輕量化技術在汽車上的應用分析

劉建偉，史建鵬，石朝亮

（東風汽車公司 技術中心，武漢 430058）

輕型、節能、環保、安全、舒適、低成本成為各汽車制造廠家追求的目標，尤其是節能和環保更是關系人類的可持續發展的重要問題。輕量化技術可以有效提升車輛的節能和減排性能［1］，降低車輛的開發成本，因此，輕量化技術成為了國內外各汽車公司主要的研究課題。

國內外目前主要輕量化技術手段主要包括新材料、先進制造工藝以及結構優化技術的應用等。新材料和先進制造工藝的應用雖然輕量化效果顯著，但往往伴隨著成本的大幅提高。應用有限元等現代設計方法對結構優化設計進行指導設計，則在實現減重的同時一定程度上降低了研發成本。

本文從新材料、先進工藝的應用和結構優化設計等方面論述了輕量化技術的應用及發展趨勢，根據這些研究，探索性地提出了開發輕量化技術的模式和方法。

1 新材料的應用和發展

1.1 高強度鋼

將屈服強度在210～550 MPa范圍內的鋼定義為高強度鋼（HSS），屈服強度在550 MPa以上的鋼定義為超高強度鋼（UHSS）。目前應用在汽車車身上的高強度鋼鋼種主要有雙相鋼（DP）、復相鋼（CP）、馬氏體鋼（MART）、烘烤硬化鋼、熱沖壓硼鋼板、相變誘發塑性鋼（TRIP）等。

高強度鋼主要通過材料的晶相組織結構改變，達到提高材料強度性能（強度范圍500～1 600 MPa），并且具有較高的疲勞強度、碰撞吸收性能、高的減振減重潛能和低的平面各向異性等優點。如果使用高強度鋼板，在所要求的車身性能不變或略有提高的前提下，則鋼板構件的厚度可以減薄。相關研究表明，采用高強度鋼板，原厚度為1.0～1.2 mm的車身鋼板可減薄至 0.7～0.8 mm，車身重量減輕 15%～20%［2］。 國外汽車高強度鋼應用情況如表1所示，可以看出，高強度鋼板已得到了大量的應用。

表1 國外汽車高強度鋼應用情況

由于高強度鋼在強度、塑性、抗沖擊能力、回收使用及低成本方面具有綜合的優越性，決定了高強度鋼在汽車輕量化應用中的廣闊前景，實現汽車輕量的同時，又保證了安全性等。

1.2 輕質材料

1.2.1 鋁合金

汽車鋁合金零部件以鑄件為主，另外還包括少量的型材和板材，已占到整車備重的10%左右，其應用如表2所示，可以看出，鋁合金有著廣闊的應用空間。1994年，奧迪開發了具有里程碑意義的第一代全鋁空間框架 （Aluminum Space Frame，ASF）［3］，應用第一代ASF的Audi A8全鋁車身，其質量減輕了40%，只相當于普通中級轎車的水平，而全鋁空間框架設計卻使車身的靜態扭轉剛度提高了40%。

鋁合金雖然提高了汽車綜合性能，但同時也提高了整車成本。鋁材價格是鋼材的3倍以上，而且鋁制產品工藝流程復雜，不易控制，對每一個工序都必須嚴格監控，這都在一定程度上限制了鋁合金的大量應用。

表2 鋁合金在汽車零部件中的應用

1.2.2 鎂合金

與傳統汽車結構材料相比，鎂合金除擁有相對優異的比強度外，還具有優異的減振降噪性能。良好的鑄造性能和尺寸穩定性，使其可以澆鑄各種薄壁和復雜的零件，其模具使用壽命長，也使得以前需要多個零件組裝的部件可集成為單一部件，減少零件數量；良好的可加工性，可以降低加工成本［4］。

目前，鎂合金在構成汽車的發動機、動力傳動、行駛與轉向系統、內飾和車身等幾大系統上均有應用。歐洲正在使用和研制的鎂合金汽車零部件有60多種，單車上的鎂合金質量為9.3～20.3 kg，如儀表板骨架、轉向盤、氣缸體、氣缸蓋、進氣歧管、輪轂、車身部件等。而應用最早、最廣泛的領域，涉及變速器殼體、離合器殼體、分動器、軸變速器等諸多構件。

