輕量化成商用汽車未來的發(fā)展趨勢

張露

遼寧航天凌河汽車有限公司 遼寧 朝陽 122500

前言

技術(shù)研究表明，同樣的動力及傳動系統(tǒng)，商用車的整車重量每減少10%，其油耗就降低6%-8%左右。巴斯夫公司也做過同樣的研究，汽車每減少100kg重量，每百公里油耗就減少至少0.3L，對應(yīng)的二氧化碳排放量也減少5g/km。所以，在汽車行業(yè)的改革中，輕量化可以作為節(jié)能減排的重要途徑之一。《中國制造2025》也對輕量化的重要性進行了強調(diào)。這也使得很多汽車制造企業(yè)和研究機構(gòu)都將輕量化作為重點研究對象。

1 商用車輕量化的定義和意義

汽車輕量化是指在確保汽車使用的性能、安全性及成本控制要求的基礎(chǔ)上，通過使用新型的技術(shù)、材料及工藝來實現(xiàn)汽車的整體重量降低。使汽車制造逐漸的走向低能耗和低排放方向。從汽車的裝備質(zhì)量來考慮，商用車與乘用車相比在原材料應(yīng)用上屬于大戶，對其進行輕量化的設(shè)計能夠響應(yīng)國家節(jié)能減排的要求，且汽車的輕量化設(shè)計也是實現(xiàn)能源節(jié)約的有效途徑。

2 商用車的輕量化實現(xiàn)途徑分析

2.1 汽車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計

汽車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計是從其拓撲優(yōu)化和尺寸形狀優(yōu)化角度進行的。具體如下：

（1）汽車拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化是從經(jīng)驗?zāi)繕?biāo)函數(shù)角度進行的汽車結(jié)構(gòu)的宏觀優(yōu)化，在空間范圍給定基礎(chǔ)上，不斷的進行迭代來形成新的連接形式和材料的重新分布。去掉原有設(shè)計中的冗余部分，將部分零部件進行薄壁和中空化，使汽車宏觀結(jié)構(gòu)得到拓撲優(yōu)化。拓撲優(yōu)化主要運用數(shù)學(xué)運算及有限元進行結(jié)合分析進行的。

（2）汽車外觀形狀優(yōu)化設(shè)計

外觀設(shè)計主要是尺寸上的優(yōu)化，對尺寸形狀進行優(yōu)化，對汽車的材料布局進行局部的細化和調(diào)整。尺寸形狀的優(yōu)化是在各項結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)確定，材料分布也確定的基礎(chǔ)上進行的。其優(yōu)化的范圍是圍繞桁架結(jié)構(gòu)所進行的橫截面積，節(jié)點分布及各個結(jié)構(gòu)結(jié)合尺寸的最優(yōu)化處理，確保整車剛度不改變的情況下進行車身重量的最小化，尺寸優(yōu)化是拓撲優(yōu)化的深入，也是基于數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上進行的優(yōu)化。

2.2 汽車材料的輕量化應(yīng)用

（1）金屬材料應(yīng)用

汽車輕量化的實現(xiàn)還要依靠輕質(zhì)金屬材料。通過使用高強度鋼、鋁、鎂合金可以實現(xiàn)車身重量的15%-60%的重量降低。①目前汽車的結(jié)構(gòu)部件、安全部件以及保險杠等都主要使用高強度輕型鋼；這種鋼質(zhì)量輕，強度大，成本低，能夠在輕量化基礎(chǔ)上提升安全性。用于汽車底盤，懸架及車身結(jié)構(gòu)的鋼質(zhì)材料應(yīng)用常添加一些合金成分來改善韌性及強度。②鋁及合金用于汽車的輕量化生產(chǎn)已經(jīng)比較成熟，鋁及鋁合金密度低，重量輕，彈性及抗沖擊力強，比較容易著色。目前汽車的輪轂、動力系統(tǒng)及懸架系統(tǒng)都已經(jīng)使用此類材料的零部件。奧迪、捷豹、路虎、福特等部分型號的車身結(jié)構(gòu)都已經(jīng)是全鋁型的。鋁合金作為輕量化的材料已經(jīng)廣被認可，隨著鋁合金成型及連接技術(shù)的完善，鋁合金的輕量化應(yīng)用將更加普遍。③鎂及鎂合金密度小，重量輕，強度比鋁合金及鋼都更有優(yōu)勢。但其不足之處在于高溫疲勞和抗蠕變能力差，所以在汽車制造中的應(yīng)用只是進行殼體及支架類零件生產(chǎn)，常見的儀表盤、變速箱體以及剎車轉(zhuǎn)向支架等。我們具有豐富的鎂合金，但其具體的成形應(yīng)用還需要做深入研究。

