汽車設(shè)計(jì)中的輕量化技術(shù)研究

摘要：輕量化技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中具有重要的作用，該技術(shù)通過降低汽車重量，可以實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性的提升、電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的增加、性能和安全性的提升，同時(shí)推動(dòng)汽車工業(yè)向可持續(xù)發(fā)展的方向邁進(jìn)。首先對輕量化技術(shù)進(jìn)行概述，分析了輕量化材料，然后闡述了汽車設(shè)計(jì)中的輕量化應(yīng)用情況，最后指出了汽車輕量化設(shè)計(jì)的趨勢。

關(guān)鍵詞：汽車設(shè)計(jì)；輕量化技術(shù)；應(yīng)用研究

中圖分類號：U462? 收稿日期：2023-05-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.008

1 輕量化技術(shù)的概述

1.1 輕量化的定義和意義

輕量化是指在保持或提高汽車性能的前提下，通過使用輕量材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝等手段來減少汽車整體重量的過程。它是一種技術(shù)策略，旨在實(shí)現(xiàn)汽車在不同方面的綜合性能提升，并滿足環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的需求。

輕量化在汽車設(shè)計(jì)中具有重要的意義：a.提高燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性。通過減輕汽車的整體重量，可以降低燃料消耗，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少二氧化碳和污染物的排放，從而降低對環(huán)境的影響。b.增加電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程。電動(dòng)汽車的續(xù)航里程是用戶關(guān)注的重要指標(biāo)之一。由于電池的能量密度和容量限制，減輕整車重量對于提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程至關(guān)重要。通過采用輕量化技術(shù)，可以減少電池的負(fù)荷，延長電池的使用時(shí)間，提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。c.提升汽車性能。減輕汽車重量可以改善加速性能、剎車性能、操控性能和轉(zhuǎn)向響應(yīng)等方面的性能。較低的慣性質(zhì)量可以提高車輛的敏捷性和靈活性，使駕駛更加舒適和安全。d.提高乘坐舒適度和安全性。輕量化設(shè)計(jì)可以改善懸掛系統(tǒng)和底盤的負(fù)荷分布，減少車輛震動(dòng)和噪音，提高乘坐舒適度。此外，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料應(yīng)用，可以提升汽車的碰撞安全性能，提供更好的保護(hù)和乘客安全。

1.2 輕量化對汽車性能的影響

a.加速性能。較輕的車輛需要更小的動(dòng)力來推動(dòng)，提升加速性能。減輕汽車重量可以減少慣性質(zhì)量，從而提高加速性能，使汽車更具靈敏度和反應(yīng)性。b.操控性能。較輕的車輛具有更低的慣性質(zhì)量，更容易轉(zhuǎn)向和操控。輕量化設(shè)計(jì)可以提高汽車的操控性能，使駕駛體驗(yàn)更加靈活、舒適和安全。c.剎車性能。輕量化可以減少車輛的質(zhì)量，減少制動(dòng)時(shí)的慣性力，可以提高制動(dòng)性能和制動(dòng)距離的控制，增強(qiáng)車輛的安全性。d.車輛穩(wěn)定性。減輕車輛重量可以改善車輛的重心和重量分布，提高車輛的穩(wěn)定性。e.懸掛和減震性能。減輕汽車重量可以減少懸掛系統(tǒng)的負(fù)荷，提高懸掛和減震系統(tǒng)的效率，改善車輛在不平路面上的行駛穩(wěn)定性、減少車身的震動(dòng)和提高乘坐舒適性［1］。

2 輕量化材料

2.1 金屬材料的輕量化應(yīng)用

a.鋁合金。鋁合金是一種輕量、高強(qiáng)度的金屬材料，具有良好的可塑性和耐腐蝕性。在汽車輕量化中，鋁合金廣泛用于車身和底盤等部位。使用鋁合金車身面板可以顯著減輕車輛重量，并提高燃油經(jīng)濟(jì)性。鋁合金可以用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、曲軸箱和傳動(dòng)零件等，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，提高動(dòng)力性能。鋁合金制造的懸掛和制動(dòng)部件具有較低的質(zhì)量，有助于減少懸掛和制動(dòng)系統(tǒng)的慣性質(zhì)量，提高懸掛系統(tǒng)的效率和車輛操控性能。

b.高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度鋼是一種強(qiáng)度較高的鋼材，具有優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度和剛性。在汽車輕量化中，高強(qiáng)度鋼被廣泛應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)和安全部件，以提供更輕、更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。使用高強(qiáng)度鋼可以減少車身結(jié)構(gòu)的重量，同時(shí)提供足夠的剛度和強(qiáng)度，確保乘客安全。高強(qiáng)度鋼制造的碰撞梁能夠吸收和分散碰撞能量，保護(hù)車輛內(nèi)部的乘客。

