論以輕量化為主的專用汽車車身優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉現(xiàn)允

摘 要：伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，專用汽車工業(yè)也獲得了迅速發(fā)展，并且在人們的生活與工作中產(chǎn)生越來越重要的影響。然而伴隨專用汽車數(shù)量的高速提升，也對(duì)環(huán)境、能源甚至是交通安全帶來了重大的影響。因此在當(dāng)前的技術(shù)水平下，為了盡可能減小專用汽車所帶來的負(fù)面效應(yīng)，有關(guān)專用汽車的開發(fā)研究正向著低能耗、低排放、高效能方向發(fā)展，而專用汽車輕量化正是使專用汽車減少油耗以及減少排放的有效辦法之一。因此研究以輕量化為主的專用汽車車身優(yōu)化設(shè)計(jì)具有尤為重要的意義和作用。

關(guān)鍵詞：專用汽車工業(yè)；負(fù)面效應(yīng)；汽車輕量化；優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前我國(guó)仍然處于城市化與工業(yè)化同步加速的發(fā)展階段，因此具有產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、投資規(guī)模大、中間產(chǎn)品多、加工度高等特點(diǎn)，再加之我國(guó)各類資源分布并不是很均勻，因此這些都為專用汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了機(jī)遇，但專用汽車產(chǎn)業(yè)在獲得迅速發(fā)展的同時(shí)，其自身存在的能源消耗、生態(tài)環(huán)保以及交通安全等問題也日益凸顯。因此專用汽車的環(huán)保與節(jié)能如今也已經(jīng)成為專用汽車工業(yè)的主要發(fā)展方向，而減輕專用汽車車身自重，對(duì)專用汽車車身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)正是幫助汽車減少油耗、減少排放以及提高汽車運(yùn)輸效率的有效辦法之一。下面就如何實(shí)現(xiàn)專用汽車車身輕量化的幾種技術(shù)與方法展開研究探討。

1 應(yīng)用新興制造工藝實(shí)現(xiàn)專用汽車車身輕量化

應(yīng)用新興制造工藝來實(shí)現(xiàn)汽車車身輕量化，這里主要列舉兩種技術(shù)，一是液壓成形技術(shù)，一是噴射成形技術(shù)。其中液壓成形技術(shù)作為一種柔性成形技術(shù)，是指在沖壓的時(shí)候?qū)⒘黧w介質(zhì)作為傳力介質(zhì)，以此來取代傳統(tǒng)剛性沖壓中的凹模與凸模，以高壓形式將流體介質(zhì)沖入需要成形的板料或管件的模具中，使板料或管件在模具內(nèi)經(jīng)液體壓力從而變形成為模具造型，最終成為汽車車身所需零部件形狀。目前在歐美日等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的西方國(guó)家，液壓成形技術(shù)獲得了廣泛的應(yīng)用，一些大的汽車制造商甚至用液壓成形技術(shù)直接取代了傳統(tǒng)的沖壓制造技術(shù)，正是由于液壓成形技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不僅沒有增加汽車車身零部件的生產(chǎn)制造成本，而且能夠減少零件數(shù)量，減輕汽車質(zhì)量，因此液壓成形技術(shù)在汽車實(shí)際生產(chǎn)中有著非常好的應(yīng)用價(jià)值。而噴射成形技術(shù)（sparyforming）則是指將合金液流用高壓惰性氣體霧化成細(xì)小熔滴，使其在高速氣流中飛行以冷卻，在其還未完全凝固之前被沉積成坯件的一種技術(shù)，擁有所獲材料組織均勻、晶粒細(xì)小以及可以抑制宏觀偏析等各種優(yōu)點(diǎn)。噴射成形技術(shù)是把金屬熔融、液態(tài)金屬霧化、快速凝固、噴射沉積成形集成在一個(gè)冶金操作流程中制成金屬材料產(chǎn)品的新工藝技術(shù)，在發(fā)展新材料、改革傳統(tǒng)工藝、節(jié)約能耗、減少環(huán)境污染、提升材料性能等方面發(fā)揮了重大作用。總之，與傳統(tǒng)的粉末冶金工藝以及鑄鍛工藝相比，噴射成形技術(shù)有著更高的應(yīng)用價(jià)值。

