汽車輕量化技術發展方向

何德祿　任立飛　王建啟　徐佳杰

摘 要：汽車輕量化是實現節能減排的重要措施之一，對汽車工業的可持續發展具有重要意義。有關試驗表明，汽車質量每減輕10%，油耗下降6%—8%，排放量下降4%，同時汽車輕量化直接提高汽車的比功率，使汽車的動力性和承載能力提高。本文從結構優化設計、輕量化材料的應用和先進制造工藝這三個方面對汽車輕量化技術的國內外研究現狀和發展趨勢進行了簡要概述。這包括：汽車結構的尺寸優化、形狀優化、拓撲優化和多學科設計優化的基本原理和研究進展；高強度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料和復合材料；以及液壓成型和激光焊接工藝在汽車中的使用現狀。

關鍵詞：汽車輕量化；結構優化；先進工藝；新型材料

隨著人們生活水平的提高和汽車工業的發展，目前世界汽車的總量已逾十億，每天都有八千多萬桶石油用于汽車行駛，產生大量有害氣體。在資源短缺，環境污染嚴重的當下，節約資源，減少環境污染變得十分重要。實驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；汽車整車質量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。當前，由于環保和節能的需要，汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流。因此減輕汽車重量是節約能源和提高燃料經濟性的最基本途徑之一。

1 輕量化技術的含義及其發展

汽車輕量化是社會談論的熱點，那么什么是輕量化技術呢？輕量化技術就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃油消耗，降低排氣污染。輕量化技術的內涵是：采用現代設計方法和先進工藝對汽車產品進行優化設計，或使用新型材料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、降耗、環保、安全的綜合指標。然而，汽車輕量化不是簡單地減輕汽車重量，還應保持汽車原有的性能，既要減輕汽車自身的重量， 又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性及穩定性。

自上世紀70年代以來，隨著材料技術和制造技術的進步，汽車自身重量在逐年減少，以美國為例，上世紀80年代初，中型轎車的平均質量為1520kg；90年代下降至1230kg。20世紀末和21世紀初，世界各國先后出現過百公里油耗3L的汽車。1998年德國大眾推出路波3L TDI，汽車自身質量只有800kg。奧迪公司開發全鋁型轎車Audi A2，汽車自身質量約900kg。美國政府2009年5月公布一項汽車節能減排計劃，目標是2016年，美國國內生產的客車和輕型卡車百公里耗油不超過6.62L，CO2排放量也比現有車輛減少1/3。

近年來，我國在汽車輕量化方面取得了不少成果。“九五”和“十五”期間，一批汽車新材料項目被列為國家“863”、“973”高新技術項目和國家科技攻關重大項目。促進了汽車輕量化技術的進步。

2 實現汽車輕量化的主要途徑

2.1 汽車輕量化技術的分類

目前，汽車輕量化技術主要分為三類，包括：結構優化設計、先進制造工藝和新型輕量化材料的應用。其中，汽車的結構優化設計包括：結構的形狀優化、尺寸優化、拓撲優化等；先進制造工藝包括：液壓成型和激光焊接等；輕量化材料的應用包括：高強度鋼、鋁鎂合金、塑料和碳纖維及其他復合材料等。本文主要介紹其中應用較廣泛的幾種方法。

2.2 結構優化設計

汽車結構優化設計在汽車輕量化技術中應用最早，也是發展最成熟的一種技術。上世紀70年代，隨著計算硬件和計算機軟件的發展，美國汽車公司首次將有限元法應用于汽車的可行性設計。隨著CAE逐步發展成熟，進入21世紀后，CAE 已廣泛應用于汽車零部件和整車結構設計。基于CAE分析的汽車結構優化設計得到應用并逐步發展成為汽車輕量化的首選方法。近年來，輕量化理論方法和軟件工具不斷出現，結構優化設計方法被廣泛的應用于汽車輕量化設計上。總的來說，汽車結構優化設計經歷了：尺寸優化—形狀優化—拓撲優化，等階段。

（1）尺寸優化

尺寸優化設計是應用最早，也是發展最成熟的一種汽車輕量化技術。它一般以汽車零部件的尺寸為設計變量，如沖壓件的壁厚、梁柱的截面尺寸、孔的大小等。然后以結構質量最小為目標函數，以滿足不同工況下的剛度、強度、振動、吸能等為約束條件來構建優化模型。

（2）形狀優化

形狀優化主要是指改變汽車的局部或者整體外形，使得結構更加合理，受力更加均勻，從而實現材料有效利用。形狀優化方法分兩種，對于具有規則幾何外形的結構，可以將結構的幾何外形參數化，從而將形狀優化轉變為尺寸優化問題。但對于汽車結構來說，多數具有不規則的幾何外形，無法采用參數來描述，難以將其轉化為尺寸優化問題。對于這種問題，目前廣泛采用不需要尺寸參數的無參形狀優化方法。如可通過定義白車身主要梁結構截面的形狀變量，結合近似模型技術，對白車身進行輕量化的多目標優化，就可以達到很好的效果。

（3）拓撲優化

拓撲優化以指定的設計空間的材料分布為優化對象，通過計算得到其中的材料分布。從汽車設計度看，結構優化分三個層次，首先是拓撲優化，確定最優的結構；其次是形狀優化，確定給定拓撲條件下的最優邊界形狀；最后是尺寸優化，最終確定結構中各處具體尺寸。由此可見，拓撲優化是產品設計的核心。目前，拓撲優化的研究內容包括：材料插值法、優化算法、工程應用等。結構拓撲優化研究方法主要有解析法和數值法。解析法不太適合工程應用，工程應用中常采用數值方法。

