輕量化技術(shù)和材料在汽車工程中的應(yīng)用

趙顯蒙，李長青，張慶霞，劉坤，孫淑偉

（中國人民解放軍 32178部隊，北京 100012）

0 引言

汽車輕量化是在保證汽車安全性能前提下，降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。尤其是“碳達峰”和“碳中和”被提出后，對汽車節(jié)能減排的需求更為迫切。對于燃油車，汽車質(zhì)量每減少10%，汽車燃油效率將會增加6%～8%[1]；而新能源汽車每減重10%，續(xù)航里程可提升5%～6%，由此可見，無論是在提高汽車性能，還是在實現(xiàn)汽車節(jié)能、降耗、增加續(xù)航里程方面，輕量化都是汽車的重要技術(shù)路徑之一。

輕量化技術(shù)涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算仿真、材料技術(shù)、制造工藝、連接技術(shù)及試驗評價等多方面內(nèi)容[2]，結(jié)構(gòu)質(zhì)量的降低是多因素協(xié)同作用的結(jié)果，超高強鋼、鋁合金、鎂合金和碳纖維復(fù)合材料等輕量化材料的使用是關(guān)鍵因素。本文從設(shè)計、材料、工藝3個角度對輕量化技術(shù)進行介紹，并著重對主要輕量化材料的性能特點及應(yīng)用現(xiàn)狀進行總結(jié)。

1 結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)路徑

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)是指在原經(jīng)驗設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）的方法，對材料的承載狀態(tài)、工藝特性進行仿真，進一步指導(dǎo)對原結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，主要包括拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化等。引入CAE仿真方法，對零部件及整車進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可明顯提高車輛的輕量化設(shè)計水平。

整車開發(fā)流程中一般會對初始設(shè)計進行多輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。拓撲優(yōu)化是在零部件概念設(shè)計階段，基于零部件的主要載荷狀態(tài)，使材料在設(shè)計空間內(nèi)進行優(yōu)化分布，以獲得最優(yōu)的拓撲結(jié)構(gòu)。尺寸優(yōu)化及形狀優(yōu)化是在拓撲優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進一步調(diào)整局部的材料分布、形狀、形貌等詳細設(shè)計，以獲得最終的結(jié)構(gòu)方案。各種結(jié)構(gòu)優(yōu)化原理如圖1所示[3]。

圖1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)已在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中有了較多應(yīng)用。莊海濤等[4]對某車型轉(zhuǎn)向節(jié)進行了優(yōu)化設(shè)計，轉(zhuǎn)向節(jié)的材質(zhì)為40Cr，質(zhì)量為4.29 kg，優(yōu)化后質(zhì)量為3.9 kg，減重0.39 kg，減重比例為9%。王振東等[5]對某乘用車后下控制臂進行了拓撲優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化前控制臂質(zhì)量為7.5 kg，拓撲優(yōu)化后控制臂質(zhì)量為5.5 kg，減重2 kg，減重比例為26.6%。干年妃等[6]基于北京現(xiàn)代索納塔前車門，將單一鋼制車門內(nèi)板重新設(shè)計為多材料分塊式車門內(nèi)板，并進行了拓撲優(yōu)化，原車門內(nèi)板質(zhì)量為6.171 kg，優(yōu)化后質(zhì)量為4.761 kg，減重1.41 kg，減重比例為22.8 %。馬芳武等[7]針對汽車某車型后副車架，通過多目標優(yōu)化方法，并將副車架縱梁材質(zhì)由低碳鋼S550MC變更為鋁合金6061，使副車架總成的質(zhì)量由16.6 kg降低至14.19 kg，減重2.41 kg，減重比例為14.5%。陳瀟凱等[8]通過將控制臂由原鋼材均質(zhì)結(jié)構(gòu)變更為殼/多材料填充結(jié)構(gòu)，如圖2所示，原鋼制控制臂主體部分質(zhì)量為2.19 kg，殼/多材料控制臂主體部分為1.9 kg，減重0.29 kg，比鋼制結(jié)構(gòu)減重13.2%。

圖2 控制臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程

在汽車零部件設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的同時，一般會結(jié)合輕量化材料的合理使用，可以獲得更好的減重效果。

1.2 輕量化結(jié)構(gòu)材料

目前，汽車輕量化材料主要包括超高強度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料、碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP）等，典型材料的強度對比如表1所示[9-17]。在汽車車身結(jié)構(gòu)中，使用最多的仍然是鋼材和鋁材，但鎂合金和復(fù)合材料的用量在逐步增加，車身由鋼鋁混合車身向多材料混合車身發(fā)展。

