汽車輕量化技術(shù)探析

王松

摘要：汽車重量與耗油量有著直接的關(guān)系，汽車輕量化是在保證車輛安全的前提下采取技術(shù)手段進(jìn)行合理減重，是減少燃油消耗、減少排放的主要措施，對推動汽車行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展有著十分重要意義。本文從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化材料和先進(jìn)制造工藝三方面進(jìn)行分析，并對汽車輕量化技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了預(yù)測。

關(guān)鍵詞：汽車輕量化;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;節(jié)能減排

汽車數(shù)量的變多使得能源消耗和污染排放日益嚴(yán)重，汽車輕量化是解決該問題的有效途徑之一，如果汽車重量減小100公斤，每百公里的油耗就會降低0.3-0.5升，二氧化碳的排放量也就減少8- 11克。國家正在大力推進(jìn)汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，很多汽車制造商和研發(fā)機(jī)構(gòu)已經(jīng)一些技術(shù)上取得了突破，汽車的輕量化可以有效降低汽車內(nèi)部的動力、傳動系統(tǒng)重量，會給駕駛?cè)藛T帶來更好動力性和操控性體驗(yàn)。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1尺寸優(yōu)化

汽車的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化是應(yīng)用最早和最成熟的輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)，把沖壓件壁厚度、減重孔、梁截面等尺寸作為設(shè)計(jì)變量，來達(dá)到剛度、強(qiáng)度和吸能等工況要求，把結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，建立起目標(biāo)函數(shù)。汽車線性靜力學(xué)和線性振動，需要利用數(shù)值優(yōu)化算法來進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，來獲取到響應(yīng)函數(shù)靈敏度數(shù)值。

線彈性進(jìn)行汽車輕量化設(shè)計(jì)是需要首先解決的問題，主要對汽車零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對整車結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重。國內(nèi)的學(xué)者針對轎車門結(jié)構(gòu)方式和尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，并進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，在提升剛度和振動頻率的基礎(chǔ)上，對車門重量進(jìn)行了合理減重。也有學(xué)者對載重越野和客車骨架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，使得車身重量顯著降低。國外學(xué)者利用UG軟件進(jìn)行建模，對車身前部結(jié)構(gòu)采用碳纖維進(jìn)行優(yōu)化，使得承載結(jié)構(gòu)減重61.8%。

1.2形狀優(yōu)化

對車輛整體或局部形狀進(jìn)行優(yōu)化，讓結(jié)構(gòu)受力更為均勻，充分地利用好材料特性。針對規(guī)則幾何形狀的結(jié)構(gòu)，需要把結(jié)構(gòu)幾何形狀進(jìn)行參數(shù)量化，把形狀轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽鐑?yōu)化。針對汽車結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴扇〉臑椴灰?guī)則形狀，無法利用參數(shù)來對外形進(jìn)行描述，不能采取尺寸優(yōu)化方式。采取無參數(shù)優(yōu)化方式可以有效解決該問題，國外學(xué)者已經(jīng)利用該方法對主承力梁減重進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地降低了結(jié)構(gòu)重量。

1.3多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

學(xué)科優(yōu)化方式可以對車身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，就應(yīng)該結(jié)合多學(xué)科知識，充分利用疲勞、剛度、碰撞安全等多種理論。為了達(dá)到以全局優(yōu)解的目的，應(yīng)該全面考慮學(xué)科的影響。因?yàn)閷γ糠N學(xué)科進(jìn)行建模和計(jì)算都需要很大的工作量，每種學(xué)科的響應(yīng)函數(shù)也有著較大的差別，需要選用不同的學(xué)科變量，無法在一次優(yōu)化中進(jìn)行全面的考慮。只針對單一學(xué)科進(jìn)行考慮，就無法顧及到其它學(xué)科的要求，應(yīng)該進(jìn)行多次修改才能獲取到滿足性能需要的解?？梢圆扇》纸鈪f(xié)調(diào)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，把復(fù)雜的多學(xué)科優(yōu)化劃分成多個子問題，應(yīng)用協(xié)調(diào)機(jī)制來對子問題優(yōu)化進(jìn)行控制，可以降低問題的復(fù)雜程度，還能得到學(xué)科需要的優(yōu)化解。

2 輕量化材料應(yīng)用

2.1 高強(qiáng)度鋼

該類材料利用細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化等機(jī)理實(shí)現(xiàn)鋼材的強(qiáng)化，根據(jù)強(qiáng)度大小可劃分成高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼，按照冶金學(xué)特點(diǎn)可以劃分成先進(jìn)高強(qiáng)鋼、普通高強(qiáng)鋼。先進(jìn)高強(qiáng)鋼利用相變來實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度，與低合金鋼進(jìn)行比較來看，該鋼材有著更高的屈服強(qiáng)度，可以減小車身結(jié)構(gòu)附加支撐件等部件的截面積，改用更為輕薄的板材，車身質(zhì)量就會降低。該材料還有著更好的抗疲勞、抗碰撞等性能，是將來汽車輕量化設(shè)計(jì)的主要材料。

