輕量化技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用研究

王維 青萍

摘要：當(dāng)前人們越來越重視汽車安全和環(huán)境保護，而將輕量化技術(shù)應(yīng)用到汽車工程中，可以起到減輕車重、節(jié)能降耗、保障安全的作用，因此汽車輕量化技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。本文重點對汽車工程中常用的輕量化技術(shù)進行了論述，主要包括開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化、使用輕質(zhì)材料、革新制造工藝、優(yōu)化連接技術(shù)等四個方面，展望未來汽車工程輕量化技術(shù)的發(fā)展前景，以期能進一步助力汽車工程輕量化技術(shù)更新?lián)Q代，促進車企高質(zhì)量發(fā)展。

關(guān)鍵詞：輕量化技術(shù)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；輕量化材料；汽車工程

DOI：10.12433/zgkjtz.20233604

汽車工業(yè)的發(fā)展，推動了汽車及相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)的進步，我國在“碳達峰”“碳中和”背景下，開展汽車輕量化技術(shù)研究，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能、減排、降耗的目的，還能大幅度提高汽車的安全性和使用經(jīng)濟性。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進步，高強度鋼、鎂合金、鋁合金、碳纖維材料等輕量化材料的大規(guī)模應(yīng)用，為汽車開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化、降本增效提供了可能，各大車企都在大力發(fā)展汽車輕量化技術(shù)，以便提高自家汽車產(chǎn)品的市場競爭力。

一、輕量化技術(shù)概述

（一）輕量化技術(shù)的概念

在現(xiàn)代汽車工業(yè)設(shè)計理念指導(dǎo)下，應(yīng)用高強度材料強化車身剛性和安全性能，優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，盡可能地減少汽車不必要的材料，降低汽車的整備質(zhì)量，提高燃油車的燃油經(jīng)濟性（新能源車的續(xù)航里程），降低污染和能量損耗。

目前，汽車輕量化技術(shù)主要包括四個方面：一是使用輕質(zhì)材料，如高強度鋼、鋁合金、鎂合金等；二是革新制造工藝，如采用熱沖壓成形工藝、一體化壓鑄工藝；三是進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如有限元分析、局部強化設(shè)計；四是優(yōu)化連接技術(shù)，如采取激光拼焊、鎖鉚與自鎖鉚技術(shù)等。由于汽車車身骨架及金屬件重量較重，目前對汽車的輕量化設(shè)計主要靠采用輕量化材料，從而降低整車自重。

（二）輕量化技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

車企對汽車輕量化技術(shù)十分重視，紛紛投入資金開展研發(fā)，比如，沃爾沃的籠式車身，使用了19%的輕量化鋁合金框架減重吸能，既減輕了車輛自重，還充分保證了駕乘人員的安全。由于我國的新能源汽車發(fā)展壯大，為了提高車輛的續(xù)航里程，一些汽車行業(yè)十分重視汽車輕量化技術(shù)，比如，比亞迪汽車的平臺輕量化和模塊化技術(shù)已經(jīng)成熟。

（三）應(yīng)用輕量化技術(shù)的意義

1.有助于提高汽車整體性能

通常，在汽車上應(yīng)用的輕量化材料具有質(zhì)量輕、性能好的特點，這樣會提高車輛零部件的耐磨程度和使用壽命，結(jié)合現(xiàn)代汽車先進的裝配工藝，能夠大幅度提升車輛的整體穩(wěn)定性。

2.有助于降低汽車各類成本

對于汽車行業(yè)而言，新車研發(fā)、車輛制造等會耗費其大量費用，通過增強車身結(jié)構(gòu)剛性，可以減少某些非關(guān)鍵材料，避免車輛生產(chǎn)過程中的材料浪費，從而幫助車企節(jié)約成本。對于用戶而言，車身自重更輕，所需的燃料（電量）更少，使車輛的行駛里程增加，從而使用車成本更低。

