汽車及零部件輕量化技術現狀及研究方向

聶采順

（四川建安工業(yè)有限責任公司，四川 雅安 625000）

汽車及零部件輕量化技術現狀及研究方向

聶采順

（四川建安工業(yè)有限責任公司，四川 雅安 625000）

文章簡要介紹了目前汽車輕量化技術的發(fā)展狀況，包括輕量化設計內容、各種輕量化材料的性能及運用，從而闡述了汽車輕量化的實施途徑及方法。

汽車輕量化；實施途徑

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.011

CLC NO.: U465.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-29-04

引言

隨著我國汽車保有量不斷攀升，能源短缺、霧霾污染等等問題日益凸顯，“節(jié)能減排”成為每個車企以及汽車零部件企業(yè)的最求目標，這使得輕量化技術受到越來越多的重視。輕量化技術的發(fā)展，為中國汽車材料的發(fā)展提供了機遇，因為輕量化是優(yōu)化設計、合理選材、先進的成形技術以及加工技術等各種專業(yè)優(yōu)勢的集成。汽車的輕量化，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，減少燃料消耗，降低排氣污染。汽車輕量化是汽車產業(yè)的發(fā)展方向之一，也是一個汽車廠商和國家技術先進程度的重要標志。

1、輕量化技術及其發(fā)展現狀

根據工信部1月23日發(fā)布的最新統(tǒng)計數據顯示，2014年我國汽車產銷量分別為2372.29萬輛和2349.19萬輛，同比增長7.3%和6.9%，產銷量保持世界第一，如圖1所示。隨著汽車產量和銷量的增加，汽車在給人們的出行帶來方便的同時，也產生了油耗、安全和環(huán)保三大問題。如何應對三大問題，各國政府都提出了相應的措施。包括制定條令法規(guī)，如油耗法規(guī)，安全法規(guī)以及排放法規(guī)。各國汽車工業(yè)界一致認為，汽車輕量化是滿足上述三個法規(guī)的有效手段和方法。實驗證明，若汽車整車重量降低 10%，燃油消耗可降低6%～8%，排放降低 5%～6%。而燃油消耗每減少 1升，CO2排放量減少2.45kg。

汽車輕量化的技術是采用現代設計方法和有效手段對汽車產品進行優(yōu)化設計，或使用新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(huán)保、安全的綜合指標。然而，汽車輕量化絕非是簡單地將其小型化。首先應保持汽車原有的性能不受影響，既要有目標地減輕汽車自身的重量，又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性及舒適性，同時汽車本身的造價不被提高，以免給客戶造成經濟上的壓力。汽車輕量化技術包括汽車結構的合理設計和輕量化材料的使用兩大方面。一方面汽車輕量化與材料密切相關；另一方面，優(yōu)化汽車結構設計也是實現汽車輕量化的有效途徑。與汽車自身質量下降相對應，汽車輕量化技術不斷發(fā)展，主要表現在：

（1）輕質材料的使用量不斷攀升，鋁合金、鎂合金、鈦合金、高強度鋼、塑料、粉末冶金、生態(tài)復合材料及陶瓷等的應用越來越多；

（2）結構優(yōu)化和零部件的模塊化設計水平不斷提高，如采用前輪驅動、高剛性結構和超輕懸架結構等來達到輕量化的目的，計算機輔助集成技術和結構分析等技術也有所發(fā)展；