我國是鎂資源儲存最大的國家，具有較大的優勢。一汽、奇瑞等已率先實現了鎂合金方向盤骨架、儀表板橫梁的批量生產和某些車型上的批量應用［5-6］，如圖1、圖2所示。而最具節能減排潛力的鍛造鎂合金輪轂輕量化的應用，則因現存變形加工技術的高成本特征，應用僅限于高端轎跑和賽車，因此，開發低成本、高品質的鎂合金輪轂生產應用技術，才能為鎂合金在汽車輪轂上的規模應用奠定技術經濟基礎。

另一方面，鎂合金活潑的化學性質和較強的電偶腐蝕趨向，使得其應用時需要嚴格的腐蝕防護措施，最終增加其生產應用成本，消弱了競爭力，但其熔體突出的強制流動充型和高壓補縮能力，使那些用鋁合金難以生產的大型、復雜、薄壁構件的高壓鑄造生產成為可能，這為汽車輕量化構件的集成化設計制造創造了條件。

1.2.3 塑料及其復合材料

（1）塑料

塑料及其復合材料是另一類重要的汽車輕質材料，其應用范圍正在由內飾件向外裝件、車身及結構件擴展，今后的重點發展方向是開發結構件、外裝件用的增強塑料復合材料、高性能樹脂材料，并會更加重視材料的可回收性。

與通用塑料相比，工程塑料具有優良的機械性能、耐化學性、耐熱性、耐磨性、尺寸穩定性等特點，比被取代的金屬材料輕且成型時能耗少。從20世紀70年代起，以軟質聚氯乙烯、聚氨酯為主的泡沫類、襯墊類、緩沖材料等塑料在汽車工業中被廣泛采用。

（2）復合材料

復合材料具有比強度和比剛度高、優異的抗腐蝕性能、減振阻尼性能、抗老化性能、抗疲勞性能，而且復雜形狀的結構可整體成型，大大減少零件數和裝配成本，用比重僅有1.6 g/cm3的復合材料代替比重7.8 g/cm3的鋼，減重效果可達40%～60%，表3為復合材料與各種金屬材料的性能對比［7］。

表3 復合材料與各種金屬材料的性能對比

在歐美等國車輛復合材料的用量約占其復合材料總產量的33%左右，并呈增長態勢。復合材料從制造簡單的車輛非承力件到承力件，從車輛的外覆蓋件向汽車的內飾件和結構件方向發展，先后研制成復合材料的驅動軸、板簧和全復合材料的汽車底盤和車身等。法國SORA公司為雷諾汽車公司開發了全復合材料轎車車身 （Clio V6），寶馬M3用一整張碳纖維復合材料車頂代替了金屬車頂，減重5 kg，大大降低了整車重心，讓車身側傾力大幅降低。

連續碳纖維增強復合材料雖然輕量化效果顯著，但因成本問題，目前主要僅停留在研制階段的概念車和高檔汽車上。另外一種以玻璃纖維為增強體的玻璃鋼（GRF、GMT），以及短纖維增強塑料（SMC、LFT）近年來應用呈逐漸上升之勢，主要應用在保險杠防撞桿、前翼子板、后備胎罩和后背門上。

除上述材料外，具有密度低、強度高、彈性模量大、抗壓性能好的結構性泡沫材料也引起了關注，因其對車身基材的附著力極強，可以作為填充材料用于縱梁等部位，相同質量的前提下，可以顯著提高整車的碰撞性能［8］。

2 工藝技術對輕量化的影響

傳統沖壓、釬焊、粘接、翻邊搭接、螺栓連接等傳統工藝技術已不能滿足當前汽車輕量化的需求，激光拼焊、熱成型、內高壓成型、輥壓成型、鎖鉚連接技術等新興工藝有力地促進了輕量化技術的發展。

2.1 激光拼焊

目前，由拼焊板生產的汽車零部件主要有前后車門內板、前后縱梁、側圍、底板、車門內側的A、B、C立柱、輪罩、尾門內板等，轎車采用激光拼焊可以實現輕量化，部分零部件可以顯著提高碰撞安全性，圖3、圖4為激光拼焊在B柱加強板和車門內板的應用。

