淺談汽車的輕量化發(fā)展

吳培

摘要：本文主要從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝優(yōu)化和新材料利用等幾個(gè)方面對汽車的輕量化的發(fā)展進(jìn)行研究，希望為我國汽車輕量化的研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：汽車；輕量化；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；工藝優(yōu)化；新材料

隨著我國居民收入的增加，越來越多的家庭擁有了汽車，這也帶來了能源和環(huán)保等方面的問題。汽車的輕量化就是在保證性能的基礎(chǔ)上，通過新技術(shù)的運(yùn)用來減輕汽車的重量。每降低10%的重量，汽車就可以節(jié)約7%的能源，減少3%～5%的二氧化碳的排放。通過應(yīng)用輕量化技術(shù)，不僅可有效的實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，還能改良汽車在啟動(dòng)、剎車等方面的性能，同時(shí)增加汽車的壽命。由于國內(nèi)外對汽車環(huán)保要求的不斷提高，輕量化已成為汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢。對車企而言，汽車輕量化是汽車的一個(gè)核心關(guān)鍵技術(shù)，直接關(guān)系到企業(yè)的核心競爭力。同時(shí)，汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，也能為國家汽車產(chǎn)業(yè)的健康成長找到出路。目前汽車輕量化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要有以下三種途徑：車身零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和新材料的使用。

1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化

汽車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是指對車身整體結(jié)構(gòu)和零部件的形狀和尺寸進(jìn)行優(yōu)化。形狀優(yōu)化主要通過優(yōu)化車身和零部件的外形和局部特征，改變應(yīng)力在產(chǎn)品內(nèi)部的分布，讓應(yīng)力分布的更加均勻，從而實(shí)現(xiàn)材料的充分的應(yīng)用，達(dá)到輕量化的目的。尺寸優(yōu)化是指在滿足產(chǎn)品性能指標(biāo)的條件下，通過增加高應(yīng)力區(qū)域的材料密度，降低低應(yīng)力材料區(qū)域的材料，實(shí)現(xiàn)對車身和零部件的截面厚度進(jìn)行優(yōu)化。

形狀優(yōu)化主要通過改進(jìn)車身和零部件的結(jié)構(gòu)，使車身和零部件薄壁化、中空化、小型化和組合化，實(shí)現(xiàn)車身和零部件整體化和輕量化的目的。在日產(chǎn)推出的March車型中，日產(chǎn)改變了以往平板車架的做法，通過在車架上設(shè)置了凹型壓邊筋，減少了車上鋼材的使用，實(shí)現(xiàn)了和比老款減重7%的效果。同時(shí)在新汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，也可以通過運(yùn)用CAE技術(shù)對產(chǎn)品的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。德國公司研發(fā)的Light Coccon概念車，放棄了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用仿生學(xué)設(shè)計(jì)將車身設(shè)計(jì)成烏龜殼的結(jié)構(gòu)，充分運(yùn)用中空化和組合話的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了每平方米19g的極致輕量化設(shè)計(jì)。

尺寸優(yōu)化可通過激光切削、精密鑄造等技術(shù)實(shí)現(xiàn)零件材料的合理利用。對滿足要求的部分盡量降低材料的厚度，可以通過在關(guān)鍵部位增加加強(qiáng)筋、提高材料牌號，增加減重孔和切除多余翻邊等方法實(shí)現(xiàn)零部件徹底優(yōu)化的目的。在新型的邁銳寶XL中，在汽車的底盤縱梁上發(fā)現(xiàn)有一些大大小小的用于減重和避免共振而設(shè)計(jì)的孔洞。

2 優(yōu)化工藝實(shí)現(xiàn)汽車輕量化

工藝優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化材料的使用，在實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化方面具有相輔相成的作用。目前輕量化的工藝的優(yōu)化主要集中在兩個(gè)方面：一是優(yōu)化零件的成形技術(shù)，二是優(yōu)化制造工藝。

成型技術(shù)上的優(yōu)化可以通過應(yīng)用CAD/CAE/CAM等計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，提高模具的設(shè)計(jì)水平和精度，相應(yīng)的提高形成后零件的精度。目前新的成型技術(shù)包括液壓成形技術(shù)、差厚板技術(shù)、沖壓成形技術(shù)和3D打印技術(shù)等。其中，應(yīng)用差厚板技術(shù)可以讓設(shè)計(jì)師根據(jù)實(shí)際受力情況，在不同的區(qū)域壓制出不同的厚度，相比等厚板，差厚板在實(shí)現(xiàn)減重的同時(shí)，提升了板材的利用率。與傳統(tǒng)的機(jī)加制造工藝，3D打印作為一項(xiàng)新技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的定制要求，可以對汽車的外形進(jìn)行改造，也可以對零組件的形式和結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新定義，實(shí)現(xiàn)輕量化的設(shè)計(jì)理念。

