汽車輕量化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

冷仕康 張廣為 邵聰 王雨雨

摘 ?要：汽車輕量化是當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。汽車輕量化是指在保證汽車整體性能不降低，成本不增加的前提下，盡可能地減輕汽車質(zhì)量。本文從材料、制造工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化三個(gè)方面具體介紹了汽車輕量化的相關(guān)技術(shù)，并對(duì)未來輕量化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：汽車輕量化;材料;制造工藝;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

引言

隨著世界各國(guó)對(duì)于節(jié)能環(huán)保要求的提高，再加上新能源汽車的快速發(fā)展，各國(guó)政府對(duì)于汽車排放的要求也越來越高。為適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求，我國(guó)各地也將從今年下半年起，陸續(xù)實(shí)施國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)。世界各大汽車制造企業(yè)紛紛投入輕量化的研發(fā)中，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)保節(jié)能要求，提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，汽車質(zhì)量減輕10%，燃油效率可提高6%-8%，排放降低4%，汽車的操縱穩(wěn)定性和動(dòng)力性將得到一定程度的提高。無論對(duì)于傳統(tǒng)汽車還是新能源汽車而言，汽車輕量化已成為汽車行業(yè)一個(gè)重要的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。汽車輕量化現(xiàn)階段主要是從材料、制造工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行研究。

1 輕量化材料的應(yīng)用

1.1高強(qiáng)度鋼

高強(qiáng)度鋼是指屈服強(qiáng)度為210-550MPa的鋼材，超過550MPa的鋼為超高強(qiáng)度鋼。先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼主要有雙相鋼（DP）、復(fù)相鋼（CP）、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP）等。高強(qiáng)度鋼具有良好的抗碰撞性能，加工工藝比較成熟，成本較低，因此其應(yīng)用最為廣泛，是輕量化的最直接和有效的材料。它是我國(guó)企業(yè)鋼為主傳統(tǒng)燃油乘用車輕量化的主要材料。在未來一段時(shí)間內(nèi)，高輕度鋼和超高強(qiáng)度鋼仍會(huì)是汽車的首選材料，發(fā)揮其不可或缺的作用。

1.2輕質(zhì)合金材料

輕質(zhì)合金材料主要有鋁、鎂合金材料。鋁合金具有密度小，耐腐蝕性好，塑性良好的特點(diǎn)。它主要應(yīng)用于車身、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、底盤等部位。在保證力學(xué)性能的前提下，其減重效果明顯，能吸收較強(qiáng)的沖擊，且可回收性好，有利于材料的可持續(xù)發(fā)展。鎂合金具有比鋁合金材料更好的輕量化效果，且具有阻尼減震，散熱性好的特點(diǎn)。它主要應(yīng)用于汽車零部件、座椅骨架、轉(zhuǎn)向盤等部位。由于加工工藝和原材料成本的問題，鋁鎂合金材料的應(yīng)用受到限制。但隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和材料成本的下降，鋁鎂合金材料必將扮演越來越重要的角色。

1.3塑料及復(fù)合材料

汽車上采用的塑料由最初的PVC和PUR，拓展到現(xiàn)在的工程塑料。塑料具有質(zhì)量輕、防銹、吸震等特點(diǎn)。它主要應(yīng)用于汽車內(nèi)外飾以及儀表板、油箱、擋泥板等結(jié)構(gòu)件。復(fù)合材料應(yīng)用主要有玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）和碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）。其中碳纖維增強(qiáng)塑料的性能最為突出。纖維增強(qiáng)材料由增強(qiáng)纖維材料與基體材料復(fù)合而成。它具有較強(qiáng)的耐久性，抗腐蝕性和良好的可塑性，能保證足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。塑料及復(fù)合材料的應(yīng)用比重的增加，將會(huì)大大減輕汽車質(zhì)量，其在未來一定會(huì)有很大的應(yīng)用和發(fā)展前景。

2先進(jìn)的制造工藝

新型材料的發(fā)展必須有與之配套的成形工藝技術(shù)和連接技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼與鋁鎂合金等新型材料的生產(chǎn)以及不同材料之間的連接。

2.1成形技術(shù)

先進(jìn)的成形技術(shù)主要有熱成形技術(shù)、液壓成型、內(nèi)高壓成型等。其中，熱成形技術(shù)是一種將高強(qiáng)度鋼材加熱到奧氏體狀，再進(jìn)行液壓成形，快速冷卻，將奧氏體轉(zhuǎn)化為條狀馬氏體的成形技術(shù)。通過此過程可有效改善零件的延展性，精度、強(qiáng)度和表面硬度均得到提高，而且質(zhì)量得到減輕，輕量化效果顯著。

2.2連接技術(shù)

（1）無鉚釘鉚接

無鉚釘鉚接是一種通過沖壓過程，利用材料自身的可塑性，擠壓成相互鑲嵌的圓點(diǎn)或矩形點(diǎn)而將層層板件連接起來的機(jī)械連接工藝。它以其簡(jiǎn)單的工藝過程和較低的成本，在汽車車身制造過程中得到廣泛應(yīng)用。

（2）激光拼焊

激光拼焊是一種將不同強(qiáng)度、不同厚度、不同材質(zhì)的零件，通過激光焊接組成一個(gè)整體的焊接技術(shù)。它充分發(fā)揮了材料的優(yōu)勢(shì)，滿足了零件對(duì)材料性能的不同要求，提高了材料的利用率，得到了一個(gè)最優(yōu)的性能組合，從而實(shí)現(xiàn)輕量化的目的。

（3）冷金屬過度焊接

冷金屬過度焊接（CMT）是一種全新的MIG/MAG 焊接技術(shù)。它將焊絲運(yùn)動(dòng)與焊接過程進(jìn)行了結(jié)合，通過嚴(yán)格地控制熔滴在過渡過程中的電流，來降低焊接過程的熱輸入。它主要應(yīng)用于鋼和鋁之間的連接。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要集中在尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化等方面。尺寸優(yōu)化通常在保證零件或結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度、剛度等性能要求的情況下，減小梁的截面的面積、減小零部件厚度等，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)小型化，從而減輕質(zhì)量。形狀優(yōu)化是指合理設(shè)計(jì)零部件的幾何形狀，如對(duì)零件采取中空化、薄壁化的設(shè)計(jì)，使其仍滿足原來的性能要求。拓?fù)鋬?yōu)化是一種給定性能指標(biāo)、材料、約束條件等，在一定空間內(nèi)對(duì)材料分布、構(gòu)件布局和連接方式進(jìn)行優(yōu)化的方法。

以CAE/CAD/CAM為代表的計(jì)算機(jī)仿形設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，已得到廣泛應(yīng)用。通過對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。

4 結(jié)語

汽車輕量化是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，依賴于相關(guān)技術(shù)的共同發(fā)展，同時(shí)還涉及到經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、安全、政策等多方面的因素。我國(guó)汽車輕量化現(xiàn)階段發(fā)展已取得一定成就，但相關(guān)的理論研究與國(guó)外相比還存在著很大的差距。相信隨著技術(shù)的發(fā)展和成本的不斷降低，汽車輕量化在將來會(huì)得到更好的發(fā)展。

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