汽車輕量化技術(shù)

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摘 要：汽車輕量化技術(shù)一直是各個汽車廠家重點研究的內(nèi)容，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，它已經(jīng)取得了長足的發(fā)展。簡單介紹了汽車輕量化技術(shù)的設(shè)計情況和所用材料的性能，闡述了汽車輕量化的實施途徑，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：輕量化技術(shù)；輕質(zhì)材料；車身結(jié)構(gòu)；節(jié)能減排

中圖分類號：U462.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.131

經(jīng)過近百年的發(fā)展，雖然汽車的能源利用率提高了，但也只有20%～30%.究其原因，最主要的是汽車本身的質(zhì)量消耗了大部分能耗。研究表明，如果汽車的整體質(zhì)量降低10%，那么，能源利用率就可以提高6%～8%.因此，汽車輕量化的優(yōu)勢就是降低油耗。

汽車車身質(zhì)量占汽車整體質(zhì)量的30%，空載時，有70%的能源消耗在汽車車身上。采用汽車輕量化技術(shù)除了可以降低能耗外，還可以提高汽車操作的穩(wěn)定性和安全性。使用輕量化材料后，汽車質(zhì)量會減輕。在其行駛過程中，由于汽車底盤質(zhì)量比較輕，所以，顛簸會減弱，車身會更加穩(wěn)定。當(dāng)汽車遇到撞擊時，其撞擊能力會被吸收一部分，從而提高汽車運行的安全性。但是，輕量化并不是說汽車質(zhì)量越輕越好，這需要綜合考慮汽車的安全性、經(jīng)濟(jì)性和實用性等因素。由此可見，汽車輕量化技術(shù)是汽車產(chǎn)業(yè)中非常關(guān)鍵的一部分。

1 含義

在保證汽車各項指標(biāo)都滿足要求的情況下，為了降低能耗，使其更加環(huán)保、安全，要采用先進(jìn)的技術(shù)或特殊材料盡可能地減輕汽車質(zhì)量。

汽車輕量化并不是簡單地縮小汽車的體積或者減輕汽車的質(zhì)量。汽車的安全性、穩(wěn)定性、舒適性和耐撞性等與汽車的質(zhì)量有直接關(guān)系，所以，還需要考慮其經(jīng)濟(jì)合理性，畢竟汽車屬于商品，要讓消費者接受它的價格。

汽車結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新化設(shè)計和特殊材料的使用是汽車輕量化技術(shù)的重要組成部分。如果汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，不僅可以減少材料的使用量，還能達(dá)到輕量化的目的。要想實現(xiàn)汽車輕量化，車身材料是非常重要的。相關(guān)研究表明，汽車輕量化主要表現(xiàn)在以下3個方面：①隨著新材料的出現(xiàn)，很多性能好的輕質(zhì)材料被應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，例如高輕度鋼、鎂合金、鈦合金、鋁合金、特殊塑料、陶瓷和生態(tài)復(fù)合材料等；②隨著汽車工業(yè)設(shè)計水平的不斷提高，很多汽車開始采用超輕懸架結(jié)構(gòu)、高剛性結(jié)構(gòu)來減輕其質(zhì)量；③汽車輕量化的發(fā)展促使計算機(jī)輔助集成技術(shù)和結(jié)構(gòu)分析等技術(shù)被應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，從而帶動汽車聯(lián)接技術(shù)的創(chuàng)新。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

隨著科技的快速發(fā)展，新材料、新技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于汽車輕量化領(lǐng)域。目前，很多汽車的變速箱殼體采用的都是鎂合金材料，例如上海大眾桑塔納轎車。隨著鎂合金材料性能的提升，如果曲軸的箱體材料由鋁合金變?yōu)殒V合金，那么，其質(zhì)量將會減輕30%；如果能進(jìn)一步改善鎂合金材料的抗蠕變性能，那么，自動變速箱的箱體也可以使用鎂合金材料制造。