3.有助于減少生態(tài)環(huán)境污染

傳統(tǒng)汽車尾氣排放會對大氣造成污染，即使是現(xiàn)在的新能源汽車也會產(chǎn)生污染，只不過新能源汽車的能源結(jié)構(gòu)將污染端轉(zhuǎn)移了出去。隨著市場上的汽車保有量增加，為了降低汽車行駛對環(huán)境的污染程度，可以通過使用輕量化材料和技術(shù)減輕車輛自重，降低油耗，減少車輛尾氣排放量。

二、汽車工程輕量化技術(shù)的技術(shù)路徑

（一）結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)就是針對汽車原來的車輛結(jié)構(gòu)，利用計算機輔助工程（CAE）進行仿真設(shè)計，進一步優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)、車身尺寸、車身形狀等，在不降低車身剛性的情況下，提高車身結(jié)構(gòu)的承壓能力，保證車輛的行駛安全。

1.汽車拓撲設(shè)計優(yōu)化

在汽車工程輕量化技術(shù)研究中，汽車拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計是最重要的一環(huán)。因為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計都要在此基礎(chǔ)上展開，汽車企業(yè)在汽車設(shè)計時就會對其結(jié)構(gòu)進行多輪優(yōu)化，去除冗余的結(jié)構(gòu)，對車輛空間、零部件等進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而得到拓撲結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解。然后在此基礎(chǔ)上，調(diào)整車身的材料分布、結(jié)構(gòu)形狀和整體外形等，經(jīng)過模擬試驗后，設(shè)計出符合車輛行駛安全的車身結(jié)構(gòu)。所以在車身輕量化設(shè)計上，必須在開展拓撲設(shè)計時引入特定算法，精心設(shè)計汽車結(jié)構(gòu)，既要保證汽車的結(jié)構(gòu)安全，又要有效降低汽車覆蓋車身之后的風(fēng)阻，讓汽車發(fā)動機發(fā)揮出最大效能。比如，某汽車對控制臂進行拓撲設(shè)計優(yōu)化，優(yōu)化前的汽車前控制臂質(zhì)量約7.5kg，拓撲設(shè)計優(yōu)化后減重2kg。再如，某汽車對車輛前門進行拓撲設(shè)計優(yōu)化，將鋼制車門內(nèi)板換為多材料分塊式車門內(nèi)板，減重比例可達22.8%。

2.汽車外形優(yōu)化設(shè)計

在汽車拓撲設(shè)計優(yōu)化的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計汽車外形，可以進一步提高汽車的經(jīng)濟性（續(xù)航里程）。通常，汽車外形優(yōu)化設(shè)計需要考慮最終成形的產(chǎn)品外觀是否優(yōu)美，外觀漂亮的車身更容易引起消費者的購買欲。同時，還要考慮汽車整體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，通過應(yīng)用輕量化材料，或者應(yīng)用有限元法、參數(shù)形狀優(yōu)化法等對車身幾何結(jié)構(gòu)進行重組，減少低負荷部位的材料使用量，不僅能減輕車輛自重，還能讓汽車的車身整體均衡、協(xié)調(diào)、好看，降低行駛過程中的風(fēng)阻。

3.汽車布局優(yōu)化設(shè)計

汽車布局優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化汽車的整體結(jié)構(gòu)或局部結(jié)構(gòu)，強化汽車保留的重要結(jié)構(gòu)部位，從而保證車身的剛性。所以汽車布局優(yōu)化設(shè)計是要在整體框架下，優(yōu)化重組部分冗余結(jié)構(gòu)，強化主體框架結(jié)構(gòu)，比如，在汽車上取消車架，采用承載式車身，可以有效減輕汽車自重。再如，針對價格敏感的消費者，可以使用前置前驅(qū)布局的汽車，減少傳動系統(tǒng)部件和發(fā)動機的能量損耗，降低汽車自重。