（3）汽車輕量化促使汽車制造業(yè)在成形方法和聯接技術上不斷創(chuàng)新。

目前，國內汽車輕量化材料正在加速發(fā)展，新型智能材料逐漸在汽車制造中得到應用。車用高性能鋼板、鎂合金已在汽車上有所應用。如上海大眾桑塔納轎車變速器殼體采用鎂合金。隨著鎂合金材料的技術進步及其抗蠕變性能的進一步改善，自動變速器殼體以及發(fā)動機曲軸箱亦適合改用鎂材料制造。若曲軸箱由鋁改為鎂，則可減輕30%左右。傳統(tǒng)的轎車車身結構是鋼車身，現今也越來越多地采用高強度鋼、精練鋼、鋁合金和夾層鋼車身結構，其制造工藝有柔性化板材輥軋、剪拼焊接工藝技術、薄壁制造技術等。不銹鋼與強度較高的碳鋼相比，表現出不少優(yōu)點,例如延展性更好、強度更高、更適合形狀復雜的覆蓋件成形。上世紀80年代，重慶汽車研究所就開展了雙相鋼研究，一汽轎車、奇瑞汽車公司也在轎車車身上進行了高強度鋼板的初步應用試驗。在結構設計方面可以采用前輪驅動、高剛性結構和超輕懸架結構等來達到輕量化目的，國內已從主要依靠經驗設計逐漸發(fā)展到應用有限元等現代設計方法進行靜強度計算和分析階段。目前出現了一批擁有自主知識產權的汽車車身模具開發(fā)技術，如湖南大學與上汽通用五菱在薄板沖壓工藝與模具設計理論方面開展了較深入的研究，北京航空航天大學開發(fā)了 CAD系統(tǒng)CAXA，并已經開展了客車輕量化技術的研究，利用有限元方法和優(yōu)化設計方法進行結構分析和結構優(yōu)化設計，以減少車身骨架、發(fā)動機和車身蒙皮的重量等。

2、實現汽車輕量化的主要途徑

實現汽車輕量化主要有三種途徑：一是對汽車底盤、發(fā)動機等零部件進行結構優(yōu)化，在結構設計上主要采用前輪驅動、高剛性結構和超輕懸架結構等方法；二是在使用材料方面通過材料替代或采用新材料來使汽車輕量化。在替代材料方面，可使用鋁、鎂輕合金等有色金屬材料、塑料聚合物材料、陶瓷材料等密度小、強度高的輕質材料，或者使用同密度、同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強度鋼；三是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(xù)擠壓變截面型材、金屬基復合材料板、激光焊接板材等，也可以達到輕量化目的。

2.1合理的結構設計

目前國內外汽車輕量化技術發(fā)展迅速，主要的輕量化措施是輕量化的結構設計和分析，設計已經融合到了汽車設計的前期。輕質材料在汽車上的應用，包括鋁、鎂、高強度鋼、復合材料、塑料等，與結構設計以及相應的裝配、制造、防腐、連接等工藝的研究應用融為一體。在現代汽車工業(yè)中，利用CAD/CAE/CAM一體化技術起著非常重要的作用，涵蓋了汽車設計和制造的各個環(huán)節(jié)。運用這些技術可以實現汽車的輕量化設計、制造。輕量化的手段之一就是對汽車總體結構進行分析和優(yōu)化，實現對汽車零部件的精簡、整體化和輕質化。利用CAD/CAE/CAM一體化技術，可以準確實現車身實體結構設計和布局設計，對各構件的開頭配置、板材厚度的變化進行分析，并可從數據庫中提取由系統(tǒng)直接生成的有關該車的相關數據進行工程分析和剛度、強度計算。對于采用輕質材料的零部件，還可以進行布局分析和運動干涉分析等，使輕量化材料能夠滿足車身設計的各項要求。此外利用CAD/CAE/CAM技術可以用仿真模擬代替實車進行試驗，對輕量化設計的車身進行振動、疲勞和碰撞分析。通過開發(fā)汽車車身、底盤、動力傳動系統(tǒng)等大型零部件整體加工技術和相關的模塊化設計和制造技術，使節(jié)能型汽車從制造到使用各個環(huán)節(jié)都真正實現節(jié)能、環(huán)保。通過結合參數反演技術、多目標全局優(yōu)化等現代車身設計方法，研究汽車輕量化結構優(yōu)化設計技術，包括多種輕量化材料的匹配、零部件的優(yōu)化分塊等。從結構上減少零部件數量，確保在汽車整車性能不變的前提下達到減輕自重的目的。

