汽車輕量化技術的應用

屈光洪 尚珍

摘 要：汽車輕量化是一種產品發展戰略的思想，旨在通過一個系統的最小質量，在給定的技術邊界條件下實現所需要的功能。文章列舉了汽車輕量化的一些例子，介紹了一些輕量化的系列方法，為汽車輕量化的實施提供一定的基礎。

關鍵詞：輕量化;應用;方法

中圖分類號：U462.2 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-64-03

Application of Automotive Lightweight Technology

Qu Guanghong， Shang Zhen

（Beijing Polytechnic Automotive Engineering College，?Beijing 100176）

Abstract：?Automobile lightweight is an idea of product development strategy， which aims to realize the required functions under the given technical boundary conditions through the minimum quality of a system. This paper enumerates some examples of automobile lightweight， and introduces some series of lightweight methods， which provides a certain basis for the implementation of automobile lightweight.

Keywords： Lightweight; Apply; Method

CLC NO.： U462.2 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-64-03

前言

汽車輕量化技術，旨在保證汽車的強度和安全等性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的的基本性能如動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染等^[2]。實驗證明，汽車輕量化有著重要的意義如圖1。我國制定了汽車輕量化的階段目標如表1：

1 結構模塊化集成優化

結構設計與優化部分對汽車車身很重要，它既能實現零部件減重，也能夠達到增加扭轉剛度的目的^[1]。一般汽車輕量化技術的應用是在結構優化、新材料及工藝上進行。通過反復試驗得出方案。應用途徑如圖2開發流程的那個如圖3。

隨著新材料的出現，科技的發展，汽車零部件的輕量化發展就不會停滯。

1.1 外形或結構輕量化

外形輕量化有時也由于其所描述的設計和結構調整而被稱為形狀或結構輕量化。

通過零部件造型和優化力的分布，使其成為具有最小重量的結構。除了重量之外，最重要的要求是安裝空間、負載、制造技術和負載引入元件的功能集成。這樣輕量化設計與方案和材料是息息相關的。在形狀輕量化中，在實現結構零件的幾何形狀、數量和布置的同時，還應考慮到實際的要求，特別是對負載的要求。在設計開發過程中，除了應該用各種成型和設計規范之外，同樣還會應用到像拓撲優化法和成型優化法這樣的優化方法。

1.2 集成輕量化

集成輕量化，就是將許多功能性零部件或者功能集成在一個零部件上。這種生產出來的零部件為一個整體或者一個系統，省去了安裝和大部分零部件。例如將前保險杠、散熱器總成、前防撞梁及前大燈安裝點四個系統進行集成，集成在一個整體的零部件上。如圖4。

2 連接方式輕量化

汽車上常用的連接方式是螺紋接和點焊接。輕量化連接技術，就是通過連接方式的改變來降低重量，這也是一個行之有效的方法。例如奧迪汽車（如圖5）有14種鏈接。

3有限元輔助設計輕量化

通過計算機輔助工程（CAE）方法，建立輕量化數據庫。例如：汽車零部件性能數據庫、成型工藝咨詢庫、常用車型材料在成型前、后以及不同使用時間的參數庫等;建立吸能部件優化設計專家系統，開發汽車CAE軟件系統。通過專家數據庫的建立，大幅度提高我國汽車結構設計水平，為快速進行汽車結構輕量化設計提供有力的手段和有效的工具。

4 系統輕量化

系統輕量化有時候也可以被稱為方案輕量化，其特點是從整個系統或部分系統來考慮輕量化。通過從系統的角度對結構件、組件、和模塊進行分析并加以調整，使其適合整個系統或部分系統，從而降低整個系統的重量。其應用實例是具有較高部件和功能集成度的新負載路徑整合或結構開發。例如：福特的應用實例B柱一般由內板和外板組成，福特通過變厚度TRB板技術設計改造，將B柱和其加強板合并成為一個零件，減重1.4kg，達10%，同時省略了內板的模具、沖壓和焊裝費用，降低了制造成本。再如奔馳E級車有10多個零件應用差厚板，減重效果明顯。據報道，車身因應用差厚板減重6kg，每輛車降低成本產生的效益折合人民幣80至130元。

