探討汽車的輕量化技術運用方法

王域丞洛陽市第一高級中學 河南省洛陽市 471003

摘 要：采取汽車輕量化技術能夠減輕汽車質量，有效解決節能環保相關問題。輕量化在推動汽車工業有效發展上起到了非常大的作用，對其具體運用方法進行分析具有很大的現實意義。本文介紹了輕量化技術在輕量化材料開發以及汽車機構設計方面的應用、現代工藝上實現的具體方法與產生的主要作用等，表明了輕量化技術當

前主要應用方向以及應用現狀，并且強調了該技術未來的發展前景。

關鍵詞：汽車；輕量化技術；運用方法

隨著我國汽車工業的不斷發展，我國環保問題、能耗問題與安全問題造成的影響也越來越大。所謂汽車輕量化技術，主要指在與汽車實際使用以及經濟要求相符的條件下，集成應用整車與零部件合理設計、環控、材料應用和新工藝開發，從而減輕汽車質量，與現代汽車技術發展整體趨勢一致，同時也是當今有效解決環保問題以及節能問題的主要手段。

1 輕量化技術運用中優化設計的作用

1.1 結構的設計

對于汽車優化設計，其主要針對的是車身以及關鍵零部件。進行優化設計的時候，需要考慮的有：①對車身空間結構進行優化，達到不同工作載荷的要求；②減小或者是減少車身不必要的尺寸、各種零件的數量以及零部件厚度；③不斷優化零部件外形，盡量減少多余的結構或者是增強重要構件數量。

1.2 材料的確定

優化設計主要是通過科學設計汽車產品，在與汽車使用性以及經濟性具體要求相符的條件下，采取相應的輕量化材料，這時候設計者經驗以及 CAE技術就顯得特別重要。其中設計者的經驗能夠通過不斷積累獲得轉化，屬于輕量化數據庫里面的專家系統 [1]。此外，依據設計的靜動力學相關分析，整車性能的深入研究以及主要件生產工藝具體模擬過程可知， CAE技術能夠為材料的選擇進行合理預判。

1.3 預置工藝

由于汽車結構十分復雜，其工藝實現會嚴重影響到整車輕量化效果。隨著汽車業的不斷發展，各種復合材料、高強鋼以及鋁鎂合金不斷出現，同時也對應用工藝方面的要求更加高 [2]。其中主要有：一些部件，比如轎車副車架，本身形狀十分復雜同時生產難度較高，液壓成形可以提供一個有效解決途徑；界別比較高的高強鋼，其對成形性方面的要求比較高，熱成形技術就可以有效解決該問題。利用 CAE技術能夠對這些工藝所具有的可行性以及路徑進行有效的分析。

1.4 試驗仿真

所有車輛的好壞，均需要試驗的驗證。汽車輕量化整個發展歷程中，國外一些汽車檢測法規開始用 CAE分析法取代某些試驗測試，并且其結果獲得了各界確認，最終變為了一項標準要求。其中對汽車輕量化造成嚴重影響的相關試驗主要是：保險杠碰撞試驗、自車身彎扭試驗以及自車身 NVH試驗等，這些試驗均能夠利用 CAE技術取得比較理想的仿真效果。

2 輕量化技術運用中各種新材料以及新工藝的作用

2.1 新材料的運用

①高強鋼屬于輕量化的主要材料，大量使用這種高強鋼不僅可以使整車輕量化，同時還可以確保汽車自身安全性以及可靠性，所以，高強鋼實際使用面比較廣，同時量也非常大。

②鋁合金屬于輕質材料，本身抗腐蝕性非常好，具有廣闊應用前景。最近幾年，汽車制造過程中鋁材用量越來越大，其中主要包含有鍛鋁或者是鑄鋁、板材以及擠壓材，一般使用于車輪、車身結構、外覆蓋件以及空間框架等位置。

③鎂合金是一種比鋁質量更輕的材料，具體體積質量只有 1.8 千克 /立方米，獲得的輕量化效果非常顯著。這種材料最開始是在方向盤骨架、殼體類以及氣缸蓋罩蓋等部位使用，當前已經逐漸應用于支架類零件、座椅骨架以及儀表盤骨架部位。

④塑料和各種纖維復合材料也開始廣泛應用于汽車工業領域，其中汽車上所采用的塑料件已經有數百個 [3]。對于重型卡車，其所使用的塑料以及復合材料量高達 150千克，主要包括普通的塑料以及強度比較高的復合材料。

⑤二十世紀六十年代發展起來的新材料主要包括金屬基復合材料，并且在八十年代之后得到了迅猛的發展。對于汽車工業生產而言，其所采取的 MMC大部分為纖維增強或者是顆料增強的相應鋁基復合材料。這種材料在剎車系統零部件以及發動機中得到了廣泛的應用。其中發動機零件包括氣門挺柱、缸套、活塞、搖臂、連桿以及活塞銷，而汽熱成形技術的具體應用

為了同時實現輕量化以及增強汽車性能的目的，就應該選擇強度較高的相應輕量化材料。現階段，目前，如果乘用車的車型已經達到 Uncap碰撞 4星或者是 5星級水平，那么其主要安全件里面（A柱，B柱，C 柱以及保險杠防撞梁和防沖柱等）一般采用的是抗拉強度達到 1 500 MPa并且屈服強度達到 1 200 MPa相應馬氏體鋼，這樣高的強度之所以可以實現，主要是因為熱成形鋼材以及相關工藝技術的迅猛發展。材料自身屈服強度以及延伸率會對其加工成形性產生直接的影響，同時材料的斷裂應變與其屈服強度以及材料的溫度存在緊密的聯系 [4]。當溫度為 900℃的時候，熱成形鋼具體屈服強度將會減小到 150 MPa，并且斷裂應變超過 50% ，這時候熱成形鋼自身成形性以及可加工性均非常好，當熱成形過程結束后，開展冷卻淬火工作，使其達到高強度，同時固定了處于熱成形狀態下的相應形狀。

