汽車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)措施分析

賈朝貝

摘 要：汽車工業(yè)要發(fā)展，在目前必須要滿足環(huán)保要求，汽車輕量化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，但輕量化設(shè)計(jì)不是單純減重，而是要保證安全性能的前提下去減重，因而如何進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)值得探索，本文中重點(diǎn)對(duì)此進(jìn)行了分析討論，探析了目前市面上主流的輕量化設(shè)計(jì)方法措施，僅供參考。

關(guān)鍵詞：汽車 輕量化設(shè)計(jì) 方法措施

Analysis of Lightweight Design Measures for Automobile Structure

Jia Chaobei

Abstract：The development of the automobile industry must meet the requirements of environmental protection at present. The lightweight design of automobiles can achieve energy saving and emission reduction. However， lightweight design is not simply to reduce weight， but to reduce weight on the premise of ensuring safety performance. Quantitative design is worth exploring. This article focuses on analysis and discussion， and explores the current mainstream lightweight design methods and measures on the market for reference.

Key words：automobile， lightweight design， methods and measures

輕量化在當(dāng)前汽車設(shè)計(jì)制造產(chǎn)業(yè)當(dāng)中是一個(gè)比較主流的方向，與新能源車具有相當(dāng)?shù)牡匚唬趥鹘y(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展陷入瓶頸，新能源汽車受限于電池的情況下，輕量化成為了一種非常關(guān)鍵的解決手段，通過輕量化來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。但汽車輕量化，不是單純減輕汽車的重量，而是在減輕重量的同時(shí)提升性能，因此分析討論如何去進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，具有非常典型的價(jià)值意義。

1 輕量化設(shè)計(jì)概述

1.1 輕量化產(chǎn)生背景

輕量化設(shè)計(jì)是目前國內(nèi)外汽車設(shè)計(jì)制造技術(shù)中的主要發(fā)展方向之一，與環(huán)保和安全具有同等地位，隨著人們環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，汽車工業(yè)要發(fā)展，必須要走可持續(xù)發(fā)展道路，而可持續(xù)發(fā)展顯然必須要實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源、減少消耗，對(duì)于汽車工業(yè)而言，要達(dá)到相關(guān)要求，已經(jīng)得到公認(rèn)的路徑包括提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、新能源和輕量化。汽車的節(jié)能環(huán)保通常情況下是降低油耗或提高燃油效率，降低或者清潔排放尾氣。在提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率方面，由于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)不管是柴油機(jī)還是汽油機(jī)，實(shí)際上都已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)相當(dāng)高的水準(zhǔn)，現(xiàn)階段主要是通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行微量調(diào)整并利用汽車電子技術(shù)來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，但效果并不是很理想，僅僅只能說達(dá)標(biāo)。而新能源汽車在環(huán)保上的效果最佳，但是問題在于由于電池的限制，新能源車的發(fā)展還需要走很長的一段路，而輕量化技術(shù)，在保證汽車安全性的基礎(chǔ)上去降低汽車的自重來實(shí)現(xiàn)能耗的下降，它可以作為提高發(fā)動(dòng)機(jī)能效，甚至是新能源車能效的一種基礎(chǔ)技術(shù)手段，在當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、新能源車技術(shù)尚未出現(xiàn)巨大突破之前，輕量化將是節(jié)能減排的主流技術(shù)手段。

1.2 輕量化設(shè)計(jì)要求

相關(guān)研究指出汽車自重每降低10%，將降低燃油消耗6～8%，降低排放5～6%。輕量化技術(shù)并不是單純降低汽車自重，它必須要以汽車安全性為前提去減重。目前在輕量化設(shè)計(jì)中，要求，必須確保汽車整體結(jié)構(gòu)的安全性達(dá)到相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，并且要求汽車結(jié)構(gòu)的使用性能要達(dá)到甚至超過傳統(tǒng)鋼材質(zhì)汽車的性能。

一直以來，汽車設(shè)計(jì)當(dāng)中輕量化和安全性都是一個(gè)矛盾體，有很多人認(rèn)為，輕量化結(jié)構(gòu)將降低安全性，而為了保證安全性，就必須要加強(qiáng)汽車結(jié)構(gòu)的抗彎、抗扭、抗側(cè)翻、碰撞吸能等特性，而這些將增加汽車自重。但實(shí)際上輕量化并不是單純降低自重，它必須保證安全性，汽車減重但整體性能不能受到影響，車身強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等結(jié)構(gòu)特性必須要滿足相關(guān)要求，所以輕量化設(shè)計(jì)是一門綜合性的學(xué)科，在實(shí)踐中必須要充分考慮材料、結(jié)構(gòu)力學(xué)、生產(chǎn)工藝、人體工程學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容。