汽車輕量化的重點在于車身結(jié)構(gòu)的用材。傳統(tǒng)的車身結(jié)構(gòu)是鋼材，但隨著材料學(xué)的發(fā)展，鋁合金、精煉鋼、夾層鋼等材料被應(yīng)用于汽車車身制造上，柔性化板材輥軋、剪拼焊接工藝等技術(shù)也得到了應(yīng)用。不銹鋼與高強(qiáng)度的碳鋼相比，其強(qiáng)度更高、延展性更好。20世紀(jì)90年代，奇瑞等汽車公司就開始進(jìn)行相關(guān)試驗。

隨著時間的推移，我國在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計方面也取得了較大的進(jìn)步，已經(jīng)從依靠經(jīng)驗設(shè)計逐漸發(fā)展為應(yīng)用有限元等現(xiàn)代設(shè)計方法實行靜強(qiáng)度計算和分析的階段。在薄板沖壓工藝方面，上海通用、五菱與湖南大學(xué)合作，開展了深入的研究，而北京航空航天大學(xué)則利用開發(fā)的CAXA系統(tǒng)研究客車輕量化技術(shù)。

3 實現(xiàn)途徑

實現(xiàn)汽車輕量化的目的是在保證其整體性能滿足要求的情況下，盡可能地減輕汽車各部分的質(zhì)量。由相關(guān)含義可知，要想實現(xiàn)汽車輕量化，需要改善汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其所使用的材料。

3.1 改善結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計是整個汽車生產(chǎn)的開始，它是決定汽車命運的最主要階段。而在落實汽車輕量化技術(shù)的過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計需要充分考慮“輕量”這個目的。

汽車輕量化設(shè)計就是以“輕量”為目的分析和優(yōu)化汽車的整體結(jié)構(gòu)，使用比較多的技術(shù)是CAD /CAE /CAM一體化技術(shù)，它涵蓋了從設(shè)計到制造整個過程。采用這項技術(shù)可以實現(xiàn)汽車零部件的精簡和輕質(zhì)化，通過對汽車底盤、動力系統(tǒng)等大型零部件的整體加工和相關(guān)模塊化設(shè)計，可以更好地實現(xiàn)輕量化的目的，這也是節(jié)能、環(huán)保的關(guān)鍵。如果這項技術(shù)不能滿足汽車整體性能的要求，那么，反演技術(shù)和多目標(biāo)全局優(yōu)化等設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用就是關(guān)鍵。具體表現(xiàn)在以下3個方面：①在車身剛度和強(qiáng)度滿足相關(guān)要求的前提下，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計來減輕車身質(zhì)量；②在性能不變的前提下，盡可能地減小各個零部件的尺寸；③利用發(fā)動機(jī)前置、超輕懸架等設(shè)置方式，使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，而發(fā)動機(jī)后置、后輪驅(qū)動可以使汽車體積變小，從而實現(xiàn)汽車輕量化。

3.2 特殊輕質(zhì)材料

汽車70%的質(zhì)量都集中在車身、發(fā)動機(jī)和底盤上，而車身又是其中最重的部分。減輕車身質(zhì)量后，既能達(dá)到汽車輕量化的目的，又可以提高發(fā)動機(jī)的工作效率。具體方案包括以下3點：①使用鋁鎂合金、陶瓷等輕質(zhì)、高強(qiáng)度的材料；②使用更薄、工藝性能好的高輕度鋼材料；③使用金屬基復(fù)合材料板、激光焊接板材等輕量化結(jié)構(gòu)用材。

4 結(jié)束語

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們更加重視節(jié)能減排，而汽車輕量化技術(shù)勢必會得到重視，也會吸引更多的力量研究它，新技術(shù)、新材料將也將被廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計制造中。目前，汽車輕量化技術(shù)還處于初步發(fā)展階段，還有很大的發(fā)展空間。

〔編輯：白潔〕