汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕量化設(shè)計探析

蔣天翔

摘要：近年來，我國國民經(jīng)濟(jì)增長迅速，國家綜合實(shí)力顯著提高。在汽車行業(yè)，科學(xué)技術(shù)的革新發(fā)展，使得汽車的設(shè)計技術(shù)得到有效發(fā)展，汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計逐漸朝著結(jié)構(gòu)輕量化的方向發(fā)展。本文從兩個方面介紹汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕量化設(shè)計途徑以及在實(shí)際中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：汽車產(chǎn)業(yè);結(jié)構(gòu)設(shè)計;輕量化設(shè)計;實(shí)際應(yīng)用

前言：現(xiàn)階段，汽車逐漸成為人們?nèi)粘３鲂械闹饕煌üぞ?，極大的改變了人們的生活方式。隨著社會的飛速發(fā)展，汽車的保有量顯著增多。汽車在為人們出行帶來便利的同時，也產(chǎn)生了不少的問題，其中油耗及排放等問題越發(fā)受到社會的強(qiáng)烈關(guān)注。而與油耗及排放密切相關(guān)的則是汽車的重量，有關(guān)資料顯示，若汽車整車重量降低10%，油耗可降低6～8%。因此開展輕量化設(shè)計，其目的就是幫助降低汽車整體質(zhì)量，強(qiáng)化其動力性和安全性，從而降低油耗和排放，使得汽車的經(jīng)濟(jì)型及環(huán)保性得以提高。輕量化設(shè)計作為一種新型汽車技術(shù)，滿足新時代汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，對于推動汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展有著重要意義。

一、結(jié)構(gòu)輕量化

（一）利用結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)輕量化

降低汽車整體質(zhì)量，可以通過優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，從而降低汽車的零件數(shù)量或者制造過程中的用材來降低整車重量，這也是推動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要途徑。比如，通過夾層鋼板，在汽車結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，可以節(jié)約能源和材料，從而降低工藝成本[1]。簡單來講，夾層鋼板的外層材料一般為鋁合金、高強(qiáng)度鋼等，其硬度比較強(qiáng)，有著較好的承載能力。但是其內(nèi)層鋼板一般采用網(wǎng)狀菱形鋼板，因此該種設(shè)計結(jié)構(gòu)的零件重量相對較輕，從而達(dá)到降低重量的目前，且該結(jié)構(gòu)有著非常良好的隔音效果，其減震效果也比較好。目前廣泛應(yīng)用于汽車車身及零部件的設(shè)計制造當(dāng)中。

（二）改進(jìn)連接方式實(shí)現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)輕量化

在設(shè)計過程中，要想實(shí)現(xiàn)汽車的整體重量降低，可以通過減小零件重量或者減少零件的使用等方式來實(shí)現(xiàn)，此外，改變零件之間的連接方式也可以實(shí)現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)的輕量化。通常情況下，如果需要將多個零件進(jìn)行集成，最為簡單便捷的方式就是改變連接方式，比如零件連接結(jié)構(gòu)中，如果采用點(diǎn)焊連接結(jié)構(gòu)代替螺紋連接結(jié)構(gòu)，可以省去螺栓、螺母等連接零件，從而達(dá)到降低整體重量的目的。

（三）采用零件集成實(shí)現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)輕量化

在保障汽車原本的性能以及車身強(qiáng)度的前提下，盡可能的降低汽車整體的重量，在設(shè)計過程中，可以選擇多種設(shè)計方式達(dá)到此目的。比如選擇容易加工和成型的材料，通過新型工藝，將各類材料集成在一起，通過這種方式，不但能夠大幅度降低汽車質(zhì)量，還可以幫助汽車設(shè)計減去繁瑣的工序流程，縮減一些不必要的設(shè)計環(huán)節(jié)，使得工藝成本得到減低。在選擇材料時，最好選擇與鑄件和塑料材質(zhì)類似的材料[2]。比如，目前較為常見的拼焊板成形技術(shù)，將多個不同性能具有超高強(qiáng)度的鋼板結(jié)合實(shí)際的設(shè)計要求進(jìn)行拼裝整合，通過鋼板集成，不但讓汽車車身的強(qiáng)度大大增加，還縮減了加工程序，其工藝要求也得到減低，最終實(shí)現(xiàn)降低成本的目標(biāo)。