具體結構合理設計有以下3個方面：

（1）通過結構優(yōu)化設計，減小車身骨架及車身鋼板的質量，對車身強度和剛度進行校核，確保汽車在滿足性能的前提下減輕自重。如采用優(yōu)化設計除去零部件的冗余部分（使零部件薄壁化、中空化），部件零件化、復合化以減少零件數量，設計全新的結構等；

（2）通過結構的小型化，促進汽車輕量化，主要通過其主要功能部件在同等使用性能不變的情況下，縮小尺寸；

（3）采取運動結構方式的變化來達到目的。比如采用轎車發(fā)動機前置、前輪驅動和超輕懸架結構等，使結構更緊湊，或采取發(fā)動機后置、后輪驅動的方式，達到使整車局部變小，實現輕量化的目標。

2.2使用新型材料

據統(tǒng)計，汽車車身、底盤（含懸架系統(tǒng)）、發(fā)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降低發(fā)動機的功耗和減少汽車總重量具有雙重的效應。為此，首先應該在白車身制造材料方面尋找突破口。具體可以有如下幾種方案：

（1）使用密度小、強度高的輕質材料，像鋁鎂合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；

（2）使用同密度、同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強度鋼；

（3）使用基于新材料加工技術的輕量化結構用材，如連續(xù)擠壓變截面型材、金屬基復合材料板、激光焊接板材等。

2.2.1有色合金材料

鋁具有良好的機械性能，其密度只有鋼鐵的1.8/3，機械加工性能比鐵高4.5倍，耐腐蝕性、導熱性好。其合金還具有高強度、易回收、吸能性好等特點。汽車工業(yè)運用最多的是鑄造鋁合金和形變鋁合金。運用形變鋁材制造車身面板的技術已經比較成熟，包括發(fā)動機罩、行李箱罩、車門、翼子板等。保險杠、輪轂和汽車結構零件也廣泛使用鋁合金材料。運用鋁合金也面臨不少問題，比如，鋁合金加工難度比鋼材高，成型性還需繼續(xù)改善；由于鋁導熱性好，導致鋁合金的焊接性能差；鋁鑄件中不可避免地存在缺陷，壓鑄件還不能熱處理，因此在用鋁合金來生產要求較高強度鑄件時受到限制，為此在鑄件生產工藝上作了改進，鑄造鍛造法和半固態(tài)成型法將是未來較多采用的工藝；不能像鋼板那樣采用磁力搬運等。其中，關鍵是成本問題，目前鋁價還比較高，成本控制對鋁合金的運用非常重要。

鎂合金具有與鋁合金相似的性能，但是鎂的密度更低，它們的密度之比為1.8:3，是當前最理想、重量最輕的金屬結構材料，因而成為汽車減輕自重、以提高其節(jié)能性和環(huán)保性的首選材料。但其鑄造性差，后處理工藝復雜，成本高。我國的鎂資源非常豐富，儲量占世界首位。但是國內用量很少，尤其汽車行業(yè)用量極少，因此前景非常廣闊。而西方工業(yè)發(fā)達國家對鋁基、鎂基的金屬基復合材料的開發(fā)與應用，已達到了產業(yè)化階段，如表1。

表1 歐美采用鎂合金制造的零部件

2.2.2高強度鋼

用高強度鋼替代原使用材料，能適當減小零件尺寸。世界上廣泛通過進一步提高合金鋼、彈簧鋼、不銹鋼等鋼種的比強度和比剛度，以及粉末冶金配件具有的多孔密度低、精度高、成本低等特點，來作為汽車輕量化的措施。采用高強度鋼板在等強度設計條件下可以減少板厚，但是車身零件選定鋼板厚度大都以元件剛度為基準，因此實際板厚減少率不一定能達到鋼板強度的增加率，不可能大幅度地減輕車重。高強度鋼板在汽車上應用的目的主要有3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(qū)。由于運用高強度鋼板的經濟性和相對容易性，因此應大力提倡在汽車上運用高強度鋼板。現在各國都在加速高強度鋼和超高強度鋼在汽車車身、底盤、懸架、轉向等零部件上的運用。