先進(jìn)高強(qiáng)鋼存在著特殊斷裂問題，這是因?yàn)椴煌摲N的延伸率會隨著強(qiáng)度變大而減小，該類型的鋼材具備的延伸率小于普通的深拉鋼，采用復(fù)雜的成型制造工藝，會使得先進(jìn)高強(qiáng)鋼應(yīng)變極限被耗用完。原來應(yīng)用的深拉鋼中很少出現(xiàn)斷裂問題，在先進(jìn)高強(qiáng)鋼成型和碰撞時會經(jīng)常存在著斷裂現(xiàn)象。寶馬的研發(fā)中心對車身B柱受側(cè)面進(jìn)行碰撞時，出現(xiàn)了根部斷裂問題。該種材料應(yīng)用到汽車輕量化設(shè)計(jì)時存在著斷裂風(fēng)險，采取何種方式避免在成型和碰撞中產(chǎn)生斷裂，是汽車工業(yè)需要解決的問題。國外的公司已經(jīng)研發(fā)出第三代高強(qiáng)度汽車鋼，有著更好的應(yīng)變硬化率和很高的塑性。

2.2鋁合金、鎂合金

鋁合金材料有著較輕的重量，還具備較強(qiáng)的耐腐蝕性，容易加工成型，是成熟的輕量化材料。很多車輛的鋁合金材料已經(jīng)占到車輛整重的10%。鑄鋁占到汽車鋁量的80%，多用在發(fā)動機(jī)零部件、殼體和底盤等零件，已經(jīng)批量應(yīng)用的零件有發(fā)動機(jī)托架、發(fā)動機(jī)缸體、車輪等多種零件。鍛造鋁具備更好的力學(xué)特性，橫向轉(zhuǎn)向叉和車輪已經(jīng)應(yīng)用到奧迪車系中。變形鋁合金出被應(yīng)用到頂蓋、車身發(fā)罩外板等部件，有的車型已經(jīng)完全采用鋁車身。影響鋁合金板材應(yīng)用的因素主要有造價太高，一些生產(chǎn)工藝需要改進(jìn)，可以進(jìn)行鋁車身修復(fù)的廠家較少，使用成本較大，多采取鋼鋁混合車身。

鎂合金質(zhì)量比較輕，有著很高的強(qiáng)度和剛度，地球上的鎂材料十分豐富，是具有很好應(yīng)用前景的汽車輕量化材料。國外某汽車制造企業(yè)，已經(jīng)把鎂合金材料應(yīng)用到曲軸箱、傳動箱殼體中，隨著鎂合金防腐性能的不斷提升和生產(chǎn)成本的降低，一些汽車生產(chǎn)企業(yè)把鎂合金應(yīng)用到轉(zhuǎn)向柱、離合器、制動系統(tǒng)等多種殼體中。進(jìn)入到新世紀(jì)以來，鎂合金在汽車使用量得到提升，方向盤骨架、變速箱等也應(yīng)用了該種材料。鎂合金有著更好的力學(xué)性能，可以具備較高的強(qiáng)度和塑性，車身前端結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了應(yīng)用，可以降低5060%車輛前端重量。變形鎂合金有著較高的力學(xué)性能，但不具備較高的韌性，受到外界沖擊時會出現(xiàn)脆性斷裂，高性能鎂合金研發(fā)是將來的發(fā)展方向。

2.3塑料和復(fù)合材料

塑料和纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中不斷得到應(yīng)用，塑料重量已經(jīng)達(dá)到整車重量的12-20%，很多汽車公司已經(jīng)對塑料和復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用展開探索。汽車的儀表板、頂棚、雜物箱蓋等內(nèi)部裝飾件都采用塑料，車身外板，保險杠、油箱，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管等部位也得到了應(yīng)用。單一塑料不能達(dá)到高應(yīng)力和高溫的使用需要，復(fù)合材料在汽車零部件中的作用愈加突現(xiàn)出來。玻璃纖維復(fù)合材料用于對地板、遮陽板、發(fā)動機(jī)罩等部位制作，該種材料基體主要為聚丙烯，采用聚醚酰亞胺作為基本的低密度復(fù)合材料正在研發(fā)中。長纖維熱塑性復(fù)合材料多用到儀表盤、蓄電池槽、發(fā)動機(jī)底座中，碳纖維復(fù)合材料有著較高的強(qiáng)度和剛度，可應(yīng)用到底盤、車身等結(jié)構(gòu)件中。寶馬公司研發(fā)的新型電動汽車，外殼都采用了碳纖維復(fù)合材料，底盤應(yīng)用了鋁合金材料，比傳統(tǒng)材料重量降低了250350公斤。編織復(fù)合材料有著較好的碰撞性能，可以用于吸收能量。汽車生產(chǎn)采取的塑料向著增強(qiáng)型復(fù)合材料、塑料合金方向發(fā)展，還需要建立起完整的回收應(yīng)用體系。

