汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕量化設(shè)計分析

王偉博

長城汽車股份有限公司 河北 保定 071000

引言

經(jīng)過相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，最近幾年的汽車使用量直線提高，這足以證明，汽車已經(jīng)發(fā)展成為當(dāng)前最受民眾歡迎的交通工具，但是汽車在為民眾出行提供方便條件的同時，汽車使用過程中所產(chǎn)生的燃油消耗和空氣污染問題也越來越嚴(yán)峻，細(xì)究導(dǎo)致以上問題的具體因此，大部分原因是汽車重量所導(dǎo)致的，由此可見，在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中合理融入輕量化設(shè)計理念是很有必要的，有效分析高強度鋼等各種輕量化材料的具體應(yīng)用，以及汽車車身輕量化設(shè)計的合理途徑，有利于促進(jìn)汽車設(shè)計的良性發(fā)展。

1 輕量化設(shè)計概述

1.1 產(chǎn)生背景

隨著時間的推移，國內(nèi)外汽車制造都在逐漸向輕量化設(shè)計的方向靠攏，一來汽車輕量化設(shè)計是考慮環(huán)保和安全的同時兼顧考慮的內(nèi)容，二來人們環(huán)境意識越來越強，要想讓一個行業(yè)持續(xù)發(fā)展，就需要尋找可持續(xù)發(fā)展的道路，尋求資源和消耗的平衡，保證盡可能以一輛汽車成本和消耗，制造有用的材料并應(yīng)用下去[1]。工作人員在設(shè)計汽車的時候，要最大程度提高發(fā)動機應(yīng)用效率，讓汽車的車身更輕，同時合理的利用新能源，讓汽車的環(huán)保價值得到更好的提升，降低汽車的油耗以及提高燃油效率，盡可能實現(xiàn)清潔排放，降低尾氣給環(huán)境造成的污染。在進(jìn)行設(shè)計的時候，需要不斷提高發(fā)動機效率，根據(jù)具體的要求來做好規(guī)劃。柴油機、汽油機是以往汽車設(shè)計時用到的傳統(tǒng)發(fā)電機，現(xiàn)在發(fā)展到一個比較高的水準(zhǔn)，實際設(shè)計的時候只有微量、提高發(fā)動效率的空間。這種改造帶來的效果是有限的，只有從其他角度著手來做更深入的研究和應(yīng)用，才能讓汽車的環(huán)保效果更加突出。新能源汽車是現(xiàn)在環(huán)保價值最高的一類汽車，但是電池問題限制了汽車的發(fā)展。為了進(jìn)一步降低能耗，收集者就需要考慮盡可能降低汽車本身的重量。不過所有改造設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計的前提都是汽車有足夠的安全性。這樣降低自重的方法可以讓發(fā)電機的能效更佳，讓新能源更好地發(fā)揮出效果。目前發(fā)電機技術(shù)以及新能源技術(shù)還沒有巨大突破，而輕量化技術(shù)是可以看到的、可以著手設(shè)計的主要方向。

1.2 設(shè)計要求

相關(guān)的技術(shù)人員在進(jìn)行輕量化設(shè)計的時候，需要從實際情況出發(fā)，明確輕量化設(shè)計的若干要求。有研究表明，一輛汽車自重降低10%，相應(yīng)的燃油消耗會隨之降低6%～8%，而排放則會降低5%～6%[2]。需要注意的是輕量化設(shè)計不只是降低自重，而是必須兼顧汽車應(yīng)用安全性，所以設(shè)計者在輕量化設(shè)計的過程中，一定要從科學(xué)的角度出發(fā)，保證結(jié)構(gòu)安全性，讓汽車能達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)工作人員要注意規(guī)劃好汽車使用性能，從各個角度出發(fā)來做好材料優(yōu)化，明確各種材料的實際應(yīng)用效果。要盡可能在做計劃設(shè)計的同時，讓汽車的使用性能和傳統(tǒng)鋼材質(zhì)汽車持平、甚至超越傳統(tǒng)汽車。以往在進(jìn)行切割設(shè)計的時候，輕量化與安全性是相互沖突的，很多時候輕量化意味著安全性低。想要讓汽車有足夠好的安全性，就要通過各種方式提高汽車結(jié)構(gòu)的抗彎、抗側(cè)翻、抗碰撞這一系列的性能。這些優(yōu)化工作和汽車的重量息息相關(guān)，需要提高材料性能，正視降低重量會面臨的諸多問題。輕量化設(shè)計有非常強的綜合性，設(shè)計者需要考慮材料生產(chǎn)工藝、工業(yè)設(shè)計、結(jié)構(gòu)力學(xué)、人體工程學(xué)這一系列的內(nèi)容，才能從各種綜合的角度出發(fā)做好汽車重量優(yōu)化。

