基于耐撞性及操縱性的汽車輕量化技術研究

祝維婧

（牛欄山第一中學，北京 101301）

隨著汽車保有量的不斷增加，能源危機、空氣污染等問題不斷出現。汽車尾氣的主要成分包括固體顆粒物、一氧化碳、氮氧化物等，嚴重污染空氣。當下通過節能減排控制能源消耗以及空氣污染至關重要。汽車輕量化對實現節能減排有重大意義。所以，輕量化是當前汽車行業的研究熱點。

在考慮輕量化的同時，汽車安全性及操縱性也是必須要考慮的重要因素，直接關系到駕駛者乘客及行人的人身安全，在汽車安全法規中也有明確要求。本文擬通過對當前輕量化技術與耐撞性及操縱性的研究現狀進行分析，試圖探索三者之間的影響規律，為汽車結構設計以及發展提供理論和數據支撐。

1 汽車輕量化技術

輕量化技術是指在保證現有功能前提下盡可能降低汽車整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。有數據指出汽車每減少100kg，可節省燃油0.3～0.5 L/(100km)，可減少CO2排放 8～11g/(100km)。安全節能是當今汽車行業的發展主題，如何降低整車質量的同時，提高汽車的安全性以及操作性，是汽車行業競爭的主要焦點。

實現汽車輕量化的技術主要包括以下三方面：（1）結構優化：包括拓撲優化，尺寸優化，形狀優化。（2）先進工藝：包括液壓焊接，激光焊接，激光拼接等。（3）新材料：包括高強度鋼，鎂鋁合金，非金屬復合材料。拓撲優化主要通過不斷優化材料分布和傳力路徑，節省最多材料實現減重。關于拓撲優化，在Bendsoe等提出的變密度算法中，對于算法結果有不可消除的偏差。因此，拓撲優化需要在算法結果之上加以人工再設計，并將其與形狀優化和尺寸優化等方法結合使用。

先進工藝主要以液壓成型為主要研究熱點。雖然對設備要求精確，但液壓成型技術具有成型精度高、可節約材料、減少成型件數量和后續機械加工與焊接量、提高成型件的強度與剛度、減少模具數量、降低生產成本等優點，因此使用較為廣泛。自20世紀90年代德國率先使用至今，50%的汽車底盤在制作過程中應用了液壓成型技術。

高強度鋼相對于普通鋼材來說，拉伸強度可以達到500MPa以上。對于汽車的耐撞性和減重有著顯著影響。其中，先進高強度鋼（AHSS）已成為研究熱點。

結構優化，新材料與先進工藝在車身中的減重百分比如表1所示。

表1 輕量化技術減重百分比

從表1中可以看出，結構優化中拓撲優化相對于尺寸優化減重可達15.3%，在新材料替代減重中，鋁鎂合金的減重效果要遠高于碳纖維和高強度鋼。所以，當前材料減重，各大汽車廠商主要以鋁鎂合金的使用、碳纖維非金屬復合材料的替代作為主要突破方向。如路虎和奧迪采用全鋁鎂合金車身，寶馬i3和i8采用模塑成型工藝制成連續碳纖維聚合物車身，其強度不低于甚至高于金屬車身。其中，先進工藝主要通過減少零件數目來達到減重效果。比如液壓成型，可以直接把兩個零件通過液壓壓力，緊固在一起，省去了連接件的使用如螺栓、鉚釘等。

在選用輕量化技術時，除考慮技術本身之外，生產節拍以及成本也是主要的考慮因素。液壓成型工藝在減重效果方面不及新材料等其他技術，但在成本上有所降低，在實際生產中應用較廣。新材料使用對于減重效果相較于其它方法較為顯著，且在實際生產應用中優先級也高，是輕量化技術在應用優先級較高的一項。值得一提的是，拓撲技術雖減重程度較小，但在基于碳纖維材料的優化設計中，減重達到61.8%。綜上，在輕量化技術的發展中將多種輕量化技術結合，可達到更好減重效果。

2 汽車耐撞性及操縱性

耐撞性是指通過犧牲特定結構、吸收碰撞能量來提高系統的碰撞抵抗能力，從而保護成員及貨物的安全。各國對于汽車的碰撞安全有明確的法律規定。研究耐撞性主要應用有限元模型進行計算，優化研究過程，降低研究成本。

汽車的碰撞主要包括三方面：正面碰撞、側面碰撞和尾部碰撞。有資料顯示，正面碰撞發生的事故概率占到整體所有事故的40%，并且死亡率達到48%，遠大于其他形式的碰撞。所以，汽車耐撞性主要以研究正面碰撞為主。對正面碰撞進行保護主要通過汽車保險杠和吸能盒實現。

3 輕量化與耐撞性及操縱性影響規律

由于車身結構是影響耐撞性及操縱性的重要因素，而輕量化的本質是汽車減重，減重的同時，對車身結構的強度以及剛度造成影響，所以輕量化能夠影響汽車耐撞性以及操縱性。

3.1 減重后對耐撞性的影響

車身并非越硬越好，減輕鋼板重量也不意味著耐撞性的降低。汽車吸能的方式主要是通過材料本身發生變形，或者結構發生變形。如保險杠通過具有褶皺結構的吸能盒吸收碰撞能量，并且保險杠本身直接對行人接觸，在保證乘員的安全之外，還要考慮到對行人造成的傷害。所以在減重時，保險杠的材料替代一般采用碳纖維/玻璃纖維非金屬復合材料。并且，汽車輕量化的目的，就是在不降低結構本身的使用性能，當然也包括耐撞性的前提下，進行材料替代。

當前技術，不論是鋁鎂合金還是碳纖維增強復合材料，其力學性能都不低于之前的金屬，所以，如何通過結構設計，達到人-車平衡是未來的研究重點和熱點。

3.2 減重后對操縱性的影響

在轉向系中，前輪定位是在考慮轉向性能等基礎上決定的，其主要因素中包括主銷后傾角。當前輪從直線位置偏移時，由于作用在車輪上的行駛阻力和側向力的作用產生繞主銷的回正力矩，從而保證直線行駛。行駛阻力中包含與地面摩擦力，與摩擦因數及汽車質量有關。當摩擦因數一定，摩擦阻力與汽車質量正相關。當輕量化減重后，摩擦阻力減小，將對繞主銷的回正力矩有影響，從而影響汽車的轉向操縱性。

后輪獨立懸掛方式有三種，包括縱置單臂式和斜置單臂式與擺動半軸式。三者與橫向加速度對轉向的影響中，擺動半軸式在橫向加速度較小時有嚴重的轉向不足，又在0.6g附近突變為過度轉向。因為加速度g的改變而發生突變，所以，汽車輕量化中可能對操縱性有較大影響。

4 結語

本文對輕量化的研究現狀，以及耐撞性、操縱性的影響因素，進行了全面分析，得到的結論如下。

（1）輕量化的發展方向。在新材料方面，鋁鎂合金和碳纖維增強復合材料以及其他非金屬復合材料在考慮材料本身力學性能和制造成本的前提下，具有大規模推廣的潛力。由于高強度鋼工藝復雜，對制造設備要求較高，所以使用有限；在新工藝方面，激光焊接，液壓一體化成型將在金屬車身方面得到進一步發展。

（2）輕量化與耐撞性及操縱性的影響。轉向系和懸掛系統指標參數多與重力加速度有關，汽車減重的同時，會對操縱性造成一定影響；而汽車的減重，必須考慮材料本身強度的同時，引入結構優化概念，來確保乘員—行人—車身的平衡。

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