2.2.2 液壓成形技術的具體應用

所謂液壓（也就是內高壓）成形，主要是指選擇液態物質當做施力介質，通過施力介質處理坯料，使其貼合凸模或者是凹模面成形。其中液壓成形可以分為兩種，分別是板材液壓成形以及管材液壓成形。進行汽車工業生產的時候，一般選擇管材內高壓成形方法。對于管材液壓成形方法而言，其所具有的優點主要有：①可以節約材料用量；②降低后續工作量；③因為焊接減少，所以能夠增強構件強度以及剛度；④和沖焊件進行比較，其材料利用率處于 95%～98%范圍內；

⑤減少生產成本以及模具費用支出。

2.2.3 激光拼焊板技術的有效應用

因為激光焊接技術具有一定特殊性，并且焊接速度非常快，具體熱影響區比較小，所以，激光拼焊板材具有比較理想的成形性。這種拼焊板技術可以把各種表面處理狀態、不同厚度以及不同強度的相應板材利用激光拼焊集成為整體板坯進行沖制，通過這種方式能夠選擇減少模具數量以及后續生產工序環節，達到減小生產成本的目的，同時確保零部件質量，改善零件結構，將各種強度以及各種厚度板材所具有的特性充分發揮出來了。

2.2.4 金屬半固態成形技術的有效應用

這種技術所具有的特點主要為：節能環保、高效并且高性能以及低成本。通過多年的有效發展，這種技術的應用越來越成熟。二十世紀九十年代，西方國家已經發展至產業化應用這一階段，同時促進了鋁合金材料在汽車結構零件制作中的廣泛應用[5]。現階段，瑞士 Alusuiss、德國 EFU以及法國 Pechiney公司等都具備較大規模的產業，同時在汽車零部件生產中得到了大量的使用。單件尺寸以及質量也越來越大。

3 輕量化技術運用中 LCA的作用

所謂 LCA，主要指客觀評價產品生產工藝和生產活動環境負荷，其利用辨識并且量化能量、具體物質消耗和因為生產而產生的廢棄物排放量的方式來評估能力以及物質利用給周圍環境造成的影響，從而獲得改善產品或者是生產工藝的途徑，屬于有效工藝評價方法。對于輕量化而言，不僅應該減輕汽車質量，同時還應該符合汽車 LCA，這是因為 LCA主要追求的是產品整個生命周期不對周圍環境產生大的影響，能夠盡量提高可耗竭資源實際使用效率，降低材料以及能量的消耗量，對各種可再生能源進行充分的利用，達到保護環境的目的。

4 輕量化技術未來應用前景

未來輕量化技術的進一步發展將一直圍繞材料的使用進行，全球各國為此均已經采取了多種措施：其中美國 PNGV計劃認為材料的選用主要是塑料復合材料、高強鋼以及鋁 /鎂合金，通過這些材料達到汽車輕量化的目標，同時強調了廣泛運用輕質材料所具有的重要性；落實 ULSAB-AVC計劃的時候，把輕量化目標范圍延伸至發動機支架、汽車超輕鋼懸架系統和別的結構件，生產出的車身燃油效率得到了顯著改善，同時材料十分容易回收，能夠減少成本投入。

中汽協發表了《汽車輕量化意義》，內容主要面向未來，并且要求分析并且優化汽車總體結構的時候，應該在以下方面實現輕量化：附件輕量化、零部件的精簡化以及整體化、車身輕量化、發動機輕量化、變速器輕量化、懸架輕量化與車身輕量化。現階段，國內廠家正在研究客車、普通轎車以及商用車所使用的輕量化材料具體應用技術以及使用性能，發現高強鋼以及鋁材料的使用結果非常值得期待 [6]。

5 結語

汽車生產過程中，各種輕量化材料已經得到了普遍應用，未來汽車工業主要發展方向就是汽車輕量化。現階段，經常使用的輕量化技術為：優化設計技術、材料技術、 LCA生產技術。對象研究表明，以后汽車工業生產相應實現全方位輕量化目標，就應該將發展重點放在材料輕量化方面，對促進汽車工業進一步發展非常有利。

參考文獻：

[1]范子杰，桂良進，蘇瑞意等 .汽車輕量化技術的研究與進展 [J].汽車安全與節能學報，2014，5（1）：1-16.

[2]胡明寶 .汽車輕量化技術的發展現狀及其實施途徑 [J].消費導刊，2015，12（12）： 361-361.

[3]范軍鋒，馮奇，凌天鈞等 .汽車輕量化與制造工藝[J].機械設計與制造，2009，38（7）： 141-143.

[4]曹學濤，崔建磊 .輕量化技術在汽車工程中的應用 [J].山東工業技術，2016，95（6）： 87-87.

[5]向曉峰，魏麗霞，馬嗚圖等 .汽車輕量化技術的應用 [J].汽車工程師，2012，16（5）： 57-59.

[6]陳一龍 .汽車輕量化技術發展狀況及展望 [J].汽車工藝與材料，2012，09（1）：1-4，21.