激光拼焊板在車門上的應用使鉸接區域的剛性得到整體加強，所以不再需要加強板，此外，車門的配合公差得到大幅改善，車門各板件的厚度和拼焊板焊縫線的位置可以通過一些優化方法進行確定，保證性能的同時，使得車門系統質量得到降低［9］。縱梁上采用激光拼焊，重量能有一定程度的減輕，成本與普通點焊設計基本持平，但能顯著提高正碰性能。激光拼焊在縱梁、車門內板及B柱的應用在國內自主品牌車型上已得到推廣，如奇瑞A3、一汽奔騰B50等。

2.2 熱成型

高強度鋼板結合熱成型技術的應用，可以減少車身零件上加強板的數量，從而降低了整車車身的重量。與冷成型工藝相比，熱成型的成形性非常優秀。對于冷沖壓成型，材料強度越高，成型性能越差，回彈也越大，需要多道工序才能完成。而熱成型材料在高溫加熱以后很容易一次沖壓成型。雖然與同一尺寸的冷成型單件相比，熱成型件成本高，但是由于熱成型零部件材料的強度很高，無須加強板，而且模具少，工藝少。在同一性能前提下，并考慮到整裝成本及省下的材料成本，熱成型件反而更具經濟性。

熱成型技術目前多用于車門防撞板、前后保險杠、A/B柱、中央通道、上下防火板等。其中本特勒公司在熱成型技術的開發和應用方面較為成熟，例如不等厚技術、補丁技術、和局部加熱技術等已經成功推廣到了市場［10］，以B柱為例，每車最高可實現潛在減重8.4 kg。

2.3 內高壓成型

汽車上的內高壓成形零件包括汽車副車架、散熱器支架、底盤構件、車身框架、座椅框架、前軸、后軸、驅動軸、凸輪軸及排氣系統異型管件等。與傳統沖壓工藝比較，如副車架等零件，用內高壓成形有著較大的優勢［11］。

（1）減輕重量，節約材料。表4是汽車上采用內高壓成形件與沖焊件的產品重量對比。對于框、梁類結構件，內高壓成形件比沖壓件減輕20%～40%；對于空心軸類件可以減輕40%～50%。

表4 三種車用沖壓件與內高壓成形產品的重量對比表

（2）減少零件和模具數量，以及減少后續機械加工和組裝焊接量等。

（3）降低生產成本。根據德國某公司對應用內高壓成形技術生產的零件的對比分析，內高壓件的成本比沖壓件平均降低15%～30%，模具費用降低20%～30%［12］。

（4）提高零件的強度和剛度，尤其是疲勞強度。

但是，由于內高壓成形所需內壓高，需要大噸位液壓機作為合模壓力機，其高壓源及閉環實時控制系統比較復雜，造價也高。另外，由于成形缺陷和壁厚分布與加載路徑密切相關，零件試制研發費用較高。這些因素在一定程度上影響了內高壓成形工藝的普及和發展。

2.4 輥壓技術

輥壓成形工藝是通過順序配置的多道次成形軋輥，把卷材、帶材等金屬板帶不斷地進行橫向彎曲，以制成特定斷面的型材。輥壓成形工藝加工出來的型材其斷面結構合理、品種規格繁多、幾何尺寸精確，體現了現代社會對材料輕量化、合理化、功能化的使用要求。

目前，國外白車身采用的先進高強度鋼板，有相當部分諸如前/后保險杠、門檻、駕駛員座調整機構中的滑軌、車身的B柱及底盤等構件，都是用輥壓成形工藝制造完成的。

以保險杠為例，高強度鋼輥壓保險杠比沖壓保險杠有更輕的質量。圖5是沖壓的保險杠，圖6是輥壓的保險杠。在相同的抗沖擊能量下，對比數據如下［13］。

沖壓保險杠：材料牌號DOCOL 500DP，抗拉強度 500 MPa，T=1.8 mm，質量為 13 kg；輥壓保險杠：材料牌號DOCOL 1000DP，抗拉強度 1 000 MPa，T=1.0 mm，質量為 6.5 kg，有明顯的減重效果。

傳統的輥式輥壓成形工藝可以生產大批量的不變截面的產品。隨著市場競爭的加劇，以及節能和環保的要求，需要產品的改變能適應更多的變化，即具有靈活可變的柔性。采用計算機技術的柔性輥壓成形（Flexible Roll forming）是輥壓成形新技術的發展方向。