3 先進(jìn)制造工藝

3.1液壓成型

上世紀(jì)70年代，國外一些汽車廠家就開始對液壓成型技術(shù)進(jìn)行研究，采用液壓成型技術(shù)用于生產(chǎn)汽車構(gòu)件，有的汽車制造商已經(jīng)建立了管材液壓成型車間，用于生產(chǎn)液壓成型零件。國內(nèi)汽車廠家也應(yīng)用液壓成型技術(shù)用到試制副車架，是一種典型的汽車零部件定型技術(shù)，在汽車零部件生產(chǎn)中得到推廣和應(yīng)用，約有5 0%左右的底盤裝配有液壓成型件。液壓成型是進(jìn)行汽車輕量化的重要技術(shù)，與傳統(tǒng)的沖壓焊接技術(shù)進(jìn)行比較來看，該技術(shù)可以減少ll%的零部件生產(chǎn)成本，14%的設(shè)備使用成本，還可以降低7.3%的重量。該技術(shù)有著較高的成型精度，不會消耗太多的材料，可以減輕加工和焊接工作量，提高成型件的強(qiáng)度和剛度。

汽車管件利用液壓成型技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)需要較高的壓力，設(shè)備成本比較高，使用之后不便于調(diào)整。為了降低零件生產(chǎn)成本，需要選用合適的管件材料，確定合理的工藝參數(shù)，防止在液壓成型時出現(xiàn)屈曲、破裂等質(zhì)量缺陷，從而更好地保證零件生產(chǎn)質(zhì)量。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，需要把經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對管件成型時應(yīng)力分布、壁厚變化、模具貼合狀態(tài)等進(jìn)行仿真，并對材質(zhì)、工藝參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2激光焊接

該技術(shù)是從上世紀(jì)60年代不斷發(fā)展和演變而來，有著較快的焊接速度，可以達(dá)到較大的焊縫深寬比，不會產(chǎn)生大的熱輸入，焊接變形量小，在汽車制造行業(yè)得到了大量的應(yīng)用。從零部件到車身，該技術(shù)已經(jīng)成為汽車制造的關(guān)鍵焊接方法，最早用于變速箱的齒輪焊接，可以不進(jìn)行焊后熱處理，焊接速度快。采用激光焊接制造的零部件主要有尾氣排放系統(tǒng)、車門鉸鏈、減振器、濾清器等。車身的板材利用激光焊接技術(shù)進(jìn)行制造，把不同厚度、材質(zhì)和強(qiáng)度等條件下的板坯進(jìn)行拼焊處理，可以用于生產(chǎn)大型的覆蓋件，在保證強(qiáng)度的同時降低重量，進(jìn)一步提高尺寸精度?？梢詼p小產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)時間，避免存在材料浪費(fèi)問題。采用拼焊板生產(chǎn)中間支柱、側(cè)框架等，可以提升抗碰撞和抗耐腐蝕性能。可以不再采用密封膠，具有很高的環(huán)保意義，在鋼制車身中，約有50%采用了拼焊板方式。車身框架的激光焊接，可以更好傳遞載荷，車身的剛度和強(qiáng)度得到進(jìn)一步提升，車身沖壓搭接寬度也會減小，可節(jié)省生產(chǎn)材料數(shù)量。

4 汽車輕量化技術(shù)發(fā)展方向

汽車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)比較成熟，還需要對多學(xué)科、多目標(biāo)優(yōu)化方進(jìn)行深入研究。輕量化材料方面，應(yīng)該根據(jù)車輛的不同部位，選用不同的材料，實(shí)現(xiàn)材料和零部件的優(yōu)化組合。生產(chǎn)工藝方面，還需要加強(qiáng)對熱成型和變厚度板進(jìn)行研究。零部件質(zhì)量占到車輛總重的75%，，有著很大的輕量化潛力，需要做好零部件輕量化方面的研究。把多種輕量化技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，才能充分體現(xiàn)出輕量化的優(yōu)點(diǎn)，需要采取集成化和系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法。

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