2 輕量化設(shè)計(jì)方法

目前在汽車輕量化設(shè)計(jì)中，已經(jīng)形成了三個(gè)相互獨(dú)立又相互影響的輕量化技術(shù)，即輕量化材料應(yīng)用、輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)工藝改進(jìn)。

2.1 材料輕量化

輕量化材料是目前輕量化設(shè)計(jì)中的主流方式，一般所用的材料都是非常輕量化的材料，比如碳纖維復(fù)合材料，典型代表如邁凱倫P1，鋁合金如凱迪拉克CT6，全鋁車身如奧迪R8、第四代攬勝等。

由于汽車結(jié)構(gòu)上不同的部位對(duì)材料強(qiáng)度、剛度要求是不一樣的，因此可以根據(jù)實(shí)際的需求用輕量化材料來制造部件，達(dá)到性能要求，而輕量化材料自重輕，但性能很強(qiáng)可以替代原本所用的材料，用來降低自重。目前比較常用的輕量化材料包括高強(qiáng)度鋼、復(fù)合材料、鋁合金等，以高強(qiáng)度鋼來論，其本身擁有非常高的強(qiáng)度等級(jí)，在設(shè)計(jì)部件中可以降低板件厚度來降低重量，但是卻可以保證具有足夠高的性能，但其不是輕量化材料最優(yōu)化的選擇，但是因?yàn)槠鋸?qiáng)度高，可以設(shè)計(jì)成薄壁中空件，用在中通道、地板、A/B柱等關(guān)鍵區(qū)域。鋁合金這種輕量化材料在汽車上用量非常高，已經(jīng)成為汽車車身的主材，它是非常理想的輕量化材料。復(fù)合材料則主要是碳纖維復(fù)合材料，這種材料也是非常理想的輕量化材料，但是由于其成本高昂，通常會(huì)用在專用汽車上，比如超跑。

2.2 結(jié)構(gòu)輕量化

輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是采用綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，通過對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來減重，現(xiàn)階段主要采取數(shù)字三維設(shè)計(jì)方法，通過建立模型、利用有限元分析、碰撞測(cè)試等方法調(diào)整結(jié)構(gòu)，用最少的材料實(shí)現(xiàn)最理想的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低汽車自重又不影響汽車安全性。

目前絕大多數(shù)車企都在采用車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，因?yàn)樗梢杂蒙倭康某杀緦?shí)現(xiàn)比較理想的效果，一般在設(shè)計(jì)中會(huì)利用到CAD等三維數(shù)字設(shè)計(jì)軟件，對(duì)汽車的結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在軟件上進(jìn)行碰撞測(cè)試，從整車的角度去分析車的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而明確零部件的安裝位置以及材料，在輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成以后，通過軟件測(cè)試分析整車的性能指標(biāo)，保證輕量化后，整車性能滿足要求。例如奧迪RB的ASF車身結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)利用鋁材，通過先進(jìn)的制造工藝將鋁材擠壓為型材，制造成各種截面的部件，然后按照骨架+蒙皮的方式來進(jìn)行組合，形成一體式的鋁制蒙皮結(jié)構(gòu)，鋁型材骨架勾勒出車身的線條。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要比一體化鋼制車體輕40%左右，而且剛度提升40%左右。國內(nèi)湖南晟通集團(tuán)汽車工程研究院，則將板梁和型材進(jìn)行結(jié)合，打造出全鋁車身的12m公交車，強(qiáng)度與鋼制車相當(dāng)，但車身自重降低了50%，整備質(zhì)量降低30%，滿載質(zhì)量降低20%，在國內(nèi)是比較先進(jìn)的水平。