2.5 鎖鉚連接技術

新材料的應用可以明顯的實現減重，但傳統的點焊等工藝已無法滿足異質材料的連接要求，而鎖鉚連接技術可以解決這一問題。鎖鉚連接可用于不同材質、硬度、厚度材料組合、各種有鍍層的材料連接組合以及有夾層包括膠水等非金屬材料組合。

寶馬公司新5系采用了混合材料車身，車身前端使用鋁合金，使用鉚接與鋼制車身連接，同時解決了前后軸的質量平衡問題，如圖7所示。

3 結構優化對輕量化的影響

結構的優化設計為汽車輕量化的另外一個重要方面技術。先進材料和加工技術的應用，雖然輕量化效果最為明顯，但往往伴隨著成本的增加。與國外發展一致的是，結構設計和優化是我國汽車輕量化技術中發展最快的，國內已從主要依靠經驗設計逐漸發展到應用有限元等現代設計方法進行指導設計，進行結構的優化，以實現減重。

通過拓撲優化，可以在給定的設計空間內找到最優的材料分布，形貌優化技術可以在鈑金件上找出最佳的加強肋位置和形狀，尺寸和參數優化可以得到梁的最優截面尺寸等［14-15］。對已開發出模型的車型，則利用板厚靈敏度分析，對白車身鈑金件進行厚度優化，確保整車性能的條件下實現減重等。通過建立參數化模型，在開發的初期對截面和接頭等進行優化，保證性能的前提下控制質量，減少了設計的更改次數和大大的縮短了產品的開發周期。

CAE結構優化技術在正向開發和逆向開發中的應用流程如圖8所示，以重量為優化目標，通過使用各種優化方法，使CAE仿真分析技術貫穿整個設計階段，找出產品設計的最佳方案，縮短設計和分析的循環周期，減少成本。

4 結束語

通過國內外輕量化技術的應用分析，在目前自主品牌輕量化技術中，用CAE仿真技術引導設計，得出最佳設計方案，同時提升新材料、新工藝技術的應用能力，在確保汽車綜合性能指標的前提下，盡可能降低汽車產品自身重量，以達到減重、節能減排、安全的綜合指標。

［1］Joseph C.Benedyk.Light Materials in Automotive Applications ［J］.Light Metal Age，2000（10）：34-35.

［2］王利.汽車用高強度 IF 薄鋼板［J］.寶鋼技術，1997（1）：58-61.

［3］Schretzenmayr H.Technical report：the aluminum body of the Audi A8.International Journal of Vehicle Design，1999，21（2-3）：303-312.

［4］敖炳秋.輕量化汽車材料技術的最新動態［J］.汽車工藝與材料，2002（8/9）：1-21.

［5］田洪福.一汽輕量化建設與前瞻性布局 ［D］.上海：2011MADE汽車輕量化國際高峰論壇，，2011.

［6］陳云霞.奇瑞汽車輕量化技術新進展 ［J］.現代零部件，2010（11）：37-39.

［7］沈真等.碳纖維復合材料在汽車領域的應用前景［D］.上海：2011MADE汽車輕量化國際高峰論壇，2011.

［8］王東川.漢高輕量化技術和解決方案［D］.重慶：2011國際汽車輕量化材料發展論壇，2011.

［9］胡朝輝等.多學科優化設計在拼焊板車門輕量化中的應用［J］.中國機械工程，2010（4）：495-499.

［10］王輝.熱成型技術助汽車輕量化［J］.制造技術與材料，2010（4）：26-27.

［11］陳建軍.內高壓成形工藝及其在汽車輕量化中的應用［J］.鍛壓裝備與制造技術，2010（1）：12-18.

［12］苑世劍.內高壓成形技術現狀與發展趨勢［J］.金屬成形工藝，2003（3）：1-3.

［13］劉繼英，李強.輥壓成形在汽車輕量化中應用的關鍵技術及發展［J］.汽車工藝與材料，2010（2）：18-21.

［14］張立玲等.轎車副車架輕量化技術應用研究及應用［J］.塑性工程學報，2010（5）：71-75.

［15］蔡鋒等.優化設計在汽車零部件輕量化中的應用［J］.汽車技術，2010（4）：25-29.