表1 典型材料的密度、抗拉強度和比強度

輕量化材料在汽車零部件中的應(yīng)用已有較多的研究，技術(shù)路線以“以鋁代鋼”和“以塑代鋼”為主線，劉陽等[18]對比了塑料和鋼制前翼子板的質(zhì)量，鋼制翼子板材質(zhì)為DC04，塑料翼子板采用PP+EPDM，通過結(jié)構(gòu)集成設(shè)計，塑料翼子板可減重48.5%，同時可以明顯減少零部件數(shù)量，如表2所示。楊菲菲等[19]分析了某純電動SUV復(fù)合材料后背門總成的輕量化情況，后背門總成主要包括內(nèi)板、下外板及上擾流板，內(nèi)板材質(zhì)為PP+GF40，下外板及上擾流板材質(zhì)為PP+EPDM，內(nèi)板、下外板及上擾流板之間用A/B結(jié)構(gòu)膠進行粘合。鋼制材料約為29.1 kg，復(fù)合材料約為20.9 kg，實際減重8.2 kg，減重比例達28%。郭迎福等[20]對純電動汽車電池包外殼進行了多材料優(yōu)化設(shè)計，其中低碳鋼、低碳鋼-鋁合金混合、碳纖維3種材質(zhì)的減重情況如表3所示。鋼鋁混合設(shè)計可以實現(xiàn)減重42%，碳纖維可以實現(xiàn)減重71%。

表2 不同材質(zhì)前翼子板減重情況

表3 不同材質(zhì)電池包外殼減重情況

在汽車設(shè)計及制造中，從成本、工藝成熟度、性價比等角度考慮，鋼鐵材料仍會在一段時間內(nèi)占據(jù)車身用材料的很大比例，從表1中也可以看出，先進高強度鋼的比強度已不低于甚至高于某些鋁合金和鎂合金。汽車的許多零部件都開始采用高強度鋼進行制造，例如翼子板、地板、頂蓋等位置；在B柱、門檻梁、頂蓋橫梁等重要安全件，部分安全件已開始采用超高強度鋼或熱成形鋼。

1.3 輕量化工藝技術(shù)

汽車輕量化相關(guān)的工藝技術(shù)主要有熱沖壓成形、激光焊接、液壓成形、結(jié)構(gòu)膠粘接等，熱成形和液壓成形零部件應(yīng)用較為廣泛。在汽車制造中，熱沖壓成形工藝主要用于鋼鐵材料的加工，Mn-B系鋼應(yīng)用最為廣泛[21]，如22MnB5[11]、38MnB5[22-23]等；液壓成形主要應(yīng)用于管類零件的生產(chǎn)加工。

熱沖壓成形工藝是將熱沖壓成形用鋼加熱至奧氏體化，在奧氏體溫度區(qū)間保溫一段時間后，快速轉(zhuǎn)移至熱沖壓模具中進行成形和淬火，工藝過程如圖3所示[24]。最終零件組織一般為完全的馬氏體組織，抗拉強度可達到1500 MPa甚至更高。熱沖壓成形工藝結(jié)合了沖壓和熱處理過程，奧氏體組織塑性好、變形抗力小，在零件成形后奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使零部件回彈小、強度高。目前，熱成形件主要應(yīng)用在汽車安全件上，如車門防撞梁、B柱加強板、地板縱梁、門檻梁等零部件[25]。汽車車身典型熱沖壓零件如圖4所示[26]。

圖3 熱沖壓成形工藝過程及組織演變

圖4 汽車車身典型熱沖壓零件

液壓成形通過對管形件內(nèi)腔施加液壓力，使其在模具型腔內(nèi)發(fā)生塑性變形，從而得到所需形狀，其工藝過程如圖5所示。與沖壓成形零部件相比，液壓成形件可以直接得到具有封閉內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的零部件，減少了焊接工序，可以達到減少零部件數(shù)量的效果，同時能提高零件強度和剛度，輕量化效果明顯。崔禮春等[27]將管件液壓成形技術(shù)應(yīng)用于某車型扭力梁后懸架和副車架，減重效果如表4所示，分別實現(xiàn)減重25%和31%，同時明顯減少焊縫長度，提高了生產(chǎn)效率和可靠性。液壓成形零部件主要應(yīng)用于前后懸架、副車架、門檻梁、防撞梁等零部件。汽車結(jié)構(gòu)中典型的液壓零件如圖6所示[26]。

圖5 管件液壓成形工藝過程

表4 扭力梁和副車架不同結(jié)構(gòu)減重情況

圖6 汽車結(jié)構(gòu)中典型液壓成形零件

2 主要輕量化結(jié)構(gòu)材料

2.1 高強度鋼

根據(jù)汽車用鋼的強度分類，把屈服強度為210～550 MPa、抗拉強度為270～700 MPa的鋼稱為高強鋼，把屈服強度大于550 MPa、抗拉強度大于700 MPa的鋼稱為超高強鋼[28]。

