汽車輕量化技術綜述

防空兵指揮學院 張純亮 李臨涪 李

汽車輕量化技術綜述

國際能源署（IEA）預測，2030年全球交通領域石油的消耗將占石油總消耗量的57%。2009年中國汽車年產銷量躍居世界第一，據預測，2020年中國汽車保有量預計突破1.5億輛，汽車年耗油量將突破2.5億t。但是隨著汽車總量和新增量的不斷增加，汽車二氧化碳排放量在二氧化碳排放總量中的比例快速提高，汽車與能源、環境之間的矛盾已成為制約汽車產業可持續發展的突出問題。面對低碳時代的到來和節能減排的巨大壓力，汽車輕量化是實現節能減排目標最現實、最有效的途徑之一，也是世界汽車發展的潮流。

一、汽車輕量化概念

汽車輕量化（Lightweight of Automobile）并非只是簡單地降低汽車重量，事實上，諸如碳纖維代表當今最先進的汽車技術，汽車輕量化技術包含了許多的新理論、新材料、新工藝。汽車輕量化是在保證汽車強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的質量，從而提高汽車的動力利用率，減少燃料消耗，降低排氣污染。并且，汽車輕量化還能提高汽車的駕乘動力學性能（如加速、制動、過彎穩定性、碰撞慣性等），而這類性能的改善一直是車輛設計者、制造商和用戶孜孜追求的目標。

權威研究顯示，若汽車整車重量降低10%，其燃油效率可提高6%～8%；汽車整備質量每減少100kg，其百公里油耗可降低0.3～0.6L，二氧化碳排放可減少約5g/km。

二、汽車輕量化的技術實現

汽車輕量化主要使用高強輕質的新型材料，采用現代先進的制造技術，通過優化車身結構及零部件結構的輕量化設計，來實現輕量化。

使用輕質材料是實現汽車輕量化的主要途徑之一。應用于汽車輕量化設計的材料主要有兩大類：一類是低密度的輕質材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料和復合材料等；另一類是高強度材料，如高強度鋼等。目前，已得到工業化應用的輕量化材料主要有鋁合金、高強度鋼、鎂合金和塑料、樹脂基復合材料等。

輕量化設計主要采用CAD/CAE/CAM一體化技術將離散拓撲優化與結構尺寸優化相結合，運用有限元分析技術進行剛度和強度分析，結合參數反演技術、多目標全局優化等現代汽車設計方法，對汽車總體結構進行分析和優化。在滿足設計性能要求的前提下，盡可能使零部件薄壁化、中空化、小型化、復合化，以獲得最輕的結構設計。

輕量化材料成形技術是指為了滿足高強度材料的應用以及實現零件集成化設計而采用的技術。目前應用較為廣泛的技術有激光拼焊（TWB）、熱壓成形（HPF）、液壓成形（HF）、粉末冶金等技術，借助這些技術不僅可以實現輕量化，還可以明顯提高整車的安全性。

三、車身輕量化

汽車設計中選用高強度鋼以及鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕質材料，采用先進的制造工藝，使用基于新材料加工技術而成的輕量化結構用材，如連續擠壓變截面型材、內高壓成形（液壓脹形）件、金屬基復合材料板、激光拼焊板成形等，也是達到汽車輕量化目標的重要途徑。例如，最新一代的奧迪A8，采用了ASF鋁合金空間桁架車身結構，不僅車身減重6.5kg，更使整體結構剛性提高25%，同時也提高了汽車的吸能和制動效果。

四、發動機與底盤輕量化

發動機和底盤是汽車的核心部件。發動機和底盤的輕量化通常采用拓撲優化的方法優化其零部件，目的是在強度、剛度不變的情況下減輕重量，或在質量不變的情況下提高強度、剛度。目前，普遍選用鋁合金、鎂鋁合金甚至復合材料結構代替笨重的鑄鐵發動機部件，全鋁合金的發動機逐漸成為主流。寶馬大部分車型上的發動機都采用了鋁合金材料和其獨創的鎂鋁合金材料。裝載在M3系列的V8發動機，使用了硅鋁合金壓鑄曲軸、硅晶體汽缸襯墊等輕量化零件，將發動機的重量低至202kg。發動機的外附件如進氣管、氣門室罩蓋、油底殼，進氣歧管等，大量選用塑料、玻璃纖維增強尼龍等非金屬材料，使發動機進一步輕量化。

汽車底盤采用高強度鋼，鋁合金、碳纖維等材料成為趨勢。例如，奧迪公司的A8型豪華轎車，改用新型的鋁合金底盤比改造前重量減輕了約200kg；日產Yuki-onna概念車底盤更是采用了碳纖維材料。當前，底盤輕量化主要是用鋁合金材質的控制臂代替傳統的鋼材質控制臂。例如，寶馬Z4跑車前懸掛采用鋁合金材質的雙控制臂結構，重量比普通鋼制車減輕了約30%，既能保證強度，又能提升車輪回彈速度。

五、功能件、結構件與裝飾件的輕量化

為實現汽車最大輕量化，塑料及其復合材料、輕質材料被大量應用于功能件、結構件與裝飾件中。保險杠、車輪罩、導流板等主要外裝飾件，儀表板、車門內板、雜物箱蓋、坐椅、后護板等主要內裝飾件，油箱、散熱器水室、空氣過濾器罩、風扇葉片等功能件與結構件，都已經或正在逐步實現“以塑代鋼”。車廂底板結構件、車身面板、發動機散熱器、空調冷凝器、座椅骨架、方向盤骨架等結構件，也已開始采用鎂合金壓鑄件。

汽車輕量化是汽車發展實現節能減排的必然潮流。目前，歐洲的汽車制造商正在進行“超輕型汽車”工程，力爭減輕車重30%。我國也成立了“汽車輕量化技術創新戰略聯盟”（簡稱輕量化聯盟），以產、學、研結合的有效機制探索和促進汽車輕量化。但是，汽車輕量化是一項復雜的系統工程，目前我國汽車輕量化技術無論是在理論研究方面還是在實際應用方面均與國外存在較大差距。不斷開發應用型新材料，創新發展汽車零部件設計理論、制造技術和工藝水平，實現以最低成本獲得最佳輕量化效果，將是我國汽車制造的發展方向。