4.汽車尺寸優(yōu)化設(shè)計

尺寸優(yōu)化是對汽車的板厚、梁截面等尺寸優(yōu)化，應(yīng)用輕量化材料，使應(yīng)力均勻分布，減少耗材使用量，降低汽車的整體車身重量。一般來說，使用線性彈性尺寸優(yōu)化方法可以優(yōu)化汽車零部件，應(yīng)用數(shù)值優(yōu)化算法則可以優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，保證車身的剛性、韌性和吸能性等。比如，對汽車保險杠進行薄壁化開發(fā)，傳統(tǒng)保險杠的壁厚約為3mm，重量約為4～5kg，使用改性PP材料后，保險桿壁厚為2.5mm乃至更薄，可以減重15%～20%，保險杠的重量將降低到3.2～4.25kg。

（二）應(yīng)用輕量化材料

不管采取哪種汽車輕量化技術(shù)，都必須與輕量化材料搭配，才能達到“1+1>2”的效果?，F(xiàn)階段，剛強度鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維復(fù)合材料等輕量化材料在汽車上應(yīng)用較為廣泛，這些輕量化材料不僅能提高車輛的整體性能，還能降低汽車的生產(chǎn)成本。

1.高強度鋼的應(yīng)用分析

國內(nèi)外對高強度鋼的定義和劃分標準并不統(tǒng)一，但是通常將屈服強度在210～550MPa的鋼材稱為剛強度鋼，在210MPa以下的鋼材稱為軟鋼，高于550MPa的鋼材被稱為超高強度鋼。與普通鋼材相比，高強度鋼具有價格便宜、吸能性好、結(jié)構(gòu)強度高等特點，將其運用到汽車的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中，可以大幅度提高汽車車身結(jié)構(gòu)的強度，如底板梁、頂蓋橫梁等地方通常會使用超高強度鋼。高強度鋼還具有韌性較好的特質(zhì)，容易沖壓成型，焊接和涂裝非常方便，可以利用汽車現(xiàn)有的生產(chǎn)線對其進行加工生產(chǎn)，不用增加額外的投資，高強度鋼通常會被用在車門板、頂蓋等地，用于提升車輛的剛性強度。

2.鋁合金的應(yīng)用分析

相比剛強度鋼，鋁合金在汽車上的應(yīng)用更廣泛。這是因為鋁合金的密度只有鋼的1/3，可以降低汽車的自重，而且鋁合金的吸能性是鋼的2倍，萬一發(fā)生碰撞，能夠很好地吸能，保證駕乘人員的安全，部分豪車甚至將全鋁車身作為自身的賣點之一，如奧迪A8、捷豹XJ等。同時，鋁合金的具有彈性好、耐腐蝕等特點，車輛報廢之后可以有效回收車身，回收利用率可以保持在90%以上。雖然在汽車上使用鋁合金，可以大幅度減輕車輛自重，提升車輛安全性，但是鋁合金的價格比鋼材價格高3倍，焊接工藝復(fù)雜，一旦發(fā)生碰撞就需要整體更換，從而使得車輛的整體用車成本增加。

3.鎂合金的應(yīng)用分析

鎂合金作為質(zhì)量最輕的金屬材料，其密度只有鋼的2/9，具有吸能性強、減震性好、安全性高等特點。20世紀30年代，這種材料被應(yīng)用到車輛上，在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件使用鎂合金，可以改善車輛的NVH性能。當(dāng)前，德國是全球鎂合金領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，汽車中常用的鎂合金零件超過100種，如變速箱殼、儀表盤等。不過，鎂合金材料并不非理想的輕量化材料。因為鎂合金的化學(xué)活性強，在生產(chǎn)加工過程中可能會出現(xiàn)燃燒或爆炸，存在一定的安全隱患。

4.鈦合金的應(yīng)用分析

鈦合金在汽車制造中可以用作曲軸連桿、底盤、剎車盤等部件，用以提高汽車剛性。雖然目前這種材料主要應(yīng)用于賽車，但隨著時代的發(fā)展，材料價格降低，在汽車領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

5.碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用分析

碳纖維復(fù)合材料融合碳纖維的穩(wěn)定性或樹脂材料的耐久性，將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到汽車上，可以降低車身的重量，提高車輛的耐磨性，故而復(fù)合材料主要應(yīng)用于擋泥板、遮陽板等地方。碳纖維復(fù)合材料的成本高、周期長、工藝繁，導(dǎo)致碳纖維的總體成本居高不下，但是隨著碳纖維復(fù)合材料成本下降和制造工藝改進，碳纖維復(fù)合材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