2 輕量化材料的應(yīng)用

2.1 高強度鋼的應(yīng)用

通常來說，汽車生產(chǎn)應(yīng)用和鋼材料有非常密切的聯(lián)系。而使用高強度鋼材料的時候，就可以減少鋼材料的用量，減輕汽車的整體重量。技術(shù)人員通常會通過以下幾種方法來強化高材料[3]。

2.1.1 加碳強化。鋼的碳含量與鋼的強度息息相關(guān)，要提升鋼的強度，就必須要控制碳元素占的百分比，根據(jù)實際情況適當(dāng)增添或減少碳元素。要合理提升珠光體比例，一定程度降低鐵元素含量，讓強度可以有所提高。

2.1.2 合金強化。提高鋼強度還需要合理應(yīng)用各種合金。不同元素的合金給鋼帶來的性能影響是不一樣的，所以相關(guān)的工作人員要做技術(shù)分析，添加不同種類的合金來提升鋼材某一方面的特性。

2.1.3 固溶強化。適當(dāng)添加錳元素、硅元素、磷元素可以一定程度提高鋼的強度和鋼的性能。

2.1.4 熱處理強化。通常來說，溫度的變化可能給金屬的物理結(jié)構(gòu)帶來一定的改變，尤其是在冷熱交替的條件下，鋼的強度會發(fā)生一定變化，所以工作人員要適當(dāng)做好熱處理，在此過程中改變碳元素和其他元素百分比，讓鋼的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生指向性變化，讓鋼更具有卓越的性能。

2.1.5 應(yīng)力強化。在進(jìn)行鍛造的時候，鋼在拉力作用下很可能會提高強度，如果表面有殘余應(yīng)力，那會抵消鋼在使用時遭受的扭轉(zhuǎn)或彎曲所產(chǎn)生的應(yīng)力，這讓鋼的性能得到更好的提升。高強度鋼和很多方面的內(nèi)容息息相關(guān)，在應(yīng)用的時候需要結(jié)合鋼材料各方面的特性來提高材料強度，增強經(jīng)濟優(yōu)勢，讓汽車的性能得到強化。但是需要注意的是，高強度鋼本身的抗腐蝕性不強，需要做好調(diào)整，合理應(yīng)用。鎂鋁合金這些新材料的應(yīng)用往往存在很多限制，這時候高強度鋼的重要性也就凸顯了出來，需要更妥當(dāng)?shù)赝度氲綄嶋H應(yīng)用中。

2.2 球墨鑄鐵的應(yīng)用

相關(guān)的工作人員在展開設(shè)計的時候，需要能夠從實際情況出發(fā)，合理利用球墨鑄鐵技術(shù)。同樣的體積下，球墨鑄鐵只有鋼的90%的重量。技術(shù)人員設(shè)計汽車結(jié)構(gòu)的時候，合理使用球墨鑄鐵可以大大減輕汽車本身所具有的重量。很多汽車企業(yè)研發(fā)部門都在關(guān)注球磨鑄鐵的情況，并進(jìn)行各類實驗，希望能夠以最快的速度取代鋼材料并投入實際使用。球墨鑄鐵可以讓很多零件在一起形成一個整體，可塑性非常強。

2.3 鋁及鋁合金的應(yīng)用

實際設(shè)計工作中，相關(guān)的工作人員也需要考慮使用一定比例的鋁和鋁合金替換原有的鋼材料。鋁和鋁合金能大大減輕重量，但是各類性能比較差，在應(yīng)用時會遇到重重的困難。有研究人員研究了鋁和鋁合金，尋求其在汽車制造上廣泛應(yīng)用的可能性[4]。他們首先研究了大型鋁材料與車身的結(jié)合，然后研究了鋁材料代替鋼材料汽車車門的可能性，第三研究了汽車零件使用鋁材料的可能性。如果一輛汽車用鋁和鋁合金代替鋼材料，整體減重可以達(dá)到30%～40%。但是目前階段鋁和鋁合金材料還存在著很多技術(shù)以及應(yīng)用層面不成熟的問題，需要更進(jìn)一步的開發(fā)。

2.4 鎂及鎂合金的應(yīng)用

在金屬化學(xué)性質(zhì)上，鎂的密度小，屬于可應(yīng)用的重量最小的金屬。它易于加工，并且有很好的減震能力，投入實際使用時比鋼的強度還要大，抗腐蝕能力非常強，所以在實際使用時，鎂是非常好的輕量化材料，技術(shù)人員可以最大程度地研究鎂材料的應(yīng)用給汽車制造帶來的影響，最大程度地讓鎂合金發(fā)揮效果。鎂合金熔點與密度低，相對來說更容易加工融化。尤其是一些加工非常復(fù)雜的地方，使用鎂材料可以縮短加工的周期。實際應(yīng)用中使用鎂來代替鋁材料、鋼材料有非常好的應(yīng)用價值，在降低車身重量方面也有非常重要的優(yōu)勢。鎂合金的應(yīng)用可以提高車身強度，而回收的時候也更加方便。綜合來看，鎂和鎂合金應(yīng)用價值非常高，生產(chǎn)加工材料涉及的內(nèi)容也更加全面。

