淺談汽車輕量化技術

任佳智 徐帆

摘要：新時代背景下，人們的生活水平得到提升，我國汽車保有量逐年遞增，帶來了能源短缺和環境污染兩大弊端，而汽車輕量化技術能夠有效地改善這些弊端。為此，本文深入分析了汽車輕量化技術的重要意義，系統闡述了汽車輕量化的兩個關鍵點，即材料優化和結構優化，并對不同的有優化方式進行了詳細的闡述。

關鍵詞：汽車;輕量化技術;材料;結構

中圖分類號：U467.1+9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0177-02

0? 引言

隨著社會經濟的發展，人們的物質生活水平得到了顯著的提升，出行工具也發生了極大的改變，從自行車到摩托車，再到現在的汽車。當前，汽車已經成為了人們出行的主要交通工具。在這種情況下，我國汽車保有量逐年上升，呈現快速增長趨勢，隨之帶來了諸多問題，如交通擁堵、交通事故增多、汽車尾氣污染、不可再生能源短缺等問題。而通過優化汽車材料和結構實現汽車輕量化，可以改善汽車尾氣污染和不可再生能源短缺問題。因此，汽車企業在汽車輕量化方面做了大量的研究工作，致力于制造出成本低、污染小、安全性能高的汽車。根據以前的研究工作，可以發現，汽車輕量化極具實際意義，能夠有效地降低能源損耗，從而在一定程度緩解尾氣污染和能源損耗問題，以適應新時代發展理念和滿足現代化發展需求。

1? 汽車輕量化的實際意義

汽車輕量化是指在汽車造價不變的情況下，從多方面對汽車重量進行優化，以提升汽車速度、減少尾氣排放和降低燃料損耗，與此同時，保證汽車的穩定性、舒適性和安全性。在汽車輕量化過程中，實現汽車輕量化目標的同時，需要遵循一些基本原則：一是保證汽車抗震性;二是滿足汽車抗撞性要求;三是汽車結構符合新時代人們審美。具體而言，汽車輕量化技術有利于汽車現代化發展，其實際意義表現為以下兩點：

一是緩解能源損耗和環境污染問題。許多研究結果都表明，汽車的油耗和汽車的重量是成正比關系，汽車總重量越大，汽車的油耗也越高。而汽車輕量化技術能夠有效地減輕汽車總重量，從而降低油耗和減少汽車尾氣的排放量，進而緩解環境污染問題。二是有利于提升汽車性能。根據汽車動能計算公式可以得出，在汽車加速到一定速度時，汽車質量越大，所需的能量越大。而汽車輕量化技術能夠減輕車身質量，汽車總質量降低，可以縮短汽車加速時間，提升汽車的啟動性能，減少汽車動力系統傳輸系統的負荷，獲得良好的汽車駕駛性能。

根據前人研究結果表明，汽車質量降低10%就具有許多的實際意義，具體意義如圖1所示。

2? 汽車輕量化材料概述

汽車輕量化技術的關鍵因素之一是汽車材料，通過優化制造材料來降低汽車的總體質量。汽車輕量化材料主要包括兩種：一種是高強度材料，常見的是高強度鋼，這種材料的特性是少量材料具有較高強度;另一種是低密度輕質材料，包括鋁、鈦、鎂及其合金等，具有比強度高的特性。

2.1 高強度鋼

高強度鋼的主要合金元素有Cr、Si、Mn、Mo等，其具有較高的抗拉強度和屈服強度。由于其具有強度高的特性，這種材料常用于汽車車身的制造，可以提升汽車的抗撞擊能力。此外，與普通鋼板車身相比，在保證車身強度不變的情況下，高強度鋼板車身在質量上可以減少20%以上，板材厚度可以減少1.5mm左右，可以減輕車身的質量。因此，高強度鋼在減輕汽車質量和提升車身強度方面有十分重要的作用。高強度鋼目前常用于制造車身的關鍵部位，如地板通道、車頂加強梁等，有效地提升汽車的抗撞擊安全性。高強度鋼在汽車輕量化中廣泛應用的原因可以總結為以下兩個方面：其一，相較于普通鋼，高強度鋼的強度、剛度等力學性能表現優異，具有比較高的安全性;其二，與高比強度的鈦合金相比，高強度鋼的材料價格較低，從而降低汽車的生產制造成本。

2.2 鋁及鋁合金

鋁及鋁合金是一種密度小、彈性好、比剛度和比強度都較高的金屬材料，而且這種材料的耐磨性能和耐腐蝕性能也較好，通常還能夠在成品報廢時進行回收利用。由于這些優良的性能，鋁及鋁合金在早期就應用于汽車輕量化技術中，在汽車領域應用特別的廣泛。然而，由于其與鋼材相比，強度和承載性能較差，限制了鋁及鋁合金的應用。特別是在汽車強度要求較高的部位，鋁及鋁合金的強度難以保證汽車的抗撞擊性能。此外，鋁及鋁合金對生產技術要求較高，如焊接工藝、鑄造工藝等，也是限制其應用的因素之一。但不可否認的是，鋁及鋁合金是一種重要的汽車輕量化材料，用于制造汽車車輪、離合器殼體、變速器殼體等。

