汽車輕量化設(shè)計(jì)探討

阮帥帥 常亮 蘇依順

摘 要：“綠色環(huán)?！币殉蔀闀r(shí)代主旋律，汽車輕量化勢(shì)在必行，這將促進(jìn)汽車工業(yè)領(lǐng)域的變革。當(dāng)前一些新興技術(shù)，如汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)、汽車材料輕量化技術(shù)、先進(jìn)制造工藝等不斷應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)和制造。在此背景下，研究汽車輕量化發(fā)展方向顯得尤為重要，這也是汽車業(yè)低碳可持續(xù)發(fā)展的必然需求。

關(guān)鍵詞：汽車;輕量化;結(jié)構(gòu);材料;先進(jìn)制造工藝

1 前言

隨著國VI排放法規(guī)和雙積分管理辦法等政策的陸續(xù)出臺(tái)，國家對(duì)汽車業(yè)提出了更為嚴(yán)苛的要求，汽車企業(yè)技術(shù)升級(jí)已不可避免。在此背景下，汽車輕量化設(shè)計(jì)成為未來汽車業(yè)的重要發(fā)展方向。汽車輕量化是指在保證汽車剛度、強(qiáng)度以及安全性的前提下，盡可能減少整車質(zhì)量，進(jìn)而提高汽車工作性能，實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展[1-3]。

2 汽車輕量化的意義

2.1 助力節(jié)能減排

“綠色環(huán)?！币殉蔀闀r(shí)代主旋律，有研究表明，當(dāng)汽車整車整備質(zhì)量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3L～0.6 L，CO2下降近1kg。為應(yīng)對(duì)突出的能源問題和環(huán)境問題，當(dāng)今世界各國汽車業(yè)正致力于汽車輕量化技術(shù)的研發(fā)。

2.2 提升動(dòng)力性能

根據(jù)牛頓第二定律F=ma可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的力F一定的前提下，汽車的質(zhì)量m越小，汽車獲得的加速度a越大，動(dòng)力性越好。資料顯示，汽車質(zhì)量每減少100kg，加速性能可提升8%～10%。因此，汽車輕量化也是現(xiàn)代汽車追求動(dòng)力性的要求。

2.3 提高安全性能

汽車輕量化還有利于提升汽車安全性能。汽車制動(dòng)所消耗的能量與汽車質(zhì)量成正相關(guān)，當(dāng)汽車質(zhì)量越小，以相同初速度進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，質(zhì)量較小的汽車所消耗的制動(dòng)能量也越小;若汽車采用的制動(dòng)器相同，則質(zhì)量越輕的汽車，制動(dòng)距離越短。研究表明，汽車質(zhì)量每減輕100kg，制動(dòng)距離可縮短2m～7m?？梢?，汽車輕量化有助于改善制動(dòng)性能，提高汽車主動(dòng)安全性能。

3 汽車輕量化設(shè)計(jì)方向

3.1 結(jié)構(gòu)輕量化

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，汽車工業(yè)迎來了新的發(fā)展契機(jī)。將CAD、CAE等先進(jìn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于汽車輕量化設(shè)計(jì)，可以降低成本、縮短設(shè)計(jì)周期，又可通過對(duì)汽車車身、車上零部件模擬仿真計(jì)算，使得各零部件的結(jié)構(gòu)在滿足使用要求的同時(shí)，更輕、更薄、更緊湊。

同時(shí)，設(shè)計(jì)理念要更新，在保證汽車產(chǎn)品剛度強(qiáng)度的同時(shí)，可采用中空設(shè)計(jì)來減輕質(zhì)量。比如對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在其主軸頸與連桿軸頸位置可采用空心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化平衡重的數(shù)量、曲柄形狀等方式達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。

此外，可對(duì)車上部件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，形成車輛集成技術(shù)。例如在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋和排氣歧管進(jìn)行集成，不僅可以對(duì)排氣歧管進(jìn)行冷卻，同時(shí)可以減小排氣管法蘭等聯(lián)結(jié)零件的尺寸，從而減小整機(jī)尺寸和質(zhì)量。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，采用此設(shè)計(jì)方法，一臺(tái)排量為2L的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)可減小質(zhì)量2kg～3kg。

3.2 材料輕量化

汽車輕量化不僅要求對(duì)汽車產(chǎn)品現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)汽車材料也提出了一定的要求。根據(jù)汽車輕量化技術(shù)路線圖可知，汽車產(chǎn)業(yè)將從三個(gè)階段逐步實(shí)現(xiàn)輕量化制造，并指出到2020年，汽車整車質(zhì)量較之2015年需減重10%;到2025年減重20%;到2030年減重35%。根據(jù)規(guī)劃要求，現(xiàn)階段發(fā)展應(yīng)以高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼技術(shù)為主，如在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸制造時(shí)，可采用高強(qiáng)度球墨鑄鐵代替鍛鋼材料，使曲軸變輕;2021年-2025年將開發(fā)以鋼鋁合金為主線的輕型材料，同時(shí)加大對(duì)鋁合金技術(shù)、鎂合金技術(shù)、工程塑料技術(shù)、碳纖維復(fù)合材料技術(shù)的研發(fā)[4];2026年-2030年重點(diǎn)發(fā)展鎂合金、工程塑料、碳纖維技術(shù)在汽車上的應(yīng)用及其循環(huán)利用。在今后的一段時(shí)間內(nèi)，研發(fā)高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料是汽車輕量化研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。

