汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕量化設(shè)計探討

鐘全能

（四川工業(yè)科技學(xué)院，四川 德陽 618500）

前言

隨著社會環(huán)境的改變和經(jīng)濟發(fā)展，推動了汽車生產(chǎn)領(lǐng)域的發(fā)展，人們?nèi)粘３鲂性絹碓揭蕾嚻?，因此需求量也越來越大?，F(xiàn)階段，環(huán)境以及能源問題是世界各國都面臨的問題，而汽車的廣泛應(yīng)用增加了環(huán)境的負(fù)擔(dān)，因此必須要積極探索，借助于適當(dāng)?shù)妮p量化技術(shù)對汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，提升汽車的剛度，另外還需要借助新能源加強對環(huán)境的保護(hù)。

1 汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中輕量化技術(shù)優(yōu)勢

1.1 使得汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計得到優(yōu)化

汽車生產(chǎn)設(shè)計企業(yè)在對汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，通過科學(xué)合理的技術(shù)比如夾芯板的廣泛應(yīng)用，能夠在一定程度上提高汽車結(jié)構(gòu)的強度。這不僅能夠節(jié)約生產(chǎn)材料，同時也降低了汽車車身重量。

1.2 使得汽車零部件設(shè)計得到優(yōu)化

針對那些生產(chǎn)技術(shù)、結(jié)構(gòu)和材料簡單的汽車零部件進(jìn)行集成處理，可以減少一定的汽車加工投入成本，目前輕量化設(shè)計技術(shù)也有了極其廣闊的應(yīng)用。在新型的拼焊板上應(yīng)用輕量化設(shè)計技術(shù)可以使得汽車零部件的強度得到提升，并且提高了汽車的抗腐蝕性。

1.3 使得汽車零部件之間的連接方式得到優(yōu)化

在汽車生產(chǎn)加工過程中，各個零部件的連接需要借助于各種材料，通過應(yīng)用輕量化設(shè)計技術(shù)能夠在一定程度上使得零件連接方式得到改進(jìn)，這便可以減輕汽車車身的重量。借助于各種輕便的加工材料，進(jìn)而使得汽車結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化。

2 輕量化材料的應(yīng)用

2.1 汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕量化設(shè)計中高強度鋼的應(yīng)用

汽車的生產(chǎn)過程中，鋼材料的應(yīng)用最多，所以將高強度鋼材料應(yīng)用在汽車結(jié)構(gòu)中能夠減少鋼材料的應(yīng)用，進(jìn)而減輕汽車車身的重量。一般鋼的強化主要借助于下列集中有效途徑。

2.1.1 加碳強化

我們知道，鋼中的碳含量不同，鋼的強度也就不同，要想有效控制鋼的強度，就必須通過增加或者減少碳的百分比?；诖?，可以將鋼材料中的珠光體比例提升，使鐵元素的含量有所降低，進(jìn)而提高鋼強度。

2.1.2 合金強化

將各類合金融合到鋼中也能使鋼強度得到極大的提高，并且合金元素不同，鋼性能也不相同。因此，在鋼中添加種類不同的合金可以擴展鋼的使用范圍。

2.1.3 固溶強化

在鋼中融入錳元素、硅元素或磷元素等也能夠有效提升鋼的強度，這也是一種提高鋼性能的有效方法。

2.1.4 熱處理強化

通過溫度的變化可以使得金屬的物理結(jié)構(gòu)有很大的改變，在冷熱交替的條件下，能夠提升鋼強度。此外，經(jīng)過熱處理也能夠使得鋼中碳元素以及其它元素百分比有所改變，進(jìn)而鋼內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)許多層各種性質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

2.1.5 應(yīng)力強化

在鋼受到相應(yīng)的拉力作用以后，極有可能極大的提升其屈服強度。這是由于鋼材料在相應(yīng)的應(yīng)力作用后，其表面會有殘存應(yīng)力，殘存的應(yīng)力能夠使得鋼在使用過程中所受的扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力得以抵消，進(jìn)而提升鋼的性能。

應(yīng)用高強度鋼的部件主要是車身外殼，其具有提升汽車外殼強度和經(jīng)濟性的優(yōu)勢。但高強度鋼沒有較好的抗腐蝕性。加之，鎂鋁合金等各種新材料的應(yīng)用受到限制，所以高強度鋼必將會長時間應(yīng)用在汽車生產(chǎn)制造中。

2.2 汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕量化設(shè)計中球墨鑄鐵的應(yīng)用

相同體積的球墨鑄鐵比鋼的重量低，大概為鋼重的90%，所以在進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)用球墨鑄鐵取代鋼材料能夠極大的減輕汽車車身的重量?，F(xiàn)階段，全球范圍內(nèi)的汽車企業(yè)以及相應(yīng)的研發(fā)部門都在進(jìn)行實驗，以求球墨鑄鐵可以全面取代鋼材料在汽車制造中的應(yīng)用。此外，球墨鑄鐵還具有使許多零件集成為一個零件的特點。

2.3 汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕量化設(shè)計中鋁及鋁合金的應(yīng)用

通過適當(dāng)比例的鋁及鋁合金來替換鋼材料也可以在減輕汽車車身的重量，由于鋁及鋁合金性能比鋼差得多，所以應(yīng)用也較為困難。當(dāng)前，為了使得鋁及鋁合金能夠在汽車制造中得到廣泛的應(yīng)用，相關(guān)人員紛紛開始鋁材料的研究：第一，對大型鋁材和汽車車身的研究；第二，對鋁材料在汽車車門替代鋼的研究；第三，汽車零件的鋁化研究。如果用鋁及鋁合金全面替代鋼材料，就能夠讓汽車減重30%-40%。不過鋁及鋁合金材料的應(yīng)用還不夠成熟，必須要積極研發(fā)才能夠全面替代鋼材料。