2.2 復(fù)合材料的輕量化應(yīng)用

a.碳纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料由碳纖維和樹脂基體組成，具有高強(qiáng)度、高剛度和低密度的特點(diǎn)。在汽車輕量化中，碳纖維復(fù)合材料可以用于制造車身面板，如車門、車頂、引擎蓋等。它們具有輕質(zhì)高強(qiáng)度的特點(diǎn)，能夠顯著減輕車輛重量。碳纖維復(fù)合材料可以用于制造底盤和懸掛部件，如懸掛臂、穩(wěn)定桿等。它們可以提供更高的剛度和強(qiáng)度，改善懸掛系統(tǒng)的性能。

b.玻璃纖維復(fù)合材料。玻璃纖維復(fù)合材料由玻璃纖維和樹脂基體組成，具有良好的強(qiáng)度、剛度和耐腐蝕性。在汽車輕量化中，玻璃纖維復(fù)合材料可以用于制造車身結(jié)構(gòu)件，如車身框架、安全梁等。它們具有良好的抗沖擊性和吸能能力，有助于提高車輛的安全性能。玻璃纖維復(fù)合材料可以用于制造車輛的內(nèi)飾件，如儀表板、門板等。它們具有較低的重量和良好的表面質(zhì)量，提供舒適的乘坐體驗(yàn)［2］。

3 輕量化在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

3.1 輕量化車身設(shè)計(jì)

a.采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，如拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等，來優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，使其在承載和應(yīng)力分布方面更加高效。通過減少材料的使用量和改變零件的形狀，可以顯著降低車身的重量。b.研究不同材料的性能特點(diǎn)和適用范圍，選擇合適的輕量化材料用于車身設(shè)計(jì)，如高強(qiáng)度鋼、鋁合金、碳纖維復(fù)合材料等。研究如何將這些材料應(yīng)用于不同部位，如車身框架、車身面板、懸掛系統(tǒng)等，以實(shí)現(xiàn)最佳的輕量化效果。c.研究不同材料的組合和連接技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)材料的最佳利用和協(xié)同作用。例如，采用混合連接、鉚接、粘接等技術(shù)，將不同材料的部件有效地連接在一起，形成輕量化車身結(jié)構(gòu)。d.研究車身結(jié)構(gòu)與其他系統(tǒng)的緊密集成，以減少部件數(shù)量和重量。通過整合設(shè)計(jì)和制造過程，優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)與其他系統(tǒng)的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)整車輕量化的綜合效果。

3.2 輕量化底盤設(shè)計(jì)

a.采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，如拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等，來優(yōu)化底盤結(jié)構(gòu)，使其在承載和應(yīng)力分布方面更加高效。通過減少材料的使用量和改變零件的形狀，可以顯著降低底盤的重量。b.研究不同材料的性能特點(diǎn)和適用范圍，選擇合適的輕量化材料用于底盤設(shè)計(jì)，包括高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金等。研究如何將這些材料應(yīng)用于底盤各個(gè)部位，如車輪懸掛系統(tǒng)、橫梁、托盤等，以實(shí)現(xiàn)最佳的輕量化效果。c.研究懸掛系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)，包括減輕懸掛部件的重量、優(yōu)化懸掛結(jié)構(gòu)和材料的選擇，以提高懸掛系統(tǒng)的效率和性能。例如，采用輕量化材料制造懸掛臂、減震器桿等部件，優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)以減少質(zhì)量和慣性。d.研究適用于輕量化底盤制造的新工藝和工程技術(shù)，以滿足材料特性和結(jié)構(gòu)要求。例如，采用先進(jìn)的成形技術(shù)和連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輕量化材料的高效制造和組裝。e.研究輕量化底盤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性能，通過數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測試等方法，評估底盤結(jié)構(gòu)在各種路況和負(fù)載條件下的應(yīng)力和變形情況。這有助于確保輕量化底盤在保證強(qiáng)度和耐久性的前提下減輕重量。