2.3 鈦及鈦合金

鈦及鈦合金具有優異的物理化學性能，包括韌性高、強度高、抗腐蝕性能好以及耐磨性能良好等。此外，鈦及鈦合金還具有良好的加工性能和耐熱性能。由于鈦及鈦合金具有這些優異的性能，它成為一種實現汽車高性能化的重要發展材料。然而，目前在汽車領域中鈦及鈦合金的使用比例并不是很高，主要是局限于該材料的價格較高和提純難度較大。鈦及鈦合金只要能解決了這兩個難題，其在汽車輕量化方面大有可為，將會是一種較為理想的車身材料，既能夠保證車身的強度和硬度，也能夠減輕汽車的整體質量，目前主要應用于汽車發動機氣門、氣門彈簧座、發動機連桿等。

2.4 鎂及鎂合金

鎂及鎂合金是一種極具潛力的汽車輕量化結構材料，該材料具有良好的物理和化學性能。一是質量輕、密度低。這一特點是鎂及鎂合金成為汽車車身輕量化材料的基礎，它相較于鋁合金更輕，屬于一種特別輕的金屬材料。二是比強度較高。鎂及鎂合金的比強度相比鋁合金與鋼材料都要高，這表明在相同質量的情況下，它的強度要更高。三是比剛度較高。相比于鋁合金和鋼材料，鎂及鎂合金的比剛度沒有太大差異，均具有較好的比剛度。四是阻尼系數和消震性能也較為優異。相較于鋁合金，鎂及鎂合金具有更好的承載能力，常被用于制造汽車殼體，也可以用于降低汽車噪聲，提升汽車的安全性和舒適性。五是加工性能優異。鎂及鎂合金的鑄造性能和尺寸穩定性十分優異，且加工性能好，極少出現制造廢品。由于鎂及鎂合金具有上述優異的性能，其發展前景十分可觀，有助于實現汽車車身輕量化。然而，目前該材料的應用主要受限于其抗蠕變能力與高溫疲勞性較差。這兩個方面需要研究者們進行研究探索，突破制造難點，擴大鎂及鎂合金的使用范圍。

高強度鋼、鋁、鈦、鎂及其合金是汽車輕量化技術中的重要材料，本文對其進行了簡要的概述，并對這些材料的性能及應用進行了系統性總結，如表1所示。

3? 汽車輕量化結構優化概述

汽車輕量化除了可以優化車身材料之外，還可以通過優化汽車零部件結構。

3.1 拓撲優化方法

拓撲優化方法是汽車輕量化設計中最具發展潛力的方法之一，在近年來研究成果凸顯，已廣泛應用于汽車結構優化當中，特別是應用于產品結構概念設計。利用拓撲優化方法優化的結構主要可以分為兩種，分別是離散型結構和連續型結構，結構優化步驟如圖2所示。

第一，劃分設計區域，主要依據待優化結構件的具體方位進行劃分，保證不影響其他零部件的正常工作;第二，建立目標函數，主要是依據已劃分設計區域中的材料力學性能和具體參數建立符合優化條件的目標函數;第三，達到材料最優分布，利用目標函數進行計算，求得結構件材料的最優分布和力量傳導的最佳路徑，從而使得結構性能達到最佳狀態。通過拓撲優化方法可以設計出最佳的汽車車身結構，而且該優化方法相較于其他設計方法更為高效，能夠減少結構設計的開發和驗證時間，從而提高生產效率和降低生產成本。

3.2 尺寸和形狀優化

尺寸和形狀優化是汽車輕量化技術最早使用的結構優化方式。尺寸優化是指在保證結構件性能的同時，對結構件的尺寸進行優化，降低其重量。而形狀優化更多是在汽車零部件結構設計階段，優化零部件的結構形狀，以最優形狀實現汽車輕量化，且能夠保證零部件的性能不被影響。目前，計算機技術發展迅速，利用該技術能夠建立數學模型和進行有限元分析，使得尺寸和形狀優化速度更加的便捷、迅速和精確。

4? 結語

現代化發展需求對汽車工業化水平提出了更高的要求，不僅要保證安全性、舒適性，還要考慮能源損耗和尾氣排放量。而汽車輕量化技術能夠有效地減輕汽車的總重量，從而提升汽車速度、減少尾氣排放和降低燃料損耗，具有緩解環境污染問題和提升汽車性能的重要意義。汽車輕量化主要可以從材料和結構兩個方面進行優化。在材料方面，汽車輕量化材料主要包括高強度鋼、鋁、鈦、鎂及其合金等。在結構方面，主要方法有拓撲優化方法，利用該方法設計零部件結構，以得到最優的材料分布和尺寸形狀，進而實現汽車輕量化目標。

參考文獻：

[1]杜行.新型材料和工藝在汽車輕量化中的應用[J].科技創新與應用，2019（05）：148-150.

[2]盧振生，呂關想，史愛平，等.淺談金屬材料在汽車輕量化中的應用[J].時代汽車，2020，331（07）：49-50.

[3]于艷敏.新能源汽車輕量化技術應用現狀[J].汽車工程師，2018（11）：51-53.