6.工程塑料的應(yīng)用分析

工程塑料，如PP、PVC、PA等，彈性好，成形十分容易，吸能及緩沖效果好，而且質(zhì)量非常輕，很多汽車企業(yè)將工程塑料應(yīng)用于車輛中，如翼子板、內(nèi)外飾件等。隨著模塊化技術(shù)和連接技術(shù)的進步，工程塑料在汽車行業(yè)將得到更多的應(yīng)用，比如，采取模塊化和集成化技術(shù)，工程塑料能夠作為局部框架或嵌件，減少零件使用量，提高裝配工作效率，可以在原金屬件的基礎(chǔ)上減重30%以上。

（三）革新制造工藝

隨著輕量化材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，在汽車生產(chǎn)上應(yīng)用熱沖壓成形、噴射成形、液壓成形等制造新工藝、新技術(shù)，進一步降低車輛自重，提升車輛的安全性。

1.熱沖壓成形工藝

熱沖壓成形工藝將熱沖壓成形用鋼加熱至奧氏體化，讓鋼材在這個溫度持續(xù)一段時間，然后快速轉(zhuǎn)移到熱沖壓模具中進行成形、淬火、修邊等。通過熱沖壓成形的鋼材，抗拉強度超過1500 MPa，將這種工藝用于生產(chǎn)汽車的防撞梁、加強板，可以減少焊接工序，有效增強車輛的可靠性和穩(wěn)定性。

2.噴射成形工藝

噴射成形工藝主要用在各種合金材料成形上，噴射成形既能減少制造工藝，又能提升成形材料的質(zhì)量，還可以提高汽車企業(yè)的生產(chǎn)效率。噴射成形工藝，需要用高壓惰性氣體將合金液流霧化成細小熔滴，在高速氣流下飛行并冷卻，在尚未完全凝固前沉積成坯件。噴射成形工藝一般用于汽車發(fā)動機缸體、傳動系統(tǒng)零部件等制造。

3.一體化壓鑄

一體化壓鑄采用大噸位壓鑄機將多個零部件一次壓鑄成型。這種新工藝，不需要復(fù)雜的焊接（連接）工藝，將地板、縱梁等壓鑄成型，可以節(jié)約焊點（縫），降低成本費用，減輕車身重量。

（四）優(yōu)化連接技術(shù)

隨著輕量化材料和技術(shù)的應(yīng)用，汽車企業(yè)將各種材料緊密結(jié)合是一項重大挑戰(zhàn)。例如，焊點技術(shù)無法將金屬材料、合金材料、非金屬材料、復(fù)合材料連接起來，這就必須采用新的連接方式，保證汽車車身、框架結(jié)構(gòu)等緊密相連。在汽車生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會用到各種連接技術(shù)，主要由熱連接技術(shù)（如MIG焊、激光焊等）和冷連接技術(shù)（包括沖鉚連接、卷邊連接等）組成，采用新的連接技術(shù)，不僅可以將各種材料緊密相連，還能減少焊點或零部件的使用量，提升汽車的整體性能。但是很多連接技術(shù)還要不斷優(yōu)化，才能將各種材料結(jié)合，如塑料與金屬之間的黏連，很可能由于溫差而生產(chǎn)應(yīng)力和應(yīng)變，這就要求膠黏劑一定要能契合塑料和金屬的特性，不能因熱脹冷縮造成金屬與塑料脫落。

三、 結(jié)語

汽車工程輕量化技術(shù)不是對某項技術(shù)或材料的簡單拼接，而是綜合運用輕量化材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局、成形工藝、連接方法等，明確劃分車輛的各部件材料，在保證車輛安全的前提下，降低車身自重，增強車輛的操作性能，提升車輛的經(jīng)濟性。在節(jié)能環(huán)保理念的支持下，當(dāng)前的新能源汽車對輕量化材料和技術(shù)的應(yīng)用更為廣泛，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，新能源汽車行業(yè)將迎來黃金發(fā)展期。

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