē)輕量化的相關(guān)技術(shù)

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化一般包括尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化，在設(shè)計(jì)層面上起到了關(guān)鍵性的作用。

（1）尺寸優(yōu)化。尺寸優(yōu)化就是根據(jù)質(zhì)量、強(qiáng)度等優(yōu)化目標(biāo)對(duì)板殼厚度、梁截面以及平面慣性距等尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以使應(yīng)力分布均勻化對(duì)汽車(chē)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、研究和優(yōu)化，對(duì)汽車(chē)零部件精簡(jiǎn)化、整體化、集成化。在汽車(chē)輕量化的同時(shí)還需要考慮汽車(chē)車(chē)身各個(gè)節(jié)點(diǎn)的最佳剛度以及汽車(chē)的耐撞性等問(wèn)題。利用CAD、CAE等結(jié)構(gòu)解析技術(shù)，在保證汽車(chē)功能完整，性能不受影響的前提下，消除無(wú)用材料，減薄零部件壁厚，精簡(jiǎn)數(shù)量，結(jié)構(gòu)整體化、合理化。

（2）形狀優(yōu)化。形狀優(yōu)化法能夠減小零件質(zhì)量，增加零件壽命。它的基礎(chǔ)是模擬一種憑借經(jīng)驗(yàn)確定的生物學(xué)增長(zhǎng)規(guī)律，用有限元法研究生物增長(zhǎng)載體的力學(xué)特征。它啟發(fā)設(shè)計(jì)師借助形狀的變異使應(yīng)力分布均勻化，這種方法既能減小零件質(zhì)量，又能避免局部應(yīng)力高峰。如圖3所示。

3.2 革新工藝

通過(guò)優(yōu)化汽車(chē)生產(chǎn)制造工藝，可以有效地減少汽車(chē)及其零部件的質(zhì)量。

（1）沖壓技術(shù)。板材沖壓成型中，汽車(chē)覆蓋件是最復(fù)雜的沖壓件，通常需要經(jīng)過(guò)成型、切邊、翻邊等幾道甚至十幾道工序才能形成。其對(duì)尺寸精度的要求也很高，通常采用以下方法來(lái)提高精度：1、采用屈服極限低，彈性模量和塑型模量大、硬化指數(shù)值高的材料。2、通過(guò)修正拉深筋、凹模圓角等措施增加壓料面作用力，使凹模內(nèi)部的毛坯受到較大的附加拉力，產(chǎn)生較大的塑性形變，已改善不均勻分布的情況。3、通過(guò)加大壓邊力、減輕潤(rùn)滑效果等措施增加對(duì)凹模內(nèi)毛坯的附加拉力。

（2）激光拼焊板技術(shù)。激光拼焊技術(shù)一般采用專(zhuān)用的平焊鋼板，主要有普通拼焊板（TB）、工程拼焊板（TEB）和補(bǔ)片型拼焊板三種。普通拼焊板以線(xiàn)性拼焊為主，利用材料性能和厚度，使零部件結(jié)構(gòu)和防撞性能達(dá)到最佳。工程拼焊板主要為非線(xiàn)性焊縫，形狀可自由變化，能使零件質(zhì)量、強(qiáng)度、撞擊性能及材料利用達(dá)到最佳。補(bǔ)片型焊板是通過(guò)電阻點(diǎn)焊將所需形狀的補(bǔ)片固定在母板上。自由組合的激光拼焊板具有幾個(gè)特點(diǎn)：減少零件數(shù)量，減少結(jié)構(gòu)件質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)件質(zhì)量和可靠性。車(chē)體采用激光焊接技術(shù)后，簡(jiǎn)化了沖壓工藝，減少了模具數(shù)量和模具費(fèi)用，增加了局部強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了輕量化。

（3）液壓成型技術(shù)。液壓成型是指采用液態(tài)的水、油作為傳力介質(zhì)，替代剛性的模具。液壓成型在加工方面能克服常規(guī)工藝不足，有制模簡(jiǎn)單、周期短、成本低和產(chǎn)品質(zhì)量好、形狀和尺寸精度高等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)工業(yè)相比優(yōu)勢(shì)在于：獲得較大的拉深力、較低的模具成本、形狀和尺寸精度高、耐沖性能高、表面精度提高。

3.3 材料優(yōu)化

材料優(yōu)化是減少汽車(chē)質(zhì)量的最直接方式，在材料優(yōu)化中一般應(yīng)用鋁合金、高強(qiáng)度鋼和復(fù)合材料較多。