3.3 先進(jìn)制造工藝

伴隨著輕量化材料的研發(fā)，相應(yīng)的制造工藝也需要進(jìn)一步升級(jí)。如何突破復(fù)雜零部件成型技術(shù)、異種零件之間連接技術(shù)，以及形成先進(jìn)的產(chǎn)品測(cè)試評(píng)價(jià)體系等技術(shù)難點(diǎn)成為迫在眉睫的重中之重[5]。

3.3.1 汽車輕量化成型技術(shù)

目前，在汽車上應(yīng)用的先進(jìn)成型技術(shù)主要包括不等厚度軋制板技術(shù)、內(nèi)高壓成型技術(shù)、超高強(qiáng)度鋼熱沖壓成型技術(shù)、低壓差壓鑄造成型技術(shù)、輥壓成型技術(shù)、高壓鑄造成型技術(shù)等。不等厚度軋制板是指通過計(jì)算機(jī)控制和調(diào)整軋輥間距，而軋制獲得的連續(xù)變化的變截面薄板，適用于汽車縱梁、頂蓋橫梁、儀表支架等零件。內(nèi)高壓成型技術(shù)主要應(yīng)用于加工車上沿構(gòu)件軸線變化的規(guī)則形狀截面或異形截面空心件。超高強(qiáng)度鋼熱沖壓成型技術(shù)可通過熱處理和高溫成形相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)零件的高強(qiáng)度。低壓差壓鑄造技術(shù)的工藝品質(zhì)較高，且可用于生產(chǎn)一體化設(shè)計(jì)的薄壁、中空、復(fù)雜的構(gòu)件，如車輪、缸蓋等。輥壓成型技術(shù)應(yīng)用于加工截面形狀復(fù)雜多變的零部件。高壓鑄造成型技術(shù)用于高效生產(chǎn)集成復(fù)雜的薄壁構(gòu)件，車上A柱、B柱等部位均采用了該技術(shù)。

3.3.2 汽車輕量化連接技術(shù)

汽車輕量化連接技術(shù)主要包括激光拼焊技術(shù)、鎖鉚技術(shù)、自鎖鉚技術(shù)、攪拌摩擦焊技術(shù)、熱熔自攻螺釘技術(shù)、膠粘連接技術(shù)等。激光拼焊技術(shù)可將不同厚度、不同材質(zhì)的金屬薄板拼焊在一起，然后進(jìn)行沖壓成型，適用于車身、車門內(nèi)板、輪罩板、車內(nèi)地板等結(jié)構(gòu)件，技術(shù)瓶頸為 解決大功率激光器技術(shù)難點(diǎn)。鎖鉚技術(shù)和自鎖鉚技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于鉚接點(diǎn)處具有較高的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，無需鉆孔，一次成型，尤其是對(duì)于金屬和非金屬材料或多層材料組合的連接，具有明顯的優(yōu)勢(shì)等。攪拌摩擦焊技術(shù)可應(yīng)用在汽車覆蓋件、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車門等零部件的加工，難點(diǎn)是制造高效可靠低成本的裝備，解決異種材料焊接頭的穩(wěn)定性和耐腐蝕性問題。膠粘連接技術(shù)是通過膠黏劑使兩個(gè)部件之間形成不滲漏連接的技術(shù)，可應(yīng)用于粘接頂棚、地板、車門密封條等處。熱熔自攻螺釘技術(shù)可應(yīng)用于車門內(nèi)板、車身底板、行李箱蓋等部位，該技術(shù)需要解決熱熔自攻螺釘材料、連接工藝、接頭防腐性能等難點(diǎn)。

4 結(jié)語

汽車輕量化不僅可以提升燃油經(jīng)濟(jì)性，減少排放，還可改善汽車整車的綜合性能。汽車輕量化勢(shì)在必行，這也將進(jìn)一步促進(jìn)汽車工業(yè)領(lǐng)域的變革。當(dāng)前一些新興技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用還不夠成熟，無論是輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、輕量化材料的研發(fā)，還是先進(jìn)制造工藝的改進(jìn)和升級(jí)，都將成為今后汽車輕量化設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的重要研究方向。

高校訪工項(xiàng)目資助：基于拓?fù)鋬?yōu)化方法的汽車內(nèi)燃機(jī)連桿輕量化設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)：

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