5 材料輕量化

5.1 鎂合金在汽車上的應用

在力學性能方面鎂、鋁合金較為相似，然其密度為鋁的2/3，鎂合金具有穩定性強、質量輕、比強度高、并且鎂合金有較好的阻尼系數和彈性模量，散熱性和減振性良好，是汽車輕量化效果最好的金屬材料。在汽車領域多應用壓鑄鎂合金件，主要應用在儀表盤橫梁、方向盤、發動機罩蓋、座椅支架、車內門板、變速器外殼等方面如圖6。將來，鎂合金生產成本下降，使得鎂合金具有經濟優勢，汽車產業使用鎂合金替代鋁合金部件在減輕重量的同時也獲得了成本的降低，這將有助于進一步打開了鎂合金應用的空間。我國有著豐富的鎂礦資源能為發展鎂合金提供物質基礎。

5.2 碳纖維復合材料外覆蓋件的應用

碳纖維（增強聚合物基）復合材料有足夠的強度和剛度，抗拉強度一般在3500MPa以上是鋼結構的7～9倍，抗拉彈性模量在2000MPa，質量比鋁合金輕，具有耐腐性、高模量的特性，其適用于制造汽車車身、底盤等主要 結構件的最輕材料，碳纖維可使汽車車身、底盤減輕40%～60%的重量，相當于鋼結構重的1/3～1/6，碳纖維具有良好的減重效果。

5.3 輕量化鋁合金骨架式車身

將原型車鋼制型材全部替換為鋁合金擠壓型材。在結構上進行加強，優化前防撞系統時增加后防撞梁;應用籠式設計的鋁合金框架式車身，它能夠有效吸收碰撞能量的鋁合金前端框架，為乘員提供全面保護。鋁合金骨架式車身總體結構造型，車身框架主結構由擠壓型材搭建，關鍵節點部位采用鑄鋁連接，關鍵承力安裝部位使用鑄鋁。接頭部位通過高壓鑄鋁實現鏈接，保證了接頭處的強度^[3]。白車身較傳統鋼制車身減重30%。單車用鋁量超過160kg，占車身重量的54%，多材料應用實現輕量化15%。

6 制造工藝方案輕量化

將車身的零部件沖壓工藝改為熱成型工藝，對通過熱成

型件的合理位置布置和使用，來達到降低車身開發成本、提升車身碰撞性能，從而提高車身輕量化水平。經統計，不同車型有26個部位應用了熱成型零件，如圖7所示。其中B柱加強板有37款車型應用了熱成型，為應用最多的零部件;其次A柱上加強板、上邊梁加強板均有不低于20款的車型應用了熱成型;此外車門防撞梁、前后縱梁等部位也都有所應用。

工藝的改進，鋁合金車門采用門模塊或激光拼接內板，鋁合金沖壓窗框的連接采用激光熔焊技術，其他部位采用鉚接、MIG焊、螺接、包邊、鋁合金電阻點焊等。

7 結束語

實現整車輕量化主要通過新材料的運用、結構設計和優化等方法進行實踐。隨著科技的發展進步，不斷出現新材料，新工藝，對汽車的輕量化方法就會有新的更新。無論用哪個方法進行，對于結果，要通過仿真分析和實車試驗對減重優化方案進行了驗證，滿足性能要求，才能達到了車身輕量化的目的。

參考文獻

[1] 高云凱.汽車車身結構分析.北京理工大學出版社，2006.

[2] 盧金火，趙紫劍，梁國貴.轎車車身主斷面設計方法[J].汽車技術， 2006（9）：9-13.

[3] 孫從周，雷雨成.基于設計硬點和主斷面的車門設計[J].上海汽車：設計研究，2007（3）：33-36.