二、材料輕量化

（一）高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用

汽車結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中，使用最為頻繁的就是鋼材，而通過應(yīng)用強(qiáng)度較大的鋼材，可以在保證同等強(qiáng)度要求的前提下降低汽車制造中鋼的使用量。在汽車車身及零部件制造中提升高強(qiáng)度鋼的使用比例，對于實(shí)現(xiàn)整車重量降低有著積極作用。一般情況下，提升鋼材的強(qiáng)度有幾種方式：其一，控制碳的含量。由于鋼的強(qiáng)度和炭的含有量存在密切聯(lián)系。如果想要提高鋼的強(qiáng)度，需要對其含碳量進(jìn)行把控。其二，加強(qiáng)合金。向鋼內(nèi)添加某些金屬元素，可以有效提升鋼的強(qiáng)度，不同材質(zhì)的合金，對于鋼的強(qiáng)度的提升效果也不同，能夠使鋼的適用范圍顯著提高[3]。其三，基于熱處理技術(shù)加強(qiáng)鋼的強(qiáng)度。鋼在經(jīng)歷冷熱交替后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，也可以使得強(qiáng)度增加。其四，鍛壓工藝處理，可以使鋼材的質(zhì)地緊密，同樣也可以提升鋼的強(qiáng)度。

（二）鋁合金的應(yīng)用

由于鋁合金材料具有較小的密度，在汽車上對強(qiáng)度要求不高的部位使用鋁合金替代鋼鐵等密度較大的金屬材料，能夠有效的降低汽車整體質(zhì)量。值得注意的是，由于鋁合金強(qiáng)度較小，無法大量應(yīng)用。因此，為提高鋁的強(qiáng)度，可以開展研究工作。具體內(nèi)容包括：其一，針對整個車體或者較大體型的鋁材進(jìn)行研究。其二，將汽車的剛性結(jié)構(gòu)全部鋁性化，其三，實(shí)現(xiàn)整體零件的鋁化。通常情況下，人們針對汽車結(jié)構(gòu)的要求是實(shí)現(xiàn)全部零件的全部鋁化。通過這種方式，可以幫助汽車零件減少30%到50%的重量，如果將鋁化設(shè)計應(yīng)用到汽車零件，可以減輕40%的重量;將鋁化應(yīng)用到車身，能夠減輕60%的重量，這些輕量化措施對于降低整車重量有著明顯的作用。在實(shí)際工作中，如果汽車整車都采用鋁合金材料，由于鋁合金強(qiáng)度較低，使得應(yīng)用效果差強(qiáng)人意，比如應(yīng)用鋁材質(zhì)打造汽車結(jié)構(gòu)，雖然降低車身質(zhì)量，但是其承載能力也會隨著降低，因此在進(jìn)行汽車設(shè)計時，鋁合金一般應(yīng)用于對強(qiáng)度要求不高的部位。

（三）球墨鑄鐵的應(yīng)用

球墨鑄鐵的密度只有鋼的90%，所以將其應(yīng)用在汽車車身及零部件的制造時，也會降低汽車的重量。目前，球墨鑄鐵由于其強(qiáng)度較高，而密度較低，已被世界各國所廣泛關(guān)注，越來越多的汽車生產(chǎn)商開始在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中利用球墨鑄鐵來代替鋼的使用，從而達(dá)到降低車體重量的目的[4]。除此之外，該材質(zhì)有著較為獨(dú)特的特點(diǎn)，能夠?qū)⒍喾N不同的零件集成，組合為一個零件，不但可以縮減零件的使用量，還可以讓汽車零件的重量得到降低，從而使汽車整體質(zhì)量降低，實(shí)現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。

結(jié)束語

總而言之，我國作為汽車生產(chǎn)大國，在汽車保有量不斷增加的同時，更要注意生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，因此在降低汽車油耗和排放方面，顯得格外重要。在汽車設(shè)計方面，不僅要保證其具有良好的剛性強(qiáng)度，還要確保汽車性能低碳環(huán)保，應(yīng)用輕量化技術(shù)，提升汽車的設(shè)計水準(zhǔn)，選擇更為合適的材料，在滿足各種系統(tǒng)使用及強(qiáng)度需要的同時，降低整車的質(zhì)量，將是未來汽車設(shè)計及制造技術(shù)的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1]劉雨婷，胡代鈞，劉獻(xiàn)棟，etal.關(guān)于汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在輕量化極限的分析[J].汽車工程，2019（8）.

[2]依克熱木·阿木提.汽車輕量化技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展趨勢[J].汽車與配件，2018（20）.

[3]趙國偉.有限單元法在汽車產(chǎn)品輕量化設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].時代農(nóng)機(jī)，2019（5）.

[4]辛鵬.基于有限元分析的汽車零部件輕量化設(shè)計[J].南方農(nóng)機(jī)，2019（15）：133-133.