汽車(chē)輕量化技術(shù)方法研究

陸玉凱　熊樹(shù)生　周沁悠　李錦程　宋和平

摘 要：汽車(chē)輕量化研究是當(dāng)今汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的重要領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)整車(chē)降本節(jié)能降耗的重要的手段。結(jié)合汽車(chē)輕量化技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，本文從輕量化的結(jié)構(gòu)、材料和制造工藝等方面進(jìn)行了研究和介紹，并提供了一些典型案例，旨在給汽車(chē)行業(yè)內(nèi)研究整車(chē)輕量化提供一定的參考意義，并推動(dòng)行業(yè)輕量化技術(shù)、降本減重等技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：輕量化 降本減重 輕量化制造工藝優(yōu)化

1 引言

隨著汽車(chē)工業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，汽車(chē)已經(jīng)越來(lái)越多的成為了日常生活必需品[1]，據(jù)初步估算統(tǒng)計(jì)，全球燃油汽車(chē)已超過(guò)12億輛，相應(yīng)的，燃油汽車(chē)也成為當(dāng)今世界能源消耗和污染物排放的主要來(lái)源。各發(fā)達(dá)國(guó)家均制訂了嚴(yán)格的法規(guī)來(lái)限制汽車(chē)燃油消耗和溫室氣體的排放，中國(guó)也發(fā)布了《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》和《乘用車(chē)企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車(chē)積分并行管理辦法》 等來(lái)進(jìn)行約束和指導(dǎo)。

在燃油費(fèi)用高企的時(shí)代，燃油車(chē)的百公里油耗已經(jīng)成為消費(fèi)者購(gòu)車(chē)考慮的一個(gè)重要因素，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，以燃油車(chē)為例，整車(chē)重量每減輕10kg，燃油車(chē)油耗百公里可節(jié)省燃油0.03～0.05L（電動(dòng)汽車(chē)可節(jié)省約0.052kWh）。整車(chē)重量的降低，不僅可以降低油耗，而且對(duì)于車(chē)企來(lái)說(shuō)，還可以實(shí)現(xiàn)一定程度的降本，減輕企業(yè)造車(chē)成本壓力。

汽車(chē)輕量化不僅要保證燃油經(jīng)濟(jì)性，還要兼顧汽車(chē)安全性[2]。

所謂汽車(chē)輕量化，其實(shí)就是在滿(mǎn)足汽車(chē)安全和法規(guī)要求的前提下，同時(shí)考慮整車(chē)安全和整車(chē)動(dòng)力性等因素，降低整車(chē)重量，實(shí)現(xiàn)整車(chē)降本、節(jié)能、減排的目標(biāo)。想要達(dá)成整車(chē)輕量化的目標(biāo)，本文主要從以下三個(gè)方面來(lái)闡述：

（1） 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真軟件建立數(shù)據(jù)模型，針對(duì)CAE、NVH等性能進(jìn)行數(shù)據(jù)校核，在滿(mǎn)足屬性要求的前提下不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

（2）輕量化材料的使用。通過(guò)應(yīng)用高強(qiáng)度或超高強(qiáng)度鋼、碳纖維、鋁合金、鎂合金等材料，制造整車(chē)零部件或車(chē)身鈑金結(jié)構(gòu)，以便達(dá)到整車(chē)重量減輕的目的；

（3）先進(jìn)的輕量化制造工藝。例如激光焊接、熱成形等工藝。

2 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即符合要求強(qiáng)度的最優(yōu)結(jié)構(gòu)以及材料使用的最小化，其優(yōu)點(diǎn)在于最大化活用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)概念，使開(kāi)發(fā)時(shí)間及成本增加最少，常采用拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等方法。

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是在給定負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)的情況下，在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法[3]。

拓?fù)鋬?yōu)化的基本流程如下：

（1） 定義設(shè)計(jì)空間；

（2） 定義有限元模型；

（3） 定義優(yōu)化三要素（如目標(biāo)、響應(yīng)及約束條件等）；

（4）拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果；

（5）解讀并驗(yàn)證拓?fù)鋬?yōu)化方案；

（6）鎖定最終拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

拓?fù)鋬?yōu)化的最大優(yōu)點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)還沒(méi)設(shè)計(jì)出來(lái)之前，僅應(yīng)用一定的約束和載荷的條件，便能尋求一種結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化分配方案，得到結(jié)構(gòu)的一部分參數(shù)，為該結(jié)構(gòu)的后續(xù)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)[4]。

2.2 形狀優(yōu)化

用CAE軟件進(jìn)行分析，在滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度、碰撞安全性[5]、疲勞耐久等多方面條件要求的前提下，通過(guò)精簡(jiǎn)相關(guān)冗余結(jié)構(gòu)，優(yōu)化對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)零部件結(jié)構(gòu)和形狀的最優(yōu)化。

以某車(chē)型車(chē)身支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化為例，通過(guò)優(yōu)化支架及焊點(diǎn)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)整車(chē)質(zhì)量降低0.03kg，整車(chē)成本降低0.2元，如圖2所示。