2 應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)專用汽車車身輕量化

應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)汽車車身輕量化其中一個(gè)重要方法就是進(jìn)行汽車拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。所謂拓?fù)鋬?yōu)化是指在一定空間區(qū)域內(nèi)尋找到最為合理分布材料的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。這是一個(gè)迭代的過程，它能夠通過數(shù)次的迭代（主要包含有限元分析、靈敏度計(jì)算、修改材料分布這三個(gè)步驟），當(dāng)材料的分布已經(jīng)趨向最穩(wěn)定、最優(yōu)的時(shí)候，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)束。因此在汽車車身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，顛覆了汽車傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，給汽車設(shè)計(jì)人員開辟出了一條新的汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并且給予了汽車設(shè)計(jì)人員要想實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的精確、充分的設(shè)計(jì)依據(jù)，使汽車設(shè)計(jì)能夠保證在最優(yōu)初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及最優(yōu)材料分布下優(yōu)化汽車車身的形狀以及結(jié)構(gòu)的尺寸，當(dāng)汽車車身經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化后，能夠顯著提高汽車材料的利用率?？偟膩碚f，利用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)來進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：一是可以改善汽車零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減薄汽車零部件的厚度，減輕汽車零部件的質(zhì)量，提高材料的利用率，減少材料的浪費(fèi)；二是能夠使汽車車上上一些不必要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)在制造上得到簡(jiǎn)化，讓這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)制造的時(shí)候能夠有效提升其生產(chǎn)效率以及降低生產(chǎn)制造成本；三是能夠有效避免汽車零件設(shè)計(jì)可能存在的盲目性，也能夠改善因模仿其他汽車零部件設(shè)計(jì)所存在缺陷。

3 應(yīng)用新興材料實(shí)現(xiàn)專用汽車車身輕量化

在空氣質(zhì)量日益惡化、汽車輕量化政策密集出臺(tái)的形勢(shì)背景下，不論是新能源汽車還是傳統(tǒng)汽車，都已經(jīng)將汽車輕量化技術(shù)投向了更加具有綜合比較優(yōu)勢(shì)的鋁合金材料上，全鋁專用車、全鋁商用車、全鋁轎車、全鋁客車等等勢(shì)必會(huì)成為汽車工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的發(fā)展趨勢(shì)。所以，鋁合金作為一種理想的車身用輕質(zhì)合金材料，目前在汽車工業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。鋁合金車身有許多優(yōu)點(diǎn)，不僅僅是在減輕車身重量方面，重要的是減小燃油消耗，改善車輛的操縱性。因?yàn)殇X的比重大概為鋼的三分之一，這就意味著當(dāng)使用鋁材料來制造汽車車身，能夠減輕汽車大約20%至30%左右的重量，重量的減輕自然意味著汽車耗油量的降低。另外一個(gè)鋁合金車身優(yōu)于其他鋼鐵車身原因是它的環(huán)保性能，首先鋁材料在生產(chǎn)過程中可以減少污染排放，這主要是由于99%的鋁能夠被循環(huán)利用，從而實(shí)現(xiàn)了鋁礦石冶煉鋁過程中成本高消耗的一定程度上的補(bǔ)償。但目前鋁制車身成本較高，車身用鋁經(jīng)過拉延及烘烤硬化，屈服強(qiáng)度可達(dá)220～260MPa，強(qiáng)度僅能達(dá)到一般高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度水平，因此需要通過截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及連接工藝來彌補(bǔ)，對(duì)傳統(tǒng)鋼車身設(shè)計(jì)工程師提出了挑戰(zhàn)，而且鋁材成本較為昂貴。據(jù)了解，目前產(chǎn)業(yè)化的高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度能達(dá)到1000MPa，而鋁合金型材一般不會(huì)超過500MPa，但這也并不代表鋁合金不安全。實(shí)際上對(duì)于機(jī)械零部件不完全以強(qiáng)度作為安全性的指標(biāo)，其還需要與零件的剛度、截面等指標(biāo)綜合考量。此外，鋁制車身的維修復(fù)雜，價(jià)格也更高。比如，碰撞變形不嚴(yán)重時(shí)，鋼制部件通過鈑金維修即可，但鋁制部件基本只能更換，也給消費(fèi)者帶來成本壓力。據(jù)悉梁山中集東岳車輛有限公司設(shè)計(jì)制造的直梁鍍鋅裝配式鋁合金底板欄板半掛車整備質(zhì)量為5.2T，內(nèi)徑立柱到立柱內(nèi)徑為2430mm，大梁配置5-5-10，廂板為鋁合金廂板，邊梁為140折彎件，鋁合金型材鋪底板，此車熱鍍鋅，防腐時(shí)間長(zhǎng)，整車裝配式，易于更換易損件，增加了車輛的使用壽命。該產(chǎn)品內(nèi)部平整無尖銳凸起，經(jīng)試驗(yàn)整車運(yùn)行平穩(wěn)、性能穩(wěn)定可靠，可用于運(yùn)輸散裝貨物，具有對(duì)貨物安全保護(hù)、運(yùn)輸便捷，效率高效等特點(diǎn)，如圖1所示。