2.3 生產(chǎn)制造工藝優(yōu)化

生產(chǎn)工藝的改進(jìn)方面，主要是為了滿足輕量化材料制造、輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造的需求。輕量化材料要制作成汽車需要的部件，傳統(tǒng)的沖壓工藝是無法滿足要求的，采用傳統(tǒng)的方法會(huì)造成回彈大，如此在針對(duì)輕量化材料制造時(shí)，必須要采用合理科學(xué)的制造工藝，例如差厚板工藝，熱沖壓成型技術(shù)等，例如差厚板工藝，這種工藝技術(shù)使汽車零部件在受力、結(jié)構(gòu)上優(yōu)于傳統(tǒng)等厚板材，但材料用量降低而自重降低。同時(shí)對(duì)于裝配，目前采用的工藝主要是激光焊接和結(jié)構(gòu)膠粘接，激光焊接可以焊接很多焊材，甚至可以焊接各種異質(zhì)焊材，對(duì)于運(yùn)用了多種輕量化材料的汽車的裝配具有很重要的作用，結(jié)構(gòu)膠粘接，則是更強(qiáng)大的一種裝配工藝，在航空領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

3 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

事實(shí)上汽車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)中，上述三類輕量化技術(shù)是相輔相成的，生產(chǎn)制造工藝作為基礎(chǔ)手段為輕量化設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)提供可能，而輕量化材料則為結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供了更重要的材料基礎(chǔ)，再通過綜合優(yōu)化，促使結(jié)構(gòu)在大量替換了輕量化材料的情況下依然可以保持理想的性能，甚至可能出現(xiàn)超越。

在汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)是目前最關(guān)鍵的手段，在CAD、CAE技術(shù)的支持下，汽車結(jié)構(gòu)布局、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)件形狀、配置、板厚等可在軟件上進(jìn)行直接的計(jì)算和分析，尋求通過零部件的壁厚減薄，數(shù)量精簡(jiǎn)，材料替換等方式，實(shí)現(xiàn)合理化的設(shè)計(jì)，例如吉利汽車中FE車型散熱器上橫梁總成，原本是獨(dú)立的，集成了二道開啟機(jī)構(gòu)，并單獨(dú)設(shè)立了散熱器格柵支架，經(jīng)過優(yōu)化將格柵支架與散熱器上橫梁總成結(jié)合，去掉了格柵支架，在保證安全的前提下減重達(dá)到2.2kg。

在結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中，主要針對(duì)布局、尺寸、形狀、拓?fù)渌膫€(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，布局方面主要考慮整車最佳布局形式，前置前驅(qū)可以降低很多傳動(dòng)系統(tǒng)的部件，承載式車身可以取消車架。尺寸方面一般按照質(zhì)量和強(qiáng)度等要求，對(duì)部件板厚、梁截面、截面慣性矩等尺寸進(jìn)行優(yōu)化，使應(yīng)力分布均勻，尺寸優(yōu)化重點(diǎn)以調(diào)整零部件的形狀尺寸為關(guān)鍵點(diǎn)，只要滿足各種工況下部件剛度、震動(dòng)、強(qiáng)度等要求即可，當(dāng)然在不考慮成本的情況下，直接上輕量化材料替換掉車身結(jié)構(gòu)上的絕大部分部件，更能夠減重。比如除開A/B柱、地板等關(guān)鍵部位用高強(qiáng)度鋼外，可直接使用鋁合金件。形狀方面主要是通過調(diào)整結(jié)構(gòu)部件外形使部件受力更加均勻，使材料發(fā)揮出更大的潛力，差厚板就是典型的通過外形優(yōu)化而得到的輕量化部件，在設(shè)計(jì)中一般采取有限元分析方法，尋找部件的應(yīng)力集中點(diǎn)，探尋應(yīng)力高峰，進(jìn)而逐步調(diào)整形狀，迫使應(yīng)力分布盡可能均勻，差厚板就是將應(yīng)力集中的部分增厚，而應(yīng)力分散且弱的部分則減薄。拓?fù)浞矫嬷饕菍?duì)空間材料分布進(jìn)行分析，基于拓?fù)渌惴ㄗ詣?dòng)計(jì)算動(dòng)力傳遞路徑，進(jìn)而找出可以節(jié)省材料的區(qū)域，促使材料在空間當(dāng)中實(shí)現(xiàn)最佳的分布。

4 結(jié)束語

綜上所述，汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)是當(dāng)前汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必然采取的技術(shù)方法，通過輕量化設(shè)計(jì)，降低汽車自重，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和新能源車技術(shù)尚未出現(xiàn)巨大突破的情況下，必然主導(dǎo)汽車設(shè)計(jì)，在本文當(dāng)中提煉了目前汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的方法與具體的措施，希望可以為汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些理論參考。

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