2.3 尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是行業(yè)內(nèi)使用廣泛，也相對(duì)成熟的一種輕量化技術(shù)，為了滿(mǎn)足不同情況下的吸能、振動(dòng)、剛度、強(qiáng)度等為限定約束條件，以整車(chē)零件的尺寸當(dāng)作設(shè)計(jì)參數(shù)變量，創(chuàng)建以結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小作為目標(biāo)函數(shù)模型，得出最優(yōu)的尺寸和料厚參數(shù)。圖3為某車(chē)型A柱腔體截面優(yōu)化案例，在滿(mǎn)足安全及耐久等性能的前提下，A柱內(nèi)板Y向?qū)挾扔?7mm減小為49mm，實(shí)現(xiàn)車(chē)身結(jié)構(gòu)減重0.89kg，降本0.97元。

3 輕量化材料發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

除了優(yōu)化和調(diào)整相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，輕量化技術(shù)研究的另一個(gè)重要方面是輕量化材料。輕量化的零件材料主要分為如下兩個(gè)方向：

（1）高強(qiáng)度材料。一般指高強(qiáng)度鋼；

（2）輕質(zhì)材料。一般指鋁合金、鎂合金、碳纖維等。

3.1 高強(qiáng)度鋼

鋼材占汽車(chē)質(zhì)量的50％以上，為了使汽車(chē)減重，比一般鋼材抗拉強(qiáng)度高2倍以上的高強(qiáng)度鋼在車(chē)輛中的使用愈發(fā)增多。相對(duì)于普通鋼材，在同等強(qiáng)度要求下，高強(qiáng)度鋼板可以選用更薄的鋼板厚度，以達(dá)到車(chē)輛重量減輕的目的。根據(jù)材料的力學(xué)性能的差異性，鋼材主要可分為低強(qiáng)度鋼材、高強(qiáng)鋼度材、超高強(qiáng)度鋼材等。高強(qiáng)度鋼材又可進(jìn)一步細(xì)分成：傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼和高級(jí)高強(qiáng)度鋼。特斯拉Model 3就使用了大量的高強(qiáng)度鋼，各板材所占比例如表1所示。

3.2 鋁合金

鋁在地球中的儲(chǔ)備量超過(guò)8%，含量排名第三，僅此于氧和硅，是特別豐富的金屬資源，應(yīng)用性也特別廣泛。和鋼材相比，鋁材的密度降低了一半以上，是應(yīng)用特別廣泛的輕量化材料。

鋁金屬具有優(yōu)秀的機(jī)械性能，為了提升鋁材的機(jī)械性能，常采用添加合金的方式制成不同純度的鋁合金板材，可分為1000系、2000系、3000系、4000系、5000系、6000系、7000系等[6]，5000系及以上的鋁合金材料，因其強(qiáng)度和成形性能優(yōu)越，常被開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)為汽車(chē)合金板材。

3.3 鎂合金

鎂合金具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，而且鎂資源非常豐富，因此鎂合金被公認(rèn)為最有發(fā)展前景的汽車(chē)輕量化金屬材料，鎂有相當(dāng)高的的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和無(wú)磁性，并有良好的尺寸穩(wěn)定性和優(yōu)異的能量吸收特性，是制造抗震零件的良好材料，因此能夠在汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)體系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)以及底盤(pán)系統(tǒng)等方面進(jìn)行應(yīng)用，進(jìn)而在車(chē)身剛度以及安全性達(dá)到要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輕量化、降噪、減震的目的。

3.4 碳纖維

碳纖維是指通過(guò)人工合成技術(shù)，將片狀或碎狀的石墨晶體等有機(jī)纖維，按照一定的組織結(jié)構(gòu)形式，以軸方向鋪排的方式達(dá)到強(qiáng)大的力學(xué)性能的復(fù)合材料，其具有密度小、耐腐蝕、比強(qiáng)度和比剛度高等特點(diǎn)。相關(guān)研究表明，相同大小結(jié)構(gòu)的零部件類(lèi)別，碳纖維材料零部件是鋼鐵材料零部件重量的1/4左右，但其抗拉性能較鋼鐵提升了7倍左右[7]。

碳纖維能在保證設(shè)計(jì)要求的剛度和強(qiáng)度的前提下，大幅度的減輕整車(chē)質(zhì)量，也因此被用于車(chē)身和底盤(pán)等結(jié)構(gòu)。但由于碳纖維復(fù)合材料成本較高，目前只要用于一些小批量的高檔轎車(chē)及賽車(chē)的制造中。

4 先進(jìn)輕量化制造工藝

工藝的輕量化，即比現(xiàn)有材料更加精細(xì)的加工來(lái)減少材料的使用量，其優(yōu)點(diǎn)在于能活用現(xiàn)有材料，成本增加少，常采用液壓成形工藝、激光焊接工藝、熱沖壓成形工藝等。