在輕量化方面，拓撲優化已用于汽車車架結構設計以及主要零部件如輪轂的優化設計中。如有些研究者在結構設計的開始階段引入拓撲優化理論，先對結構進行布局優化，以獲得較合理的初始結構方案，再通過結構參數優化設計，得到滿足其強度和剛度及設計工藝要求的最優結構。還有一些研究人員利用基于有限元法的拓撲優化技術涉及車身大骨架的拓撲結構，經拓撲優化后的車身大骨架各項特性參數指標均有不同程度的提高。拓撲優化正成為車身輕量化設計的重要方法，被認為是最具有潛力的結構優化方法。

2.3 新型材料

除了結構優化設計之外，輕量化材料的開發和應用是當前汽車輕量化技術另一主要研究方向。據統計，汽車車身、底盤、發動機三大件約占一輛轎車總重量的65%以上。其中車身內外覆蓋件的重量又居首位。因此減少汽車白車身重量對減少汽車總重量和降低發動機的功耗具有雙重作用。常用的輕量化材料有：高強度鋼，鎂、鋁合金，塑料和復合材料等。

（1）高強度鋼

在汽車輕量化材料設計中，鋼鐵材料是最主要的輕量化材料。汽車用鋼主要分為兩類：一是合金結構鋼，主要用于汽車發動機和傳動系統及懸架系統的主要構件，等；另一類是高強度鋼，主要用于汽車車身內外板及車身結構件。用高強度鋼替代原使用材料，能適當減小零件尺寸，在等強度設計條件下可以減少板厚。高強度鋼在汽車應用上的優勢主要有三點：增加構件的變形抗力，提高能量吸收能力和擴大彈性應變區。由于高強度鋼具有這樣的優勢并且經濟性良好，因此各國都在大力提倡在汽車上運用高強度鋼。豐田車型VITZ的車身結構中高強度鋼占有量達48%；寶馬3系列車身骨架中50%使用了高強度鋼；福特的Windstar車身骨架中高強度鋼占60%。采用高強度鋼，減輕重量的同時增加了車身的剛度和強度。

（2）鎂合金、鋁合金

鋁具有良好的機械性能，密度小，機械加工性能高，耐腐蝕性強、導熱性好。鋁合金還具有高強度、吸能性好、易回收等特點。目前，鑄造鋁合金和形變鋁合金已廣泛應用于汽車工業。發動機罩、行李箱蓋、車門、保險杠、輪轂和汽車結構零件都廣泛使用鋁合金材料。當然，運用鋁合金時也存在一些問題，比如，鋁合金加工難度高，成型性能不夠好；由于鋁導熱性好，導致鋁合金的焊接性能差；成本造價高，不能像鋼材那樣廣泛應用等。

鎂合金和鋁合金一樣，具有良好的性能，并且鎂的密度更低，是當前最理想、重量最輕的金屬結構材料，是汽車輕量化、降低油耗，節能環保的首選材料。但其鑄造性差，處理工藝復雜，成本高等特點也在一定程度上影響了鎂合金的發展。我國的鎂資源雖然豐富，但卻應用很少，而西方發達國家對鎂合金的開發與應用，已達到了產業化水平。

雖然鎂鋁合金的加工工藝不夠完善，并且成本較高，但是隨著科技的發展和工藝水平的進步，鎂鋁合金一定會在汽車輕量化上做出更大的貢獻。

（3）塑料和復合材料

塑料作為汽車輕量化材料，是因為它具有很多優點。質量輕，密度低，密度不到鋼材的20%，采用塑料有明顯的減重效果。加工性能好，可設計性強，手感好，塑料常被做成形狀復雜的部件和汽車的各種內外飾件。耐沖擊性、吸能性好，抗腐蝕性強，常用于汽車保險杠，儀表盤，冷卻風扇等。

復合材料是比塑料性能更好，強度更高的新型材料。比如，玻璃纖維增強熱塑性復合材料、長纖維增強熱塑性復合材料、碳纖維增強復合材料、金屬基復合材料等。雖然復合材料生產工藝復雜，成本高昂，但是隨著科技的發展和工藝水平的進步，復合材料在汽車零部件的應用越來越多，顯示出越來越強大的生命力。

2.4 先進工藝

（1）激光焊接

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。與傳統焊接方法相比，激光焊接具有速度快、效率高、熱影響區小、焊接變形小等優點。近年來激光拼焊技術發展迅速，在汽車上已經得到了廣泛的應用。主要用于不同強度、不同厚度、不同材質、不同沖壓性能和不同表面處理狀況的零件整體成形。使用激光拼焊板可減少工序和模具的使用數量，從而降低生產成本，優化零件結構，并提高零件的質量。激光焊接技術已成為降低零件數量、保證行駛安全、優化結構設計和改進制造技術重要的汽車輕量化手段。

（2）液壓成型

液壓成形是指采用液態物質作為施力介質，使坯料在施力介質作用下，貼合凸模或凹模面成形，它是一種柔性成形技術，該技術已成為一些形狀復雜、強度高、成形性差材料的理想成形方法。與傳統的沖壓工藝相比，液壓成型技術在減輕重量、減少零件數量和模具數量、提高剛度和強度、及降低生產成本等方面具有明顯的技術和經濟優勢，在汽車領域得到了越來越多的應用。

結語：汽車輕量化對汽車節能，降低排放和性能改善，以及汽車產業的長遠發展具有重要意義。目前，汽車輕量化技術還處于初級階段，未來還有很大的發展前景，汽車輕量化是現代汽車技術發展的方向。

參考文獻

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