制造工藝的革新的一個(gè)典型案例就行就是一體化設(shè)計(jì)和制造，將零件進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，通過合理的形狀和結(jié)構(gòu)將多個(gè)配件合成一體，減少了配件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)減重的效果。在科邁羅V6發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過氣缸蓋及尾氣歧管一體化鑄鋁設(shè)計(jì)技術(shù)，減少了一個(gè)帶有六個(gè)螺栓的鑄鐵排氣歧管，一個(gè)墊圈以及一個(gè)帶有三個(gè)螺栓的防熱罩，實(shí)現(xiàn)減重6kg。

3 新材料使用實(shí)現(xiàn)汽車輕量化

在汽車實(shí)現(xiàn)輕量化的進(jìn)程中，新材料已成為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的一個(gè)重要途徑。通過新材料的使用，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了汽車性能的提升。目前，替代的新材料主要有高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金和塑料復(fù)合材料。

高強(qiáng)度鋼的減重主要是依靠自身超高強(qiáng)度等級來代替普通的鋼材，利用強(qiáng)度差來減薄鋼板厚度，在提升汽車輕量化的同時(shí)，還提升了汽車安全性能。高強(qiáng)度鋼主要用于安全件上，例如AB柱、車門防撞桿等關(guān)鍵部位。目前，歐美車身的高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用比在55%以上，國內(nèi)自主轎車的應(yīng)用也達(dá)到了45%。

鋁合金的密度只有不銹鋼的35%，作為輕量化材料目前已在汽車上得到了廣泛的使用。根據(jù)研究數(shù)據(jù)，汽車中典型鋁制零件一次減重可達(dá)30%～40%，二次減重可以提高到50%。目前主要是5系列和6系列的鋁合金用到應(yīng)用到汽車車身，它們具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐疲勞等特點(diǎn)，在相同低質(zhì)量的情況下可提供更大的強(qiáng)度。目前奧迪A8和A2，捷豹XJ均以實(shí)現(xiàn)了全鋁車身，國內(nèi)的轎車全鋁車身也在新能源電動(dòng)車上實(shí)現(xiàn)。

鎂合金作為最輕的工程材料，較鋁合金具有更低的密度。鎂合金不僅是最適合鑄造汽車零部件的材料，也是最有效的汽車輕量化材料。而鎂合金鑒于種種原因沒有得到大力推廣和使用，目前使用的主要方式為鑄造鎂合金，已使用的汽車零部件有變速箱殼體、座椅框架和發(fā)動(dòng)機(jī)托架等。目前，每輛汽美國車約使用3.8kg的鎂合金，日本約使用9.3kg，歐洲已達(dá)到14kg，而國內(nèi)平均僅1.5kg，仍有很大的發(fā)展空間。

塑料復(fù)合材料主要是由兩種或兩種不同性質(zhì)的材料組成，復(fù)合后的性能較單一材料有較大的提升，具有密度小，比強(qiáng)度高，抗腐蝕能力好等特點(diǎn)，被廣泛用在汽車內(nèi)飾和外裝件上。其中碳纖維復(fù)合材料具有密度低、性能好、耐高溫、耐腐蝕和耐疲勞等特點(diǎn)，重量是鋼的四分之一，但是強(qiáng)度卻是普通鋼材的數(shù)倍。邁凱倫通過在MonoCell的底板上通過充分使用碳纖維強(qiáng)化樹脂，將底盤的重量控制在75kg。在奔馳推出的Smart Forvison概念車上，通過使用樹脂制造，實(shí)現(xiàn)每個(gè)輪子減重3kg的效果。

4 結(jié)語

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的輕量化已成為企業(yè)自身實(shí)力和企業(yè)責(zé)任的一種體現(xiàn)。本文主要從車身和零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、先進(jìn)工藝的使用和新材料使用三大方面對汽車的輕量化發(fā)展進(jìn)行了分析。隨著汽車慢慢成為我國經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，我國的汽車商應(yīng)不斷提高提高自身的實(shí)力，讓每個(gè)國人都愛上中國車。

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