4.1 液壓成形工藝

與傳統(tǒng)沖壓成形的裝置不同，液壓的成形形式是液態(tài)水和液態(tài)油，這種形態(tài)代替鋼的凹模和凸模，通過(guò)傳力介質(zhì)，促使板料形成凹或凸的形式，從而得到所需要零件的形狀[8]。相比于傳統(tǒng)沖壓成形，液壓成形制造的的零部件質(zhì)量可靠性更高，通過(guò)提升零部件的成形極限，實(shí)現(xiàn)減少冗余模具的制造和開(kāi)發(fā)。

液壓成形技術(shù)主要包括2類(lèi)：

（1）管料液壓成形；

（2）板料液壓成形。

目前在汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用較廣泛的技術(shù)是第一種，即管料液壓成形，與傳統(tǒng)的沖壓焊接工藝相比，可以概括為如下5個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1） 節(jié)約材料。液壓成形的材料利用率可以高達(dá)98%；

（2） 簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu)，縮短了產(chǎn)品周期；

（3） 能一次成形中空復(fù)雜零件，減少后續(xù)的加工工序；

（4）通過(guò)減少焊點(diǎn)，提高零件整體的剛度和強(qiáng)度；

（5） 降低生產(chǎn)成本。與傳統(tǒng)的沖壓焊接件相比，管料液壓成形件可實(shí)現(xiàn)降本18%左右，甚至達(dá)到20%。

4.2 激光焊接工藝

激光焊接，是一種廣泛應(yīng)用在汽車(chē)、航空、電子、醫(yī)療等行業(yè)的技術(shù)，是利用高能量密度的激光束作為熱源的精密高效能焊接技術(shù)。與傳統(tǒng)焊接方式相比，激光焊接具有速度快、效率高、焊縫深寬比大、熱輸入小、熱影響區(qū)小、焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)，因而被大規(guī)模應(yīng)用于汽車(chē)制造領(lǐng)域[9]。激光焊接工藝可以根據(jù)實(shí)際需求將不同厚度、性能的板材合理的利用起來(lái)，以達(dá)到減重降本的目標(biāo)。激光焊接工藝在應(yīng)用過(guò)程存在如下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）與接觸式焊接相比，激光焊接的器具損耗小和變形量小，所以相關(guān)設(shè)備的使用壽命更長(zhǎng)；

（2）將熱源能量更精密的作用于需要焊接的位置，板材被焊接影響的位置范圍小，使焊點(diǎn)以外板材位置的變形量也相對(duì)更?。?/p>

（3）易于通過(guò)電腦或者數(shù)控編程控制，實(shí)現(xiàn)焊接的高度自動(dòng)化；

（4）焊接精薄材料時(shí)，可以最大程度的避免回熔現(xiàn)象。

雖然激光焊接工藝有眾多優(yōu)點(diǎn)，但是其價(jià)格及維護(hù)成本較高?；诖耍す夂附涌蓱?yīng)用的車(chē)型主要以奔馳、寶馬、奧迪等豪華品牌車(chē)為主，自主品牌車(chē)型應(yīng)用較少。

如圖4所示，奧迪A6L采用了大量激光焊接工藝，其四門(mén)處的鋁激光焊可達(dá)8520mm長(zhǎng)。

4.3 熱沖壓成形工藝

熱沖壓成形工藝，主要指采用如下工藝：

（1）將熱沖壓高強(qiáng)度鋼板加熱到奧氏體再結(jié)晶溫度以上；

（2）保溫一定的時(shí)間，使之均勻奧氏體化；

（3）快速移動(dòng)到冷卻模具內(nèi)進(jìn)行沖壓成形；

（4）對(duì)其進(jìn)行淬火，然后進(jìn)行快速冷卻，以達(dá)到提高零件強(qiáng)度的目的，最后進(jìn)行切邊、沖孔及表面清理等后續(xù)工藝。

熱沖壓成形的優(yōu)點(diǎn)主要有：零件尺寸精度高、零件成形性能好、車(chē)身設(shè)計(jì)感強(qiáng)、有效降低零件厚度等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而達(dá)到輕量化目標(biāo)。

如圖5所示，沃爾沃S60就應(yīng)用較為廣泛的熱成形工藝，圖中紅色部分為熱成形件，熱成形零件比例可達(dá)35%。

5 總結(jié)

據(jù)初步估算，某車(chē)型基于上述輕量化技術(shù)，應(yīng)用在實(shí)際的車(chē)輛開(kāi)發(fā)制造過(guò)程中后，最終綜合減重超過(guò)27kg。通過(guò)現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析，燃油車(chē)每減輕重量10kg，可節(jié)約燃油約0.03L/100km、每年行駛1.5萬(wàn)公里、8年的車(chē)輛生命周期以及年產(chǎn)20萬(wàn)臺(tái)計(jì)算，該車(chē)型1年生產(chǎn)的車(chē)輛在整個(gè)生命周期內(nèi)可節(jié)省約19，440，000L燃油，可減少CO2等廢氣排放約45，878，400kg。

由此可見(jiàn)，隨著我國(guó)節(jié)能減排戰(zhàn)略的實(shí)施，汽車(chē)輕量化已成為汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的重要課題。隨著未來(lái)更多先進(jìn)工藝、材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，輕量化技術(shù)和目標(biāo)必將邁上一個(gè)新的臺(tái)階。

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