輕量化成商用汽車未來的發(fā)展趨勢

張露

遼寧航天凌河汽車有限公司 遼寧 朝陽 122500

前言

技術研究表明，同樣的動力及傳動系統(tǒng)，商用車的整車重量每減少10%，其油耗就降低6%-8%左右。巴斯夫公司也做過同樣的研究，汽車每減少100kg重量，每百公里油耗就減少至少0.3L，對應的二氧化碳排放量也減少5g/km。所以，在汽車行業(yè)的改革中，輕量化可以作為節(jié)能減排的重要途徑之一。《中國制造2025》也對輕量化的重要性進行了強調。這也使得很多汽車制造企業(yè)和研究機構都將輕量化作為重點研究對象。

1 商用車輕量化的定義和意義

汽車輕量化是指在確保汽車使用的性能、安全性及成本控制要求的基礎上，通過使用新型的技術、材料及工藝來實現(xiàn)汽車的整體重量降低。使汽車制造逐漸的走向低能耗和低排放方向。從汽車的裝備質量來考慮，商用車與乘用車相比在原材料應用上屬于大戶，對其進行輕量化的設計能夠響應國家節(jié)能減排的要求，且汽車的輕量化設計也是實現(xiàn)能源節(jié)約的有效途徑。

2 商用車的輕量化實現(xiàn)途徑分析

2.1 汽車結構的輕量化設計

汽車結構的輕量化設計是從其拓撲優(yōu)化和尺寸形狀優(yōu)化角度進行的。具體如下：

（1）汽車拓撲結構優(yōu)化設計

拓撲結構優(yōu)化是從經(jīng)驗目標函數(shù)角度進行的汽車結構的宏觀優(yōu)化，在空間范圍給定基礎上，不斷的進行迭代來形成新的連接形式和材料的重新分布。去掉原有設計中的冗余部分，將部分零部件進行薄壁和中空化，使汽車宏觀結構得到拓撲優(yōu)化。拓撲優(yōu)化主要運用數(shù)學運算及有限元進行結合分析進行的。

（2）汽車外觀形狀優(yōu)化設計

外觀設計主要是尺寸上的優(yōu)化，對尺寸形狀進行優(yōu)化，對汽車的材料布局進行局部的細化和調整。尺寸形狀的優(yōu)化是在各項結構參數(shù)已經(jīng)確定，材料分布也確定的基礎上進行的。其優(yōu)化的范圍是圍繞桁架結構所進行的橫截面積，節(jié)點分布及各個結構結合尺寸的最優(yōu)化處理，確保整車剛度不改變的情況下進行車身重量的最小化，尺寸優(yōu)化是拓撲優(yōu)化的深入，也是基于數(shù)學模型基礎上進行的優(yōu)化。

2.2 汽車材料的輕量化應用

（1）金屬材料應用

汽車輕量化的實現(xiàn)還要依靠輕質金屬材料。通過使用高強度鋼、鋁、鎂合金可以實現(xiàn)車身重量的15%-60%的重量降低。①目前汽車的結構部件、安全部件以及保險杠等都主要使用高強度輕型鋼；這種鋼質量輕，強度大，成本低，能夠在輕量化基礎上提升安全性。用于汽車底盤，懸架及車身結構的鋼質材料應用常添加一些合金成分來改善韌性及強度。②鋁及合金用于汽車的輕量化生產(chǎn)已經(jīng)比較成熟，鋁及鋁合金密度低，重量輕，彈性及抗沖擊力強，比較容易著色。目前汽車的輪轂、動力系統(tǒng)及懸架系統(tǒng)都已經(jīng)使用此類材料的零部件。奧迪、捷豹、路虎、福特等部分型號的車身結構都已經(jīng)是全鋁型的。鋁合金作為輕量化的材料已經(jīng)廣被認可，隨著鋁合金成型及連接技術的完善，鋁合金的輕量化應用將更加普遍。③鎂及鎂合金密度小，重量輕，強度比鋁合金及鋼都更有優(yōu)勢。但其不足之處在于高溫疲勞和抗蠕變能力差，所以在汽車制造中的應用只是進行殼體及支架類零件生產(chǎn)，常見的儀表盤、變速箱體以及剎車轉向支架等。我們具有豐富的鎂合金，但其具體的成形應用還需要做深入研究。

