汽車輕量化材料及制造工藝現(xiàn)狀分析

【摘" 要】中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，推動汽車工業(yè)進入新階段，汽車材料逐步向輕量化方向發(fā)展。車輛的輕量化可提高汽車的燃油經(jīng)濟性和綜合性能，進一步可提升車輛的安全性，減少百姓用車成本，對于加速城市的發(fā)展和提高百姓生活品質(zhì)有著十分重要的意義。文章首先指出輕量化技術(shù)在汽車設(shè)計中的重要作用，然后對目前國內(nèi)外汽車輕量化材料的研究狀況和發(fā)展趨勢進行分析和總結(jié)，最后對汽車輕量化制造工藝進行討論，希望能為推動中國汽車輕量化發(fā)展提供一點參考。

【關(guān)鍵詞】汽車輕量化;制造工藝;現(xiàn)狀分析

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）06-0029-03

Analysis on Current Situation of Automotive Lightweight Materials and Manufacturing Process

GAO Xiaoyong

（Xi'an Vocational University of Automobile，Xi'an 710600，China）

【Abstract】The rapid development of the Chinese economy has driven the automotive industry into a new stage，and automotive materials are gradually moving towards lightweighting. The lightweight of vehicles can improve the fuel economy and comprehensive performance of cars，further enhance vehicle safety，reduce the cost of using cars for the public，and is of great significance for accelerating urban development and improving the quality of life of the people. The article first points out the important role of lightweight technology in automotive design，then analyzes and summarizes the current research status and development trends of lightweight materials for automobiles at home and abroad，and finally discusses the manufacturing process of lightweight automobiles，hoping to provide some reference for promoting the development of lightweight automobiles in China.

【Key words】automobile lightweight;manufacturing process;analysis of current situation

作者簡介

高曉勇（1983—），男，工程師，研究方向為汽車檢測與維修。

隨著中國經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展，對汽車的需求也在不斷增加，同時也對其品質(zhì)和安全等性能方面提出了更高的要求，不但要滿足車輛的優(yōu)良性能，還必須在污染物排放和能耗等多個層面上進行綜合、高效的控制[1]。近幾年，隨著汽車保有量的快速增長，汽車的安全、環(huán)保、能源消耗等問題也越來越突出，要想讓汽車產(chǎn)業(yè)更好地發(fā)展，就必須既要減少汽車尾氣造成的環(huán)境污染，降低汽車的能耗，又要滿足人們對汽車產(chǎn)品的品質(zhì)要求。汽車的輕量化是今后汽車工業(yè)發(fā)展的一個重要趨勢，它既能滿足人們對汽車安全、動力、功能性等方面的需求，又能有效地控制機動車的尾氣排放，減少能耗，達到節(jié)能減排的目的。

1" 汽車輕量化

輕量化這一理念最初源自于賽車運動中的輕便性優(yōu)點。當車輛趨于輕量化會促使車輛整體裝備質(zhì)量減輕，操控性也會得到提升。車輛材料輕量化時，發(fā)動機動力輸出可以為車輛提供更大的加速度，使車輛在起步階段獲得較大的加速性能，亦可提高車輛的操控性。隨著節(jié)能環(huán)保逐漸受到大眾重視，輕量化技術(shù)也在普通汽車行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，它不僅增強了駕駛體驗，還展現(xiàn)出了卓越的節(jié)油性能。汽車的燃油消耗在很大程度上依賴于汽車發(fā)動機排量的大小、車輛的整體質(zhì)量以及車輛外形設(shè)計。在確保車輛的整體質(zhì)量、綜合操控性能、車輛生產(chǎn)制造成本等保持不變的前提下，通過車輛輕量化設(shè)計，可以減少車輛整體裝備質(zhì)量。車輛整體質(zhì)量的減少，可以增加發(fā)動機的動力輸出功率，可以提高車輛的操控性及操控的安全可靠性，進而提高車輛反應(yīng)靈敏度。車輛的輕量化設(shè)計，可以降低操控及行駛時產(chǎn)生的噪聲，降低油耗，減少廢氣排放。