3.3 輕量化動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

a.通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如減少部件數(shù)量、優(yōu)化零件形狀和布局等來降低發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。例如，采用輕量化材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、曲軸和連桿等部件，同時(shí)優(yōu)化內(nèi)部流體動(dòng)力學(xué)，以提高燃燒效率和動(dòng)力輸出。b.在電動(dòng)汽車中，電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)非常重要。研究電池、電機(jī)和電控系統(tǒng)的輕量化技術(shù)，如使用高能量密度的電池材料、減少電機(jī)的重量和體積、優(yōu)化電控系統(tǒng)的功率密度等，以提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程和性能。c.優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減輕傳動(dòng)系統(tǒng)的重量，提高傳動(dòng)效率和動(dòng)力輸出。研究采用輕量化材料制造傳動(dòng)齒輪、軸等部件，優(yōu)化齒輪比和傳動(dòng)比例，以減少傳動(dòng)損耗和提高傳動(dòng)效率。d.研究輕量化排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括減輕排氣管、消聲器和渦輪增壓器等部件的重量。優(yōu)化排氣管的材料選擇和構(gòu)造，以減少排氣系統(tǒng)的質(zhì)量，提高排氣流動(dòng)性能，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出。e.研究輕量化冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括減輕散熱器、水泵和管道等部件的重量，用以優(yōu)化散熱器的材料和結(jié)構(gòu)，提高冷卻效率，減少冷卻系統(tǒng)的負(fù)荷和重量。f.優(yōu)化潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減輕潤滑油箱、油泵和油管等部件的重量。研究輕量化潤滑油和潤滑油泵的材料和結(jié)構(gòu)，以減少潤滑系統(tǒng)的重量和功耗。

3.4 輕量化內(nèi)飾設(shè)計(jì)

a.研究使用輕量化材料替代傳統(tǒng)內(nèi)飾材料，如塑料、紡織品和天然材料等。輕量化內(nèi)飾材料包括高性能塑料、碳纖維復(fù)合材料、鋁合金和鎂合金等。這些材料具有較低的密度和優(yōu)良的強(qiáng)度特性，可有效減輕內(nèi)飾部件的重量。b.通過優(yōu)化內(nèi)飾部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如減少零件數(shù)量、優(yōu)化零件形狀和減薄材料厚度等，實(shí)現(xiàn)內(nèi)飾部件的輕量化。例如，使用蜂窩結(jié)構(gòu)、骨架結(jié)構(gòu)和中空結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)原理，減少材料使用量，同時(shí)提供足夠的強(qiáng)度和剛度。c.研究將多個(gè)內(nèi)飾功能整合到一個(gè)部件中，減少部件數(shù)量和重量。例如，將儀表板與中央控制面板整合，將儲物格與門板整合，以減少組件重量和空間占用。d.通過精簡設(shè)計(jì)和輕型化構(gòu)造的方法，優(yōu)化內(nèi)飾部件的造型和構(gòu)造，減少不必要的材料使用，提高內(nèi)飾部件的性能和輕量化效果。例如，采用開孔設(shè)計(jì)、切削減薄和結(jié)構(gòu)中空化等手段，降低材料的質(zhì)量和厚度［3］。

