輕量化技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用探討

楊光 金明浩 丁麗萍

【摘要】在汽車工程的發(fā)展過程中，輕量化是發(fā)展趨勢(shì)。汽車輕量化可以有效提高汽車的安全性和穩(wěn)定性，減低燃油消耗，減少尾氣排放，推動(dòng)汽車行業(yè)的綠色持續(xù)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】輕量化技術(shù);汽車工程;應(yīng)用

一、輕量化技術(shù)概述

在我國汽車工程領(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。

二、輕量化技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

（一）積極推進(jìn)輕量化材料的應(yīng)用

隨著汽車工業(yè)整體快速往前發(fā)展，在汽車制造過程當(dāng)中應(yīng)該更多地引入輕質(zhì)材料，其本身不僅能夠更好地降低汽車整體重量，對(duì)于汽車整體性能提升也具有積極意義。例如，通過在汽車生產(chǎn)過程中引入鋁鎂合金、高強(qiáng)度鋼、玻璃增強(qiáng)材料、工程塑料、鈦合金以及結(jié)構(gòu)發(fā)泡等相關(guān)類型的材料。與其他的汽車材料比較，高強(qiáng)度鋼本身在生產(chǎn)工藝、整體成本以及防撞性能上都存在巨大的優(yōu)勢(shì)，其本身能夠顯著地改善汽車本身的碰撞性能以及汽車整體的安全性，通過改變部件的厚度、急性降低自身的重量，能夠在很大程度上提升部件本身的抗破壞能力與抗凹陷性，不僅能夠在很大程度上提升安全性，而且還能夠降低油耗。鋁鎂合金具有強(qiáng)度高、重量輕、易成型、具有良好塑性等優(yōu)點(diǎn)，在汽車底盤的零部件以及汽車車身部位廣泛應(yīng)用，在成型技術(shù)以及材料技術(shù)快速發(fā)展的今天，鋁鎂合金材料的應(yīng)用范圍勢(shì)必會(huì)得到進(jìn)一步的擴(kuò)大。工程塑料以及玻璃增強(qiáng)材料本身具有良好的成型性而且密度較低、耐腐蝕、隔熱、隔震、隔音等相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前玻璃增強(qiáng)材料以及工程塑料在汽車的外飾以及內(nèi)飾當(dāng)中應(yīng)用較為廣泛。

（二）車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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)。

2.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)化過程中，要利用形狀來改變汽車相關(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。

3.優(yōu)化拓?fù)湓O(shè)計(jì)

我國汽車拓?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)化過程也是汽車形狀的優(yōu)化與改善過程，此優(yōu)化過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。

（三）先進(jìn)制造工藝

1.激光焊接

激光焊接工藝采用各種復(fù)合板進(jìn)行拼焊，改善了零部件的使用性能，降低了汽車自身重量，提高了汽車結(jié)構(gòu)可靠性及安全性能。液壓成型工藝是將待加工管件或板料置于密閉模具中，通過流體介質(zhì)使管件或板料在模具中變形成型，該工藝取代了傳統(tǒng)的加工模式，提高了產(chǎn)品品質(zhì)，降低了汽車重量和成本，廣泛應(yīng)用于汽車零部件如排氣系統(tǒng)、后橋、發(fā)動(dòng)機(jī)支架等。半固態(tài)鑄造技術(shù)是將金屬或合金材料在固態(tài)與液態(tài)溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行加工，主要分為流變鑄造和觸變鑄造兩種工藝類型，因成本較高應(yīng)用較少。噴射成型技術(shù)采用高壓惰性氣體將金屬液流霧化成大量細(xì)小的液滴，并使其沿噴嘴軸線方向高速飛行，并將其沉淀收集到具有一定形狀的接收基體上凝固成沉積坯件。

2.液壓成型

上世紀(jì)70年代，國外一些汽車廠家就開始對(duì)液壓成型技術(shù)進(jìn)行研究，采用液壓成型技術(shù)用于生產(chǎn)汽車構(gòu)件，有的汽車制造商已經(jīng)建立了管材液壓成型車間，用于生產(chǎn)液壓成型零件。國內(nèi)汽車廠家也應(yīng)用液壓成型技術(shù)用到試制副車架，是一種典型的汽車零部件定型技術(shù)，在汽車零部件生產(chǎn)中得到推廣和應(yīng)用，約有50%左右的底盤裝配有液壓成型件。液壓成型是進(jìn)行汽車輕量化的重要技術(shù)，與傳統(tǒng)的沖壓焊接技術(shù)進(jìn)行比較來看，該技術(shù)可以減少11%的零部件生產(chǎn)成本，14%的設(shè)備使用成本，還可以降低7.3%的重量。該技術(shù)有著較高的成型精度，不會(huì)消耗太多的材料，可以減輕加工和焊接工作量，提高成型件的強(qiáng)度和剛度。汽車管件利用液壓成型技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)需要較高的壓力，設(shè)備成本比較高，使用之后不便于調(diào)整。為了降低零件生產(chǎn)成本，需要選用合適的管件材料，確定合理的工藝參數(shù)，防止在液壓成型時(shí)出現(xiàn)屈曲、破裂等質(zhì)量缺陷，從而更好地保證零件生產(chǎn)質(zhì)量。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，需要把經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)管件成型時(shí)應(yīng)力分布、壁厚變化、模具貼合狀態(tài)等進(jìn)行仿真，并對(duì)材質(zhì)、工藝參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

三、輕量化技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用前景

汽車工程的輕量化是汽車未來設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)，在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、節(jié)能降耗和節(jié)能減排等方面都有重要的應(yīng)用意義。中國的汽車輕量化技術(shù)還面臨著更多難題，與國外具有較大的差距。輕量化技術(shù)涉及多個(gè)領(lǐng)域，是由多學(xué)科交叉形成的綜合性體系，在目前的研發(fā)體系中還多為單科的研究，很少實(shí)現(xiàn)各學(xué)科間的交叉融合。輕量化技術(shù)的核心技術(shù)不可能由單科或科研機(jī)構(gòu)獨(dú)立完成，必須進(jìn)行多種學(xué)科的戰(zhàn)略性部署和融合研究，但是目前此類科研機(jī)構(gòu)還沒有建立，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合不緊密，缺乏明確的定位和分工，研究與開發(fā)方面的銜接不足，企業(yè)規(guī)模較小，科研開發(fā)能力弱，缺乏充足的研發(fā)人員。目前的趨勢(shì)是結(jié)合全國輕量化技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開展產(chǎn)學(xué)研一條龍，實(shí)現(xiàn)技術(shù)資源共享，積極推進(jìn)多學(xué)科間的合作交流，實(shí)現(xiàn)科研成果轉(zhuǎn)化，建立一定的檢測(cè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，建立起相關(guān)產(chǎn)業(yè)人才培訓(xùn)基地和科研機(jī)構(gòu)。

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