鋼的強度和塑性之間的關(guān)系一般是相互矛盾的，強度的升高一般會降低塑性和韌性。傳統(tǒng)高強鋼的強度難以超過600 MPa，如碳錳鋼（C-Mn Steel）、低合金高強度鋼（High Strength Low Alloy Steel，HSLA）、各向同性鋼（Isotropic Steel，IS）、烘烤硬化鋼（Bake Hardening Steel，BH）、高強IF 鋼（High Strength Interstitial Free Steel，HSSIF）等。通過適當(dāng)?shù)墓に嚳刂其摰奈⒂^組織以得到高強度、高塑性的先進高強鋼是現(xiàn)代高強鋼的發(fā)展趨勢之一。先進高強度鋼一般為多相組織，如雙相鋼（Dual Phase Steel，DP）組織為鐵素體+馬氏體或鐵素體+貝氏體，相變誘發(fā)塑性鋼（Transformation Induced Plasticity Steel，TRIP）組織為鐵素體+貝氏體+殘余奧氏體，淬火-配分鋼（Quenching & Partitioning，QP）組織為馬氏體+奧氏體。主要汽車用鋼抗拉強度與伸長率的大致關(guān)系如圖7所示。不同高強鋼的用途不同。烘烤硬化鋼適合沖壓汽車的外覆蓋件，具有沖壓成形前較軟、形狀穩(wěn)定性好和烘烤后抗凹陷性能較高等特點。雙相鋼和相變誘導(dǎo)塑性鋼適合沖壓結(jié)構(gòu)件和安全件等，具有高強度、高碰撞吸收能和高抗疲勞性能等特點。

圖7 主要汽車用鋼抗拉強度與伸長率的關(guān)系

2.2 鋁合金

鋁合金的密度約為鋼的1/3，且具有高比強度和優(yōu)秀的防腐性能，在車輛結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用逐漸增多。汽車制造中使用的鋁合金主要有鑄造鋁合金和變形鋁合金。鑄造鋁合金是將加熱至液態(tài)的鋁水注入鑄造模具中冷卻，然后加工成汽車零部件。鋁合金鑄件質(zhì)量穩(wěn)定且易于大批量生產(chǎn)，已被車企廣泛使用在輪轂、發(fā)動機缸體、變速器殼體、懸架擺臂、發(fā)動機懸置等零部件。在車輛中常用的變形鋁合金主要有軋制和擠壓鋁合金，軋制鋁合金主要為5系合金[29]，多為板材，主要用于汽車覆蓋件沖壓成形等。擠壓鋁合金主要為6系和7系合金，多為型材，主要用于車身骨架。我國鋁合金牌號及其對應(yīng)的合金系如表5所示[30]。

表5 我國鋁合金牌號和對應(yīng)的合金系

2.3 鎂合金

鎂合金密度約為鋼的2/9、鋁的2/3，輕量化效果顯著。鎂合金在室溫是密排六方結(jié)構(gòu)，滑移系少，塑性變形能力較差，汽車上應(yīng)用的鎂合金主要是鑄造鎂合金。鎂合金按照體系主要分為Mg-Zn、Mg-Al和Mg-RE系合金，鎂合金的生產(chǎn)加工成本過高與技術(shù)水平的差距是鎂合金所面臨的一大難題，但各項研究進展較快，在汽車上的應(yīng)用逐步增多，主要有儀表板管梁、變速器殼體、座椅骨架等。汽車上應(yīng)用鎂合金零部件的主要位置及減重效果如圖8所示[31]，可以看出，與鋼材對比，鎂合金減重比例為28%～70%，與鋁合金對比，鎂合金減重比例為22%～42%，減重效果明顯。

圖8 鎂合金在汽車零部件上應(yīng)用

2.4 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維是一種具有高強度、高模量、無蠕變、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞及熱膨脹系數(shù)小的新型纖維材料，其含碳量在95%以上。碳纖維復(fù)合材料是指以碳纖維為增強相、以樹脂、金屬及陶瓷等為基體的復(fù)合材料的總稱。汽車用碳纖維復(fù)合材料主要為樹脂基碳纖維增強復(fù)合材料，與鋼鐵材料相比，能夠減輕40%～60%的質(zhì)量；與鋁合金材料相比，能夠減輕25%～30%的質(zhì)量，是汽車輕量化進程中不可或缺的重要材料[17]，主要應(yīng)用的零部件有車頂橫梁、引擎蓋、翼子板、保險杠、車頂蓋等。國內(nèi)外部分碳纖維零部件如圖9所示[3]。目前，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用還存在諸多限制因素，如成本較高、工藝復(fù)雜、難回收等，制約了其大規(guī)模應(yīng)用。隨著技術(shù)的進步及成本的降低，未來必將在汽車上得到越來越多的應(yīng)用。

圖9 國內(nèi)外典型碳纖維零部件

3 結(jié)語

汽車輕量化技術(shù)涉及結(jié)構(gòu)、材料、制造等多個環(huán)節(jié)。在汽車開發(fā)過程中，結(jié)構(gòu)和制造工藝的優(yōu)化已日趨成熟，進一步優(yōu)化需大幅提升技術(shù)和工藝，導(dǎo)致成本的增加和研發(fā)周期的延長；新材料的應(yīng)用成為汽車輕量化的有效技術(shù)路線，汽車整車廠、零部件廠及相關(guān)材料生產(chǎn)企業(yè)加大了研發(fā)和推廣的力度。