2.3塑料和復合材料

與相同結構性能的鋼材相比，塑料和復合材料一般可減輕部件的重量在35%左右。低密度與超低密度片狀成型復合材料的發(fā)展提供了更多的潛力，在重量減輕與強度方面達到甚至超過了鋁材，整體成本通常更低。塑料是由非金屬為主的有機物組成的，具有密度小、成型性好、耐腐蝕、防振、隔音隔熱等性能，同時又具有金屬鋼板不具備的外觀色澤和觸感。目前，塑料大都使用在汽車的內外飾件上，如儀表板、車門內板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護板、側圍內襯板、車門防撞條、扶手、車窗、散熱器罩、座椅支架等。而后逐漸向結構件和功能件擴展。例如發(fā)電機及其相關系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。塑料也在向制作車身覆蓋件方向發(fā)展。復合材料即纖維增強塑料，是一種增強纖維和塑料復合而成的材料。常用的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復合材料。增強用的纖維除玻璃外，還有高級的碳纖維、合成纖維。復合材料作為汽車材料具有很多優(yōu)點：密度小、設計靈活美觀、易設計成整體結構、耐腐蝕、隔熱隔電、耐沖擊、抗振等。目前玻璃鋼復合材料的應用非常廣泛，尤其在歐美車系中。其中尤以SMC和GMT的應用最為廣泛。歐曼、雷諾、沃爾沃、奔馳、依維柯等歐洲重型卡車制造商的駕駛室材料中，都大量選用了SMC。在國內，SMC材料在汽車領域也得到了廣泛的應用，尤其是商用汽車領域。中國重汽、陜西重汽、福田歐曼、重慶紅巖等主要重型卡車制造商，其駕駛室的制造都不同程度地采用了SMC材料。

2.4其他輕量化材料

精細陶瓷是繼金屬、塑料之后發(fā)展起來的第3大類材料。其發(fā)展史只有20年左右，但具有優(yōu)良的力學性能（高強度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損等）和化學性能（耐熱沖擊、耐氧化、蠕變等）。作為輕量化材料用于汽車零件，不僅直接起到輕量化的作用，更因其優(yōu)良的耐熱性、耐腐蝕性和耐磨性，用于汽車發(fā)動機燃燒室及熱交換器等零件，使功率提高，油耗大大下降，從節(jié)能角度看則間接地起到輕量化效果。蜂窩夾層材料是早已在飛機上采用的材料，其最大特點是剛性高、比強度高、密度低。目前應用在汽車上的實例還不多，但應用研究在不斷前進，將來會較多地得到運用。

3、先進的制造工藝

世界主流工藝技術主要有三種：一是激光拼焊板技術；二是液壓成形技術；三是高強度鋼熱成形技術。激光拼焊毛坯是新近開發(fā)并應用的鋼板輕量化技術。如ULSAB白車身以及四門兩蓋中有16個零件采用激光拼焊板坯。熱沖壓和液壓成形技術是實現汽車輕量化的重要技術途徑。寶鋼目前在關鍵技術的掌握、裝備和配置及產品開發(fā)上在國際上處于領先地位，打破了該類技術以及零部件產品長期由國外壟斷的局面。寶鋼熱沖壓和液壓成形項目的順利投產，標志著寶鋼汽車零部件產業(yè)化發(fā)展進入了一個嶄新的起點，成為寶鋼為汽車用戶提供全方面、系統(tǒng)化解決方案的重要支撐。