（2）非金屬材料應(yīng)用

非金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用主要是塑料及碳纖維。①塑料應(yīng)用于車內(nèi)飾、零部件，以塑代鋼已經(jīng)成為一個輕量化的發(fā)展趨勢。②碳纖維復(fù)合材料密度小、耐腐蝕、強度及剛度強，在汽車的車身及底盤應(yīng)用中，可以在確保剛度情況下減輕車身重量。

2.3 汽車生產(chǎn)的輕量化工藝

汽車輕量化實現(xiàn)除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化和材料應(yīng)用上的改善，還要重點從生產(chǎn)工藝上進行優(yōu)化,輕量化的部件生產(chǎn)在工藝上的實現(xiàn)主要是從連接及成形上開展，主要有以下幾種工藝：

（1）鎖鉚連接工藝

傳統(tǒng)板材連接以點焊為主，無論是生產(chǎn)效率還是成產(chǎn)成本都不夠理想，也達不到車身輕量化的連接要求。鎖鉚連接在進行鋁合金，鎂合金的連接上，通過外力將鉚釘穿透到第一層材料后，再向底層材料進行流動性的延展連接，呈現(xiàn)一個鑲嵌式的互聯(lián)性塑性連接，有效的提升了板材的抗拉及抗剪強度。在進行異種材料及表面有鍍層的板材連接時優(yōu)勢更加明顯，所以鎖鉚連接用于汽車的輕量化設(shè)計將會有廣闊的發(fā)展前景。

（2）粉末注射成型工藝

粉末注射技術(shù)作為一種新型的近凈成形技術(shù)，是在原始粉末冶金基礎(chǔ)上與現(xiàn)代塑料注射成形的工藝結(jié)合。其在輕量化設(shè)計中的應(yīng)用主要是可以實現(xiàn)致密度高、力學(xué)性能優(yōu)良、表面粗糙的小部件。另外，在車體形狀較為復(fù)雜的零件生產(chǎn)上也具有較可靠的應(yīng)用。粉末注射成形的生產(chǎn)效率非常高，能夠提升汽車生產(chǎn)的輕量化，降低生產(chǎn)成本。無論是經(jīng)濟可行性還是技術(shù)可行性都有優(yōu)勢。粉末注射成形在輕量化的汽車生產(chǎn)應(yīng)用上，主要是用于制造汽車的動力傳輸部件、渦輪增壓器、燃油噴油器以及安全氣囊燈嵌入型元件、電動門鎖和壓力傳感器等部件。

（3）高壓成型工藝

內(nèi)高壓成形也可稱為液壓成形，最早于上世紀初作為軟模成形技術(shù)進行應(yīng)用。這項成形工藝可以適用于形狀復(fù)雜、外觀質(zhì)量要求高度一些大型板材零件的生產(chǎn)。使得復(fù)雜板材的部件生產(chǎn)更加簡單，柔性化和快速化，降低生產(chǎn)成本。高壓成型主要是板材和管材的生產(chǎn)，比如，汽車車身的覆蓋件就是板材高壓成型。而汽車的曲軸、排氣管及支架梁等形狀復(fù)雜的管件類也是靠高壓成型。

3 結(jié)語

總而言之，汽車制造行業(yè)作為國家經(jīng)濟的重要支撐產(chǎn)業(yè)，其未來的發(fā)展受到廣泛的關(guān)注。在當(dāng)前不斷加劇的能源危機和環(huán)境污染危機下，汽車的輕量化已經(jīng)作為未來的主要發(fā)展趨勢成為汽車行業(yè)的發(fā)展必然。從國內(nèi)輕量化的商務(wù)用車技術(shù)應(yīng)用來看，距離世界先進水平還有差距。這就要求從汽車的輕量化結(jié)構(gòu)、材料集工藝等幾個方面深入研究，通過綜合的輕量化汽車制造來實現(xiàn)汽車行業(yè)的可持續(xù)性健康發(fā)展。