4 輕量化技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

4.1 新材料的發(fā)展

復(fù)合材料是輕量化領(lǐng)域的重要材料之一，未來將繼續(xù)發(fā)展更先進(jìn)的復(fù)合材料，如碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料、納米纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。這些材料具有出色的強(qiáng)度、剛度和輕質(zhì)化特性，可以實(shí)現(xiàn)更高水平的輕量化設(shè)計(jì)。金屬材料也將繼續(xù)發(fā)展，以滿足輕量化需求。例如，新型鋁合金、鎂合金和鈦合金等材料將不斷改進(jìn)，提供更高的強(qiáng)度、更低的密度和更好的耐腐蝕性，以應(yīng)用于汽車輕量化設(shè)計(jì)中。高性能塑料具有輕質(zhì)化、高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐熱性和耐腐蝕性等特點(diǎn)。在未來，新型高性能塑料的開發(fā)將提供更多的選擇，以替代傳統(tǒng)的金屬材料，實(shí)現(xiàn)更大程度的輕量化。納米材料是近年來快速發(fā)展的領(lǐng)域，具有出色的力學(xué)性能和特殊的物理化學(xué)特性。納米材料的應(yīng)用可以在微觀層面改善材料的性能，并提供更大的強(qiáng)度-重量比。因此，納米材料有望在輕量化領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。生物材料是一類以生物來源或仿生設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的材料，具有輕量化、可再生和可降解等特點(diǎn)。在未來，生物材料的開發(fā)將為汽車輕量化提供更具可持續(xù)性和環(huán)保性的選擇。

4.2 先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用

a.3D打印技術(shù)（也稱為增材制造）可以直接將數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體零件，具有快速、靈活、可定制化和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。在輕量化領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以用于制造復(fù)雜形狀的輕量化部件，如蜂窩結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和骨架結(jié)構(gòu)等，以減少材料使用量并提高零件的強(qiáng)度和剛度。b.自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)在汽車制造過程中的應(yīng)用不斷增加。自動(dòng)化生產(chǎn)線和機(jī)器人系統(tǒng)可以提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，并減少人為錯(cuò)誤。在輕量化制造中，自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)可以用于材料處理、組件裝配、焊接和涂裝等工藝，實(shí)現(xiàn)更高效和精確的生產(chǎn)過程。c.激光切割和焊接技術(shù)是一種精確、高效的加工方法。在輕量化制造中，激光切割可以用于剪切和形狀修整輕量化材料，如復(fù)合材料和高強(qiáng)度鋼板。激光焊接可以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、低熱影響的連接，用于制造輕量化部件和結(jié)構(gòu)。

4.3 智能化和數(shù)字化設(shè)計(jì)的發(fā)展

a.虛擬設(shè)計(jì)和仿真。通過建立數(shù)字化模型和仿真技術(shù)，可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和仿真分析，包括車輛性能模擬、碰撞測試、流體動(dòng)力學(xué)分析等。這可以幫助工程師在設(shè)計(jì)階段預(yù)測和評估產(chǎn)品性能，減少開發(fā)周期和成本，并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。b.3D建模和可視化。借助三維建模軟件和可視化技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以創(chuàng)建精確的三維模型，以更好地理解和展示設(shè)計(jì)概念。這使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠更直觀地評估和修改設(shè)計(jì)，提高溝通效率，并更好地滿足客戶需求。c.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。智能化和數(shù)字化設(shè)計(jì)將大量的數(shù)據(jù)整合到設(shè)計(jì)過程中。通過收集和分析來自傳感器、仿真測試和實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)，可以提供更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)指導(dǎo)和決策支持。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)可以幫助優(yōu)化產(chǎn)品性能、改善用戶體驗(yàn)，并提供個(gè)性化的解決方案。d.協(xié)同設(shè)計(jì)與遠(yuǎn)程協(xié)作。智能化和數(shù)字化設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同工作和遠(yuǎn)程協(xié)作。通過云計(jì)算和協(xié)同平臺，設(shè)計(jì)師可以同時(shí)在不同地點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和修改，并實(shí)時(shí)共享設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和信息。這有助于加快設(shè)計(jì)和開發(fā)過程，提高團(tuán)隊(duì)的協(xié)作效率［4］。

5 結(jié)語

輕量化技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中具有重要性，能夠顯著減少車輛重量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性能和減少環(huán)境污染。研究輕量化技術(shù)的應(yīng)用能夠促進(jìn)汽車行業(yè)向更高效、更環(huán)保的方向發(fā)展，同時(shí)提升產(chǎn)品的競爭力和用戶體驗(yàn)。此外，研究還可以推動(dòng)新材料、新工藝和新技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)進(jìn)步，為未來智能化、電動(dòng)化和可持續(xù)交通的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

韓萍，女，1979年生，副教授，研究方向?yàn)槠嚲S修工程教育。