輕量化技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

郭韋華

（方盛車橋（柳州）有限公司，廣西 柳州 545006）

輕量化技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用具有重要的意義，符合汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。該技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)理念與手段，優(yōu)化了汽車的整體設(shè)計(jì)，提升了汽車的整體性能，降低了燃油消耗，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，提升了汽車的安全性與舒適度，對(duì)汽車行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有重要的意義。有關(guān)研究表明，輕量化技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在其可以改善汽車的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等性能，減弱汽車的振動(dòng)與噪音，因此該技術(shù)的應(yīng)用大大提高了汽車設(shè)計(jì)的整體水平，推動(dòng)了我國(guó)現(xiàn)代汽車行業(yè)的發(fā)展。

1 輕量化技術(shù)概述

在我國(guó)汽車工程領(lǐng)域，輕量化技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為促進(jìn)汽車行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的重要技術(shù)。輕量化技術(shù)主要是通過(guò)對(duì)汽車結(jié)構(gòu)加以合理設(shè)計(jì)、優(yōu)化汽車的相關(guān)功能、應(yīng)用新型節(jié)能材料等，降低汽車的自重，提升整車的性能，使得汽車在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，具備更高的安全性與舒適度。在我國(guó)汽車行業(yè)，輕量化技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成果，在一定程度上為汽車行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了動(dòng)力。但是，我國(guó)汽車行業(yè)的整體水平較低，必須在加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上加強(qiáng)對(duì)輕量化技術(shù)的應(yīng)用。

2 新型材料在汽車輕量化技術(shù)上的應(yīng)用

2.1 鋁合金

鋁本身就有密度小、導(dǎo)電與導(dǎo)熱性好的優(yōu)勢(shì)，與一般的合金材料相比，其塑性較好，加工工藝簡(jiǎn)單?；诖藘?yōu)勢(shì)，該材料在汽車輕量化設(shè)計(jì)中有著較為突出的優(yōu)勢(shì)，比如在車身、底盤設(shè)計(jì)中，應(yīng)用鋁合金可以減輕汽車的自重。近年來(lái)，在鋁合金材料的開(kāi)發(fā)上，逐步出現(xiàn)了新型鋁合金材料，雖然其在輕量化設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)突出，但是其成本較高，使得該材料難以得到大力推廣與使用。因此，未來(lái)研究的重點(diǎn)就是盡量降低其成本。

2.2 鎂合金

鎂合金在汽車中的應(yīng)用主要包含了結(jié)構(gòu)鑄件與非結(jié)構(gòu)鑄件。對(duì)非結(jié)構(gòu)鑄件而言，其不受沖擊力的影響，比如汽車的變速器、離合器殼、發(fā)電機(jī)罩等。而結(jié)構(gòu)鑄件受到?jīng)_擊力的影響，還會(huì)承受一定的荷載，往往用于汽車的方向盤、儀表盤、離合器支架等。隨著對(duì)鎂合金材料的開(kāi)發(fā)，其強(qiáng)度逐步提高，具有了更廣的適用性，如一些新型的鎂合金材料被用于打洞機(jī)、外車身等。對(duì)鎂合金材料而言，其可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，具有良好的節(jié)能環(huán)保效益。在我國(guó)，鎂資源分布廣泛，加快對(duì)鎂合金材料的開(kāi)發(fā)與利用具有重要的意義。

2.3 鈦合金

鈦合金一般用于發(fā)動(dòng)機(jī)配氣系、曲軸連桿結(jié)構(gòu)等零部件，有些汽車也將該材料用于消聲器、車輪等部位。從該材料的應(yīng)用來(lái)看，其最初被應(yīng)用于賽車。近年來(lái)，隨著新材料的開(kāi)發(fā)，鈦合金材料才逐步開(kāi)始應(yīng)用于普通的轎車，但是目前尚沒(méi)有研究出該材料在車身上的適用性。鈦合金材料的性能較好，隨著材料開(kāi)發(fā)力度的增大，其生產(chǎn)與加工成本逐年降低，使得該材料未來(lái)將具有良好的應(yīng)用前景。