（2）非金屬材料應用

非金屬材料在汽車輕量化中的應用主要是塑料及碳纖維。①塑料應用于車內(nèi)飾、零部件，以塑代鋼已經(jīng)成為一個輕量化的發(fā)展趨勢。②碳纖維復合材料密度小、耐腐蝕、強度及剛度強，在汽車的車身及底盤應用中，可以在確保剛度情況下減輕車身重量。

2.3 汽車生產(chǎn)的輕量化工藝

汽車輕量化實現(xiàn)除了在結構設計優(yōu)化和材料應用上的改善，還要重點從生產(chǎn)工藝上進行優(yōu)化,輕量化的部件生產(chǎn)在工藝上的實現(xiàn)主要是從連接及成形上開展，主要有以下幾種工藝：

（1）鎖鉚連接工藝

傳統(tǒng)板材連接以點焊為主，無論是生產(chǎn)效率還是成產(chǎn)成本都不夠理想，也達不到車身輕量化的連接要求。鎖鉚連接在進行鋁合金，鎂合金的連接上，通過外力將鉚釘穿透到第一層材料后，再向底層材料進行流動性的延展連接，呈現(xiàn)一個鑲嵌式的互聯(lián)性塑性連接，有效的提升了板材的抗拉及抗剪強度。在進行異種材料及表面有鍍層的板材連接時優(yōu)勢更加明顯，所以鎖鉚連接用于汽車的輕量化設計將會有廣闊的發(fā)展前景。

（2）粉末注射成型工藝

粉末注射技術作為一種新型的近凈成形技術，是在原始粉末冶金基礎上與現(xiàn)代塑料注射成形的工藝結合。其在輕量化設計中的應用主要是可以實現(xiàn)致密度高、力學性能優(yōu)良、表面粗糙的小部件。另外，在車體形狀較為復雜的零件生產(chǎn)上也具有較可靠的應用。粉末注射成形的生產(chǎn)效率非常高，能夠提升汽車生產(chǎn)的輕量化，降低生產(chǎn)成本。無論是經(jīng)濟可行性還是技術可行性都有優(yōu)勢。粉末注射成形在輕量化的汽車生產(chǎn)應用上，主要是用于制造汽車的動力傳輸部件、渦輪增壓器、燃油噴油器以及安全氣囊燈嵌入型元件、電動門鎖和壓力傳感器等部件。

（3）高壓成型工藝

內(nèi)高壓成形也可稱為液壓成形，最早于上世紀初作為軟模成形技術進行應用。這項成形工藝可以適用于形狀復雜、外觀質量要求高度一些大型板材零件的生產(chǎn)。使得復雜板材的部件生產(chǎn)更加簡單，柔性化和快速化，降低生產(chǎn)成本。高壓成型主要是板材和管材的生產(chǎn)，比如，汽車車身的覆蓋件就是板材高壓成型。而汽車的曲軸、排氣管及支架梁等形狀復雜的管件類也是靠高壓成型。

3 結語

總而言之，汽車制造行業(yè)作為國家經(jīng)濟的重要支撐產(chǎn)業(yè)，其未來的發(fā)展受到廣泛的關注。在當前不斷加劇的能源危機和環(huán)境污染危機下，汽車的輕量化已經(jīng)作為未來的主要發(fā)展趨勢成為汽車行業(yè)的發(fā)展必然。從國內(nèi)輕量化的商務用車技術應用來看，距離世界先進水平還有差距。這就要求從汽車的輕量化結構、材料集工藝等幾個方面深入研究，通過綜合的輕量化汽車制造來實現(xiàn)汽車行業(yè)的可持續(xù)性健康發(fā)展。