2.4 汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕量化設(shè)計中鎂及鎂合金的應(yīng)用

就金屬化學(xué)性質(zhì)而言，鎂具有極小的密度，是當(dāng)下重量最小的金屬，比鋼的強度大，且還易于加工、具有較強的抗腐蝕能力以及減振能力。由此可見，鎂無疑是最好的汽車制造的輕量化材料。不僅如此，鎂合金的熔點和密度都極低，在進(jìn)行融化時極大的降低了能耗，適用于復(fù)雜的加工。用鎂合金取代鋁、鋼等材料是極其有利的，能夠極大的降低車重，同時還能夠提升車體的強度。另外，鎂合金的回收也比較方便，鎂和鎂合金必將成為極其重要的汽車生產(chǎn)加工材料。

2.5 汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕量化設(shè)計中鈦合金的應(yīng)用

受其物理性質(zhì)的影響，鈦是比較稀缺的金屬，其熔點高達(dá)1600℃，因此鈦被當(dāng)做耐熱材料使用。另外，鈦的機械性能較好，具有極強的抗腐蝕能力，所以在許多工程中有著廣泛的應(yīng)用。通過鈦合金生產(chǎn)加工而成的汽車零部件具有重量小、減振性能優(yōu)良和使用壽命長的特點。起始階段，鈦合金僅僅應(yīng)用在賽車部件上，能夠提升賽車的性能。隨著技術(shù)的進(jìn)步，鈦研發(fā)技術(shù)愈加純熟，開始廣泛應(yīng)用在車門、消音器和相應(yīng)的裝飾部件上。 當(dāng)然，由于鈦的提煉極難，只能在部分零件上使用鈦合金不能全面應(yīng)用于汽車制造上。

2.6 汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕量化設(shè)計中精細(xì)陶瓷的應(yīng)用

精細(xì)陶瓷是純度極高的精細(xì)粉末通過特殊的工藝加工而成的，它不是金屬材料，不過卻有極高的機械性能，通常應(yīng)用在汽車傳感器和發(fā)動機上。

2.7 汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕量化設(shè)計中塑料的應(yīng)用

目前，汽車部件中也有應(yīng)用到塑料，一般用于汽車保險杠上，借助于聚丙烯，填充石灰粉在保險杠上可以降低結(jié)構(gòu)密度，所以通過塑料替換金屬材料可以降低車身重量，而且塑料也有一定強度。可以應(yīng)用在車燈、方向盤等汽車飾品上。

2.8 汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕量化設(shè)計中復(fù)合材料的應(yīng)用

在汽車領(lǐng)域不斷發(fā)展過程中，汽車輕量化的主要方向是復(fù)合型材料在汽車制造上的應(yīng)用研究。由于復(fù)合材料具有強度高、性能好、易成型的特點，因此全球汽車領(lǐng)域的汽車輕量化設(shè)計開始越來越重視復(fù)合材料的應(yīng)用。復(fù)合材料應(yīng)用在汽車結(jié)構(gòu)中較成功的例子是道奇SRT-10 了，它綜合使用了許多復(fù)合材料和相應(yīng)的生產(chǎn)技術(shù)。在汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計制造中應(yīng)用最廣泛的材料有玻璃纖維增強材料、碳纖維增強材料和有機合成纖維復(fù)合材料等。

3 輕量化技術(shù)

3.1 借助于結(jié)構(gòu)設(shè)計使得汽車結(jié)構(gòu)輕量化得以實現(xiàn)

在汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計過程中，必須要借助先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)和工程結(jié)構(gòu)，這是實現(xiàn)汽車輕量化的重要路徑之一。例如將夾層鋼板應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)內(nèi)，可以節(jié)省材料，節(jié)約能源。鎂鋁合金以及高強度鋼材料是汽車夾層鋼板外層結(jié)構(gòu)的主要材料，并且夾層采用網(wǎng)楞型的鋼板，不但有極輕的重量，并且能夠很好的隔音。

3.2 借助于零件集成使得汽車結(jié)構(gòu)輕量化得以實現(xiàn)

要想實現(xiàn)汽車強度及性能都不降低的同時減輕車身重量，應(yīng)用零件集成也不失為一種好方法。將許多比較容易成型且易加工的材料集成為一體，能夠使汽車車身重量得到極大的降低，同時也簡化了汽車零件的加工步驟，減少成本的投入。許多塑料材料以及鑄件都具備易成型、易加工的特性。比如借助于拼焊板技術(shù)使具備各種性能的鋼板拼接于一體，能夠提升其強度，而且具有較強的抗腐蝕性，此外還可以減少零件數(shù)量以及加工步驟，降低成本投入。

3.3 借助于改進(jìn)連接方式使得汽車結(jié)構(gòu)輕量化得以實現(xiàn)

一般許多零部件集成為一體也是一種連接改進(jìn)方法，借助于對零部件連接方式的改進(jìn)也可以減輕車重，實現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)的輕量化。

4 總結(jié)

總之，在對汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計過程中，必須要保證車身具備較高的強度，需要結(jié)合節(jié)能環(huán)保以及行車安全的需要進(jìn)行設(shè)計。另外，還必須要結(jié)合材料的優(yōu)劣以及性能需要來選擇相應(yīng)的技術(shù)。