2.4 高強(qiáng)度鋼

高強(qiáng)度鋼的性能較好、成本較低，其在車身的大部分零件中都具有適用性，有效實(shí)現(xiàn)了車身的輕量化設(shè)計(jì)，在一定程度上提高了汽車的安全性。近年來(lái)，在汽車制造與加工中，高強(qiáng)度鋼的使用量逐步增多，滿足了人們對(duì)于汽車的安全性追求。隨著高強(qiáng)度鋼材料的開(kāi)發(fā)，其強(qiáng)度逐步提高，實(shí)踐研究表明，在輕量化設(shè)計(jì)上應(yīng)用此材料，其效果優(yōu)于鋁合金，且提高了車輛本身的防碰撞等級(jí)，在輕量化設(shè)計(jì)、安全性能提升等方面的優(yōu)勢(shì)突出。因此，在汽車加強(qiáng)板、固定板、發(fā)動(dòng)機(jī)支架等方面的應(yīng)用較多。

2.5 工程塑料和復(fù)合材料

工程塑料和復(fù)合塑料是汽車輕量化設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為普遍的材料。從工程塑料的特性來(lái)看，其密度小、塑性好，具有抗腐蝕、防震動(dòng)、隔音等性能，這就使得其在汽車設(shè)計(jì)中可以充分應(yīng)用此材料發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。復(fù)合材料主要是由工程塑料與增強(qiáng)纖維復(fù)合形成，其本身具有密度小、設(shè)計(jì)靈活、成型簡(jiǎn)單、耐腐蝕等特性，如果在汽車設(shè)計(jì)中應(yīng)用此材料，能夠大大降低汽車的質(zhì)量。從這些材料的應(yīng)用來(lái)看，工程塑料逐步被應(yīng)用于一些車身結(jié)構(gòu)，而且該材料本身可以實(shí)現(xiàn)回收利用，這就使得其具有良好的應(yīng)用價(jià)值。復(fù)合材料主要用于車門、車頂板、車廂后擋板等位置。

2.6 其他材料

在汽車輕量化設(shè)計(jì)中，可用材料較多，除以上幾種外，近年來(lái)還逐步應(yīng)用了一種精細(xì)陶瓷，這種材料的物理與化學(xué)性能突出，耐熱、抗腐蝕，可以在汽車熱量較多的部位使用，如發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、熱交換位置等。該材料在這些部位的應(yīng)用大大降低了汽車運(yùn)行中的燃油消耗。另外，蜂窩夾層材料也是近年來(lái)逐步探索的新材料，由于該材料的強(qiáng)度與剛度都較高，且密度較低，因此有在汽車輕量化設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可能性。玻璃增強(qiáng)材料作為一種新型材料，其具有密度小、強(qiáng)度高、隔熱隔音等性能，且其成本較低，在一些復(fù)雜的零部件中，這種材料的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于金屬材料，比如保險(xiǎn)杠、防撞桿等。紡織復(fù)合材料也是一種新型的材料，其力學(xué)性能較好，將該材料與現(xiàn)代復(fù)合材料結(jié)合使用，其材料性能更為突出，更有利于提升汽車輕量化的設(shè)計(jì)效果。

3 車身設(shè)計(jì)在汽車工程輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車輕量化技術(shù)的應(yīng)用中，也可以從車身的優(yōu)化設(shè)計(jì)著手。車的結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)需要以不降低整車性能為前提，盡量減少整體結(jié)構(gòu)中冗余的零部件，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)的緊湊性，提高汽車輕量化設(shè)計(jì)的效果，從整體上改變車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)零件輕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.2 優(yōu)化汽車實(shí)體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，需要有關(guān)的實(shí)際人員加強(qiáng)對(duì)汽車總體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析，從輕量化的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)汽車實(shí)體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，使得該結(jié)構(gòu)與整車之間實(shí)現(xiàn)良好的協(xié)調(diào)效果，加強(qiáng)車身實(shí)體結(jié)構(gòu)與布局設(shè)計(jì)的配合，盡量應(yīng)用輕質(zhì)材料零部件。

3.3 優(yōu)化拓?fù)湓O(shè)計(jì)

我國(guó)汽車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，主要受到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的影響。汽車概念設(shè)計(jì)早期，材料布局的優(yōu)化過(guò)程也是汽車形狀的優(yōu)化與改善過(guò)程，此優(yōu)化過(guò)程也影響著汽車的整體性能。而車身輕量化設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以保證車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的后續(xù)形狀與尺寸等能夠達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的要求，提升材料的利用價(jià)值，使得設(shè)計(jì)人員可以充分遵循零件設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，提高零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性，減輕車身的質(zhì)量，保證在整車中，零件的性能最優(yōu)化。

