淺談汽車的輕量化發展

吳培

摘要：本文主要從結構優化、工藝優化和新材料利用等幾個方面對汽車的輕量化的發展進行研究，希望為我國汽車輕量化的研究提供一定的理論基礎。

關鍵詞：汽車；輕量化；結構優化；工藝優化；新材料

隨著我國居民收入的增加，越來越多的家庭擁有了汽車，這也帶來了能源和環保等方面的問題。汽車的輕量化就是在保證性能的基礎上，通過新技術的運用來減輕汽車的重量。每降低10%的重量，汽車就可以節約7%的能源，減少3%～5%的二氧化碳的排放。通過應用輕量化技術，不僅可有效的實現節能減排，還能改良汽車在啟動、剎車等方面的性能，同時增加汽車的壽命。由于國內外對汽車環保要求的不斷提高，輕量化已成為汽車行業發展的趨勢。對車企而言，汽車輕量化是汽車的一個核心關鍵技術，直接關系到企業的核心競爭力。同時，汽車輕量化技術的發展，也能為國家汽車產業的健康成長找到出路。目前汽車輕量化技術的實現主要有以下三種途徑：車身零部件的結構優化、產品生產工藝的優化和新材料的使用。

1 優化結構實現汽車輕量化

汽車的結構優化主要是指對車身整體結構和零部件的形狀和尺寸進行優化。形狀優化主要通過優化車身和零部件的外形和局部特征，改變應力在產品內部的分布，讓應力分布的更加均勻，從而實現材料的充分的應用，達到輕量化的目的。尺寸優化是指在滿足產品性能指標的條件下，通過增加高應力區域的材料密度，降低低應力材料區域的材料，實現對車身和零部件的截面厚度進行優化。

形狀優化主要通過改進車身和零部件的結構，使車身和零部件薄壁化、中空化、小型化和組合化，實現車身和零部件整體化和輕量化的目的。在日產推出的March車型中，日產改變了以往平板車架的做法，通過在車架上設置了凹型壓邊筋，減少了車上鋼材的使用，實現了和比老款減重7%的效果。同時在新汽車結構的設計上，也可以通過運用CAE技術對產品的拓撲結構進行優化。德國公司研發的Light Coccon概念車，放棄了傳統的結構，采用仿生學設計將車身設計成烏龜殼的結構，充分運用中空化和組合話的技術，實現了每平方米19g的極致輕量化設計。

尺寸優化可通過激光切削、精密鑄造等技術實現零件材料的合理利用。對滿足要求的部分盡量降低材料的厚度，可以通過在關鍵部位增加加強筋、提高材料牌號，增加減重孔和切除多余翻邊等方法實現零部件徹底優化的目的。在新型的邁銳寶XL中，在汽車的底盤縱梁上發現有一些大大小小的用于減重和避免共振而設計的孔洞。

2 優化工藝實現汽車輕量化

工藝優化、結構優化和輕量化材料的使用，在實現汽車的輕量化方面具有相輔相成的作用。目前輕量化的工藝的優化主要集中在兩個方面：一是優化零件的成形技術，二是優化制造工藝。

成型技術上的優化可以通過應用CAD/CAE/CAM等計算機輔助技術，提高模具的設計水平和精度，相應的提高形成后零件的精度。目前新的成型技術包括液壓成形技術、差厚板技術、沖壓成形技術和3D打印技術等。其中，應用差厚板技術可以讓設計師根據實際受力情況，在不同的區域壓制出不同的厚度，相比等厚板，差厚板在實現減重的同時，提升了板材的利用率。與傳統的機加制造工藝，3D打印作為一項新技術可以實現個性化的定制要求，可以對汽車的外形進行改造，也可以對零組件的形式和結構進行重新定義，實現輕量化的設計理念。

制造工藝的革新的一個典型案例就行就是一體化設計和制造，將零件進行集成設計，通過合理的形狀和結構將多個配件合成一體，減少了配件數量，實現減重的效果。在科邁羅V6發動機上，通過氣缸蓋及尾氣歧管一體化鑄鋁設計技術，減少了一個帶有六個螺栓的鑄鐵排氣歧管，一個墊圈以及一個帶有三個螺栓的防熱罩，實現減重6kg。

3 新材料使用實現汽車輕量化

在汽車實現輕量化的進程中，新材料已成為實現汽車輕量化的一個重要途徑。通過新材料的使用，在實現輕量化的同時，還實現了汽車性能的提升。目前，替代的新材料主要有高強度鋼、鋁合金、鎂合金和塑料復合材料。

高強度鋼的減重主要是依靠自身超高強度等級來代替普通的鋼材，利用強度差來減薄鋼板厚度，在提升汽車輕量化的同時，還提升了汽車安全性能。高強度鋼主要用于安全件上，例如AB柱、車門防撞桿等關鍵部位。目前，歐美車身的高強度鋼的應用比在55%以上，國內自主轎車的應用也達到了45%。

鋁合金的密度只有不銹鋼的35%，作為輕量化材料目前已在汽車上得到了廣泛的使用。根據研究數據，汽車中典型鋁制零件一次減重可達30%～40%，二次減重可以提高到50%。目前主要是5系列和6系列的鋁合金用到應用到汽車車身，它們具有質量輕、強度高、耐疲勞等特點，在相同低質量的情況下可提供更大的強度。目前奧迪A8和A2，捷豹XJ均以實現了全鋁車身，國內的轎車全鋁車身也在新能源電動車上實現。

鎂合金作為最輕的工程材料，較鋁合金具有更低的密度。鎂合金不僅是最適合鑄造汽車零部件的材料，也是最有效的汽車輕量化材料。而鎂合金鑒于種種原因沒有得到大力推廣和使用，目前使用的主要方式為鑄造鎂合金，已使用的汽車零部件有變速箱殼體、座椅框架和發動機托架等。目前，每輛汽美國車約使用3.8kg的鎂合金，日本約使用9.3kg，歐洲已達到14kg，而國內平均僅1.5kg，仍有很大的發展空間。

塑料復合材料主要是由兩種或兩種不同性質的材料組成，復合后的性能較單一材料有較大的提升，具有密度小，比強度高，抗腐蝕能力好等特點，被廣泛用在汽車內飾和外裝件上。其中碳纖維復合材料具有密度低、性能好、耐高溫、耐腐蝕和耐疲勞等特點，重量是鋼的四分之一，但是強度卻是普通鋼材的數倍。邁凱倫通過在MonoCell的底板上通過充分使用碳纖維強化樹脂，將底盤的重量控制在75kg。在奔馳推出的Smart Forvison概念車上，通過使用樹脂制造，實現每個輪子減重3kg的效果。

4 結語

隨著汽車工業的發展，汽車的輕量化已成為企業自身實力和企業責任的一種體現。本文主要從車身和零件的結構優化、先進工藝的使用和新材料使用三大方面對汽車的輕量化發展進行了分析。隨著汽車慢慢成為我國經濟的支柱產業，我國的汽車商應不斷提高提高自身的實力，讓每個國人都愛上中國車。

參考文獻：

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