（1）鋁合金。銀白色的金屬鋁，不論是固態(tài)或是熔融狀態(tài)，其密度都隨純度提高而降低。鋁的機(jī)械性能與其純度有較大關(guān)系，純鋁軟、強(qiáng)度低，但鋁的合金不但在某種程度上保持鋁固有的特點(diǎn)，而且顯著提高了它的硬度和強(qiáng)度，使它幾乎可以與軟鋼甚至結(jié)構(gòu)鋼媲美。同時(shí)，鋁的表面有一層致密的氧化膜，擁有很好的抗腐蝕性。20世紀(jì)70年代，鋁合金被用于汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋、汽車(chē)擋泥板和車(chē)門(mén)等部件使汽車(chē)輕量化，降低油耗，對(duì)車(chē)身承載性影響并不大。車(chē)的各個(gè)覆蓋件相互連接在一起，與傳統(tǒng)的車(chē)身骨架上覆上覆蓋件的組裝方式不同。多樣化的裝配方式，實(shí)現(xiàn)了全鋁車(chē)身覆蓋的設(shè)計(jì)制造。

鋁合金擁有較高的比強(qiáng)度、很好的擠壓性，它的使用降低了材料的消耗以及構(gòu)件的質(zhì)量，從而降低成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。目前，每臺(tái)車(chē)的鋁合金平均用量為121千克，約占整車(chē)質(zhì)量的10%，而“鋁密集型汽車(chē)”中鋁合金比例更高，可達(dá)37%。

（2）高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度鋼是為了達(dá)到車(chē)身輕量化目的而開(kāi)發(fā)的一種新型鋼材，即屈服強(qiáng)度大于210MPa的鋼。20世紀(jì)70年代，相繼開(kāi)發(fā)出固溶強(qiáng)化鋼、析出強(qiáng)化鋼、復(fù)合組合強(qiáng)化鋼等，多以提高強(qiáng)度為主。20世紀(jì)80年代，為實(shí)現(xiàn)輕量化開(kāi)發(fā)出以組織控制為特點(diǎn)的高強(qiáng)度鋼。鋼板的高強(qiáng)化度和表面處理也得到了進(jìn)一步發(fā)展。

高強(qiáng)度鋼相對(duì)于其他輕量材料來(lái)說(shuō)技術(shù)更成熟、成本更低廉。是汽車(chē)的主要材料，并保持相對(duì)穩(wěn)定的主導(dǎo)地位。它在抗碰撞性能、耐腐蝕性能和成本方面有較大優(yōu)勢(shì)，在轎車(chē)用鋼中所占比例已達(dá)到60%。與其他輕量材料相比有以下優(yōu)點(diǎn)：1、價(jià)格低，經(jīng)濟(jì)性好。2、性能優(yōu)越，能保證大零件的剛性。3、可適用現(xiàn)代汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)，節(jié)約設(shè)備投資。

（3）復(fù)合材料。復(fù)合材料是指將兩種或兩種以上物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)結(jié)合起來(lái)而制得的一種多相固體材料。復(fù)合材料是二戰(zhàn)后發(fā)達(dá)國(guó)家首先發(fā)展起來(lái)的高科技技術(shù)，后來(lái)在造船、石油化工、以及汽車(chē)業(yè)等方面廣泛應(yīng)用。化學(xué)工業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了復(fù)合材料汽車(chē)的發(fā)展，許多化學(xué)公司每年推出上百種高性能的材料，使復(fù)合材料的抗壓、抗拉、抗彎曲、抗振動(dòng)以及冷、熱、固、液狀態(tài)的加工處理和電鍍等工藝達(dá)到理想狀態(tài)。

復(fù)合材料因投資少、見(jiàn)效快、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)而迅猛發(fā)展。擁有防銹、隔熱、隔聲、密度小等許多金屬材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，可適應(yīng)超高溫、超低溫、真空等條件下的震動(dòng)、減壓、熱脹冷縮等工作環(huán)境，其維修也較為簡(jiǎn)單，通常在汽車(chē)內(nèi)飾中采用。

4.汽車(chē)輕量化的未來(lái)展望

汽車(chē)輕量化憑借更適合現(xiàn)代化生活、更環(huán)保、更安全的發(fā)展理念；更小、更輕、更強(qiáng)、更節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)，不光在汽車(chē)工業(yè)，在其他行業(yè)也是最佳的設(shè)計(jì)理念。不過(guò)，汽車(chē)輕量化的技術(shù)也存在難點(diǎn)：車(chē)身結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與分析未能做到并行；結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化理論快速發(fā)展，但真正用于實(shí)際則相對(duì)較少；車(chē)身結(jié)構(gòu)建模方面現(xiàn)有的分析基本上基于部分參數(shù)化的車(chē)身結(jié)構(gòu)模型。但相信在科技的發(fā)展，工藝的提升，堅(jiān)持不懈的工作態(tài)度及創(chuàng)新精神下，汽車(chē)輕量化的未來(lái)將是美好的藍(lán)圖，輕量化的設(shè)計(jì)不僅僅局限于汽車(chē)領(lǐng)域，火車(chē)、飛機(jī)的設(shè)計(jì)同樣可以探索輕量化的潛力，其他領(lǐng)域的設(shè)計(jì)同樣可以借鑒輕量化設(shè)計(jì)的靈感，將輕量化帶入未來(lái)生活的各個(gè)角落。

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