2.5 鈦合金的應(yīng)用

自然界中，鈦屬于稀缺的一類基礎(chǔ)資源，熔點達(dá)到了1600℃，非常耐熱，可以做耐熱材料使用，在機械性能方面也有著非常好的表現(xiàn)。而抗腐蝕性上，鈦合金也有著很好的表現(xiàn)，很多項目都廣泛的使用到了鈦合金，而通過鈦合金應(yīng)用加工的汽車零部件，減震性能非常好，使用壽命非常長[5]。鈦合金可以提高賽車性能，投入使用時能讓汽車的強度得到提升。鈦合金技術(shù)開始應(yīng)用到汽車的車門部分、裝飾部件、消音器等一系列區(qū)域，有非常好的應(yīng)用價值。然而鈦很難提煉，如果大范圍使用，難度非常高，成本也非常高，所以只適合局部使用，不適合在汽車制造上廣泛使用。

2.6 精細(xì)陶瓷的應(yīng)用

在進(jìn)行工藝加工的時候，相關(guān)的工作人員也會合理考慮精細(xì)陶瓷的應(yīng)用。精細(xì)陶瓷的工藝非常特殊，不是金屬材料卻有非常高的機械性能，可以用在發(fā)動機以及傳感器的設(shè)計制造上。

2.7 塑料的應(yīng)用

在進(jìn)行輕量化設(shè)計的時候，合理應(yīng)用塑料也是減輕重量的一大重要途徑，目前已經(jīng)有一部分汽車的零部件使用到了塑料，比如汽車保險杠就用到聚丙烯，然后在此基礎(chǔ)上填充石灰粉，讓保險杠的結(jié)構(gòu)密度因此降低，同時也讓車身的重量得到了一定的控制。實際應(yīng)用時，塑料具備一定的強度，可以起到防護效果，并且在裝飾上也有比較好的應(yīng)用特點，無論是車燈還是方向盤，都可以適當(dāng)應(yīng)用塑料。

2.8 復(fù)合材料的應(yīng)用

現(xiàn)代社會，汽車領(lǐng)域輕量化的方向和復(fù)合材料的應(yīng)用也脫不開關(guān)系。研究人員在研究復(fù)合型材料的時候，專注于提升材料在強度性能方面的優(yōu)勢，發(fā)揮復(fù)合型的材料更容易成型的特點，目前來說汽車設(shè)計上已經(jīng)有了成功案例，那就是道奇srt-10[6]。這個材料用到了很多復(fù)合材料以及技術(shù)，應(yīng)用效果比較好。汽車輕量化設(shè)計可以用到的最廣泛的材料是碳纖維增強材料、有機合成纖維復(fù)合材料、玻璃纖維增強材料。

3 汽車輕量化設(shè)計的措施

工作人員在進(jìn)行現(xiàn)代化設(shè)計的時候，可以合理地進(jìn)行三維數(shù)字化設(shè)計，使用CAD、CAE這一系列技術(shù)和軟件，最大程度減輕汽車厚度，讓零部件的數(shù)量、重量得到減輕[7]。合理的做好材料替換，根據(jù)不同區(qū)域、不同結(jié)構(gòu)的配置特性、形狀特性來做好調(diào)整，明確設(shè)計中可能存在的問題，一步一步地進(jìn)行解決。綜合來看，要從布局、形狀、拓普、尺寸等方面做更深入的優(yōu)化。要考慮汽車的整體布局和驅(qū)動方式，根據(jù)質(zhì)量強度要求優(yōu)化尺寸，根據(jù)強度、抗震性的要求替換零部件和材料，讓不同特性的材料應(yīng)用在合適的位置并發(fā)揮作用。可以采取有限元分析來找到不同部件的應(yīng)力集中處，然后做針對性的處理，在集中點增厚材料，而其他的分散的地方則減薄材料，以此來最大提升材料的應(yīng)用價值。

4 結(jié)束語

現(xiàn)如今我國已經(jīng)成為世界聞名的最大的汽車市場之一，而且汽車的使用量仍在逐年遞增，為了有效改善汽車使用過程中的燃油消耗和空氣污染問題，必須采取針對性措施，給予合理解決，鑒于減輕汽車重量在解決以上問題方面能夠發(fā)揮重要作用，所以筆者建議相關(guān)設(shè)計人員針對汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計的輕量化設(shè)計進(jìn)行深入研究探討，以便促進(jìn)汽車設(shè)計的優(yōu)化與改進(jìn)。