3.4 形狀優(yōu)化

車身形狀的優(yōu)化主要是為了降低汽車的自重，使得汽車形狀的質(zhì)量更低，保障汽車零部件的耐久性，延長(zhǎng)汽車的使用壽命。從整體設(shè)計(jì)的最優(yōu)化角度著手，為提高汽車的整體性能與實(shí)用價(jià)值，在汽車相關(guān)部位的設(shè)計(jì)上要盡量避免應(yīng)力的過(guò)度集中，使得汽車在標(biāo)準(zhǔn)荷載下可以保持相對(duì)均勻、平衡的受力。在形狀的優(yōu)化過(guò)程中，要利用形狀來(lái)改變汽車相關(guān)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀態(tài)，比如，可以在高負(fù)荷位置添加部分材料，而低負(fù)荷部位去除部分材料。

4 制作工藝在汽車工程輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 激光焊接

在汽車輕量化設(shè)計(jì)中，激光焊接工藝一般應(yīng)用復(fù)合拼焊板的焊接處理，如果將此焊接工藝應(yīng)用于汽車零件的制造，可以大大提升零件的整體性能，減輕汽車的自重，使得汽車在運(yùn)行過(guò)程中具有更高的安全性。另外，應(yīng)用此焊接工藝還可以保證焊接效果，避免汽車加工與制造中材料的消耗，減輕汽車零部件的質(zhì)量，有利于提高汽車車身設(shè)計(jì)與加工的整體質(zhì)量，使得車身可以承受較大的沖擊力，提升汽車的安全性。

4.2 液壓成型

液壓成型處理方式主要是將需要成型的管件放于密閉的模具中，在管件內(nèi)腔引入流體介質(zhì)，提高水的壓力，使得管件在水的壓力作用下逐步驅(qū)動(dòng)模具變形。這種情況下，模具會(huì)逐步成為汽車零部件的形狀。這種液壓成型技術(shù)近年來(lái)逐步取代了傳統(tǒng)的零件生產(chǎn)工藝，液壓成型所生產(chǎn)的零件質(zhì)量較高，且其制造成本較低，滿足了汽車零部件的輕量化設(shè)計(jì)要求。一般情況下，在汽車制造中，液壓成型主要用于排放系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)支架等相關(guān)結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。

4.3 半固態(tài)鑄造

半固態(tài)主要是指液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。在汽車零部件的生產(chǎn)中，應(yīng)用此生產(chǎn)工藝的條件下，金屬材料呈現(xiàn)為固態(tài)與液態(tài)的雙重狀態(tài)，此時(shí)，在此溫度區(qū)間內(nèi)對(duì)其加以加工處理，使得其變?yōu)槌善沸螤睢Ｒ虼?，這種制造工藝被稱為半固態(tài)鑄造技術(shù)。一般情況下，半固態(tài)鑄造技術(shù)包含了流變與觸變鑄造兩種，其在制造與加工的過(guò)程中能源的消耗較少，且其工藝操作簡(jiǎn)單。由于流變鑄造的金屬輸送具有一定的難度，因此此鑄造工藝的應(yīng)用很少。觸變鑄造是應(yīng)用較多的工藝，但是其成本高、能源消耗大、工藝復(fù)雜，需要進(jìn)行工藝的改進(jìn)與優(yōu)化。

4.4 噴射成型

噴射成型屬于一種新型的成型加工方式，這種工藝的作用主要是快速凝固粉末冶金工藝，利用高壓惰性氣體，在其作用下，金屬容易逐步被霧化，此時(shí)，金屬溶液逐步變?yōu)榧?xì)小的液滴，隨后這些液滴會(huì)逐步沿著軸向方向飛行。由于液滴的凝固是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，未完全凝固的情況下，會(huì)出現(xiàn)部分沉淀物，這些沉淀物的收集利用可以進(jìn)行其運(yùn)動(dòng)方向的把控。

5 結(jié)束語(yǔ)

汽車工業(yè)作為我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著技術(shù)的發(fā)展與汽車需求的增加，汽車行業(yè)處于快速發(fā)展的時(shí)期。但是，汽車行業(yè)的發(fā)展中，我國(guó)輕量化技術(shù)的應(yīng)用效果并不明顯，在一定程度上阻礙了汽車行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。因此，為提高汽車的整體性能、節(jié)約能源與資源，實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，各個(gè)汽車企業(yè)要加強(qiáng)輕量化技術(shù)的應(yīng)用。