汽車輕量化技術

鄭斯?jié)?/p>

摘 要：汽車輕量化技術一直是各個汽車廠家重點研究的內容，經過幾十年的發(fā)展，它已經取得了長足的發(fā)展。簡單介紹了汽車輕量化技術的設計情況和所用材料的性能，闡述了汽車輕量化的實施途徑，以期為日后的相關工作提供參考。

關鍵詞：輕量化技術；輕質材料；車身結構；節(jié)能減排

中圖分類號：U462.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.131

經過近百年的發(fā)展，雖然汽車的能源利用率提高了，但也只有20%～30%.究其原因，最主要的是汽車本身的質量消耗了大部分能耗。研究表明，如果汽車的整體質量降低10%，那么，能源利用率就可以提高6%～8%.因此，汽車輕量化的優(yōu)勢就是降低油耗。

汽車車身質量占汽車整體質量的30%，空載時，有70%的能源消耗在汽車車身上。采用汽車輕量化技術除了可以降低能耗外，還可以提高汽車操作的穩(wěn)定性和安全性。使用輕量化材料后，汽車質量會減輕。在其行駛過程中，由于汽車底盤質量比較輕，所以，顛簸會減弱，車身會更加穩(wěn)定。當汽車遇到撞擊時，其撞擊能力會被吸收一部分，從而提高汽車運行的安全性。但是，輕量化并不是說汽車質量越輕越好，這需要綜合考慮汽車的安全性、經濟性和實用性等因素。由此可見，汽車輕量化技術是汽車產業(yè)中非常關鍵的一部分。

1 含義

在保證汽車各項指標都滿足要求的情況下，為了降低能耗，使其更加環(huán)保、安全，要采用先進的技術或特殊材料盡可能地減輕汽車質量。

汽車輕量化并不是簡單地縮小汽車的體積或者減輕汽車的質量。汽車的安全性、穩(wěn)定性、舒適性和耐撞性等與汽車的質量有直接關系，所以，還需要考慮其經濟合理性，畢竟汽車屬于商品，要讓消費者接受它的價格。

汽車結構的創(chuàng)新化設計和特殊材料的使用是汽車輕量化技術的重要組成部分。如果汽車車身結構設計合理，不僅可以減少材料的使用量，還能達到輕量化的目的。要想實現汽車輕量化，車身材料是非常重要的。相關研究表明，汽車輕量化主要表現在以下3個方面：①隨著新材料的出現，很多性能好的輕質材料被應用于汽車領域，例如高輕度鋼、鎂合金、鈦合金、鋁合金、特殊塑料、陶瓷和生態(tài)復合材料等；②隨著汽車工業(yè)設計水平的不斷提高，很多汽車開始采用超輕懸架結構、高剛性結構來減輕其質量；③汽車輕量化的發(fā)展促使計算機輔助集成技術和結構分析等技術被應用于汽車領域，從而帶動汽車聯接技術的創(chuàng)新。

2 發(fā)展現狀

隨著科技的快速發(fā)展，新材料、新技術已被廣泛應用于汽車輕量化領域。目前，很多汽車的變速箱殼體采用的都是鎂合金材料，例如上海大眾桑塔納轎車。隨著鎂合金材料性能的提升，如果曲軸的箱體材料由鋁合金變?yōu)殒V合金，那么，其質量將會減輕30%；如果能進一步改善鎂合金材料的抗蠕變性能，那么，自動變速箱的箱體也可以使用鎂合金材料制造。

汽車輕量化的重點在于車身結構的用材。傳統的車身結構是鋼材，但隨著材料學的發(fā)展，鋁合金、精煉鋼、夾層鋼等材料被應用于汽車車身制造上，柔性化板材輥軋、剪拼焊接工藝等技術也得到了應用。不銹鋼與高強度的碳鋼相比，其強度更高、延展性更好。20世紀90年代，奇瑞等汽車公司就開始進行相關試驗。

隨著時間的推移，我國在汽車結構設計方面也取得了較大的進步，已經從依靠經驗設計逐漸發(fā)展為應用有限元等現代設計方法實行靜強度計算和分析的階段。在薄板沖壓工藝方面，上海通用、五菱與湖南大學合作，開展了深入的研究，而北京航空航天大學則利用開發(fā)的CAXA系統研究客車輕量化技術。

3 實現途徑

實現汽車輕量化的目的是在保證其整體性能滿足要求的情況下，盡可能地減輕汽車各部分的質量。由相關含義可知，要想實現汽車輕量化，需要改善汽車的結構設計及其所使用的材料。

3.1 改善結構設計

設計是整個汽車生產的開始，它是決定汽車命運的最主要階段。而在落實汽車輕量化技術的過程中，結構設計需要充分考慮“輕量”這個目的。

汽車輕量化設計就是以“輕量”為目的分析和優(yōu)化汽車的整體結構，使用比較多的技術是CAD /CAE /CAM一體化技術，它涵蓋了從設計到制造整個過程。采用這項技術可以實現汽車零部件的精簡和輕質化，通過對汽車底盤、動力系統等大型零部件的整體加工和相關模塊化設計，可以更好地實現輕量化的目的，這也是節(jié)能、環(huán)保的關鍵。如果這項技術不能滿足汽車整體性能的要求，那么，反演技術和多目標全局優(yōu)化等設計技術的應用就是關鍵。具體表現在以下3個方面：①在車身剛度和強度滿足相關要求的前提下，通過結構的優(yōu)化設計來減輕車身質量；②在性能不變的前提下，盡可能地減小各個零部件的尺寸；③利用發(fā)動機前置、超輕懸架等設置方式，使其結構更加緊湊，而發(fā)動機后置、后輪驅動可以使汽車體積變小，從而實現汽車輕量化。

3.2 特殊輕質材料

汽車70%的質量都集中在車身、發(fā)動機和底盤上，而車身又是其中最重的部分。減輕車身質量后，既能達到汽車輕量化的目的，又可以提高發(fā)動機的工作效率。具體方案包括以下3點：①使用鋁鎂合金、陶瓷等輕質、高強度的材料；②使用更薄、工藝性能好的高輕度鋼材料；③使用金屬基復合材料板、激光焊接板材等輕量化結構用材。

4 結束語

隨著社會經濟的發(fā)展，人們更加重視節(jié)能減排，而汽車輕量化技術勢必會得到重視，也會吸引更多的力量研究它，新技術、新材料將也將被廣泛應用于汽車設計制造中。目前，汽車輕量化技術還處于初步發(fā)展階段，還有很大的發(fā)展空間。

〔編輯：白潔〕