4、汽車輕量化發(fā)展面臨的問題

輕量化的方法、技術、替代材料這么多，各有各的優(yōu)勢和缺點，那么使用現有技術和材料，汽車到底能做到多輕呢？美國通用汽車公司設計了一輛超輕型概念汽車，這輛汽車完全由手工制造，并且使用了多種減輕重量和提高燃油效率的技術，結果該超輕型概念汽車只有140Kg重，相當于美國家用汽車平均重量的12%，用1L汽油可行駛45km，僅為美國家用汽車平均耗油量的 1/4。不過必須看到，這還只是一種概念車，它的數據可能具有一定的指導意義，但現實意義有限，因此不能因此對輕量化前景產生盲目的樂觀。如果把眼光拉近到現實中，可以看到，汽車輕量化雖然已成為未來潮流，但目前要在全行業(yè)廣泛應用輕量化技術還為時尚早,主要原因就在于技術還不完善、成本仍然太高。以取得巨大輕量化成果的奧迪A8車型為例，使用ASF技術的全鋁車身減重200Kg，以每減重100Kg油耗減少0.6L/100Km計算，一輛A8車在其行駛壽命10萬公里期間可省油1200L，以歐洲市場油價1.198歐元/L,2014年11月價格計算，可為車主省下1437.6歐元，但是相比全鋁車身帶來的昂貴價格，消費者仍然是得不償失。雖然對整個社會來說，輕量化將為能源、環(huán)境帶來巨大的好處，但是具體到每一個消費者，他們卻不得不在購車時為自己的錢包作打算，需要認真衡量一下輕質汽車的額外高價與省下的油錢相比哪一項更多。圖2是汽車輕量化與設計成本、制造成本、材料成本之間關系的研究結果。研究結果清楚地表明，輕量化必須以昂貴的設計與制造成本為代價。汽車設計人員的任務就是兼顧重量與成本，爭取將兩者關系控制在圖中陰影范圍內的輕量化最優(yōu)區(qū)域。

湖南大學中國汽車技術與產業(yè)發(fā)展研究中心楊沿平曾指出，我國汽車輕量化技術的研發(fā)除了成本問題外還面臨兩大困難。一方面，輕量化技術的發(fā)展設計眾多學科，需要運用多學科交叉融合所形成的綜合性、系統(tǒng)性知識體系，而在目前國內研發(fā)體系下，各研發(fā)機構往往只注重單個技術的研發(fā)，很少開展各技術間的交叉與融合；另一方面，汽車輕量化涉及的多學科核心技術突破，不可能由單個企業(yè)或科研機構獨立完成，必須要由國家級的研究機構或政府有關部門作出戰(zhàn)略性和前瞻性的超前部署。

5、結論

盡管面臨種種障礙，人們仍然沒有放棄努力，設計、分析專業(yè)軟件的開發(fā)成果越來越多，新材料、新結構、新技術、新工藝和新設計方法不斷進步，鋁、鎂、復合材料和特種鋼等新材料在汽車制造中的使用比例正逐步加大。雖然在目前看來汽車工業(yè)短期內不會在減重方面出現革命性突破，但是由于我們在不斷地努力，人們實際上正在一步步接近制造出輕量廉價的新一代汽車的目標。輕量化技術是一項涉及基礎理論、工程設計、工廠制造、實踐驗證、回收利用等內容豐富、涉及廣泛的課題，必將經歷一個努力的探索過程。經過努力，汽車將在不遠的將來，必以清潔、強大、輕量的嶄新形象引導新一代的潮流。

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Automobile industry of hubei province college institute of automotive engineering

Nie Caishun
( Sichuan Jian’an Industry Co., Ltd., Sichuan Ya’an 625000 )

This article introduced development of automobile lightweight technique, include lightweight design overview, material performance and application, elucidated implement ways and methods of automobile lightweight.

automobile lightweight; implement way

U465.6

A

1671-7988（2015）09-29-04

聶采順，工程師，就職于四川建安工業(yè)有限責任公司研發(fā)中心，主要從事輕、微型汽車底盤零部件設計、開發(fā)工作。