4 應(yīng)用連接工藝實(shí)現(xiàn)專用汽車車身輕量化

汽車在實(shí)現(xiàn)車身輕量化的過程中，會(huì)存在許多連接工藝問題，而應(yīng)用鎖鉚連接工藝，則可以很好地解決這一問題。具體表現(xiàn)如下：首先，鎖鉚連接工藝能夠?qū)崿F(xiàn)不同材質(zhì)、不同強(qiáng)度、不同硬度、不同厚度的兩層以及多層材料直接的連接，是實(shí)現(xiàn)連接不同形態(tài)汽車輕量化材料的有效途徑之一。其次，鎖鉚連接工藝可以很好地滿足各種形態(tài)輕量化材料之間連接的動(dòng)態(tài)疲勞強(qiáng)度和靜態(tài)強(qiáng)度要求，更可以很好地傳統(tǒng)鉚接工藝存在的不足，還擁有吸收撞擊能量的功能，因此在汽車安全方面具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。再次，鎖鉚連接工藝允許各種形態(tài)汽車輕量化材料之間用結(jié)構(gòu)膠粘合層，這有助于實(shí)現(xiàn)汽車車內(nèi)防水密封和隔音降噪的目的，還能夠幫助結(jié)構(gòu)膠粘合層實(shí)現(xiàn)快速定型，進(jìn)而有利于汽車實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)。最后，與傳統(tǒng)鉚接工藝相比，鎖鉚連接工藝減少了更多的工序，因此生產(chǎn)效率更高；而與特殊焊接相比，不論是從能耗成本還是從設(shè)備投資上，不論是從設(shè)備操作要求還是操作工序繁簡(jiǎn)上，鎖鉚連接工藝都擁有不可比擬的綜合成本優(yōu)勢(shì)，如圖2所示。

5 結(jié)語

綜上所述，伴隨全球環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，未來專用汽車的主要發(fā)展方向就是實(shí)現(xiàn)專用汽車的減重減負(fù)。文章從新興制造工藝、汽車拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、新興材料、連接工藝等四個(gè)方面提出了實(shí)現(xiàn)專用汽車車身輕量化途徑，希望能借此對(duì)我國(guó)專用汽車工業(yè)健康有序發(fā)展提供一點(diǎn)助益。

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