輕量化是當今汽車工業(yè)中的一個重要課題。首先，通過對車身進行輕量化設(shè)計，保證車身的各項性能不受影響，從而實現(xiàn)對車身質(zhì)量科學(xué)、有效減重。其次，要保證車輛的生產(chǎn)成本下降或保持不變，防止因生產(chǎn)費用的提高而導(dǎo)致的汽車銷售價格上升，從而減少汽車的銷量。車輛輕量化是一項嶄新的技術(shù)，它可以分為兩大部分：一是車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計，二是要合理使用輕質(zhì)材料。這一技術(shù)不僅僅著眼于車輛的外觀，同時也強調(diào)了車輛的性能。為了實現(xiàn)車輛的輕質(zhì)化，當前的車輛結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計多采用前輪驅(qū)動、高剛度結(jié)構(gòu)、超懸掛等。在車輛的輕量化設(shè)計中，可以選用少量的輕質(zhì)材料替代原來的材料，從而實現(xiàn)車輛的輕量化。

車輛的輕量化以提高車輛的性能為前提，對各個部件進行節(jié)能設(shè)計，并不斷地對車型進行優(yōu)化。它的核心是運用現(xiàn)代的設(shè)計方法和工藝，對車輛的產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計，通過使用新的材料來提高車輛的綜合性能，在減輕車輛質(zhì)量的同時，還能實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保和安全的目的[2]。因而汽車的輕量化并不是單純把汽車縮小，而是要在不降低車輛性能的同時，有針對性地降低車輛質(zhì)量，以確保車輛的安全和舒適，同時又不會增加車輛的成本。

目前，中國已將節(jié)能減排作為一個重要的發(fā)展方向，而車輛的輕量化能夠有效地減少能源消耗和環(huán)境污染。采用輕質(zhì)材料生產(chǎn)的車輛，在整個生命周期中，減輕了質(zhì)量，降低了廢氣排放。

2" 汽車輕量化材料

2.1" 鋁合金

鋁合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能，在汽車零部件中廣泛應(yīng)用，其密度只有普通鋼的三分之一，但具有較高的力學(xué)強度。車輛生產(chǎn)制造商在設(shè)計車輛時可在保證車輛強度和安全的前提下，減輕車輛整體質(zhì)量。輕量化的鋁合金材料在車身、發(fā)動機及懸架等部件中得到了廣泛應(yīng)用，能夠有效提升燃油利用率，減少尾氣排放，同時還具備良好的抗腐蝕性，因此能夠提高整車的耐久性能，在惡劣氣候條件下，這一點尤為重要。此外，采用鋁合金材料，延長了車輛的使用壽命，減少了車輛的維護成本。從可持續(xù)發(fā)展角度看，鋁合金能有效實現(xiàn)對資源的循環(huán)再利用，從而達到節(jié)約能源的目的。由于其優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，鋁合金非常適合用來制作發(fā)動機及制動系統(tǒng)零件。采用鋁合金可有效地提高熱利用率，減少熱應(yīng)力，從而延長零件的使用壽命。另外，該材料具有良好的切削性能，適合鑄造、鍛造、數(shù)字控制等多種生產(chǎn)過程，具有較高的性價比。汽車制造商能夠更方便地實現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計，為汽車部件量身定做，因此，汽車制造技術(shù)的創(chuàng)新與柔性得到了極大的提升。汽車鋁合金材質(zhì)如圖1所示。

2.2" 碳纖維

碳纖維是一種由碳纖維束構(gòu)成的復(fù)合材料，它的特點是密度很小，并且具有很高的強度。碳纖維的密度只有普通鋼的三分之一，但其強度卻超過了傳統(tǒng)鋼，意味著在保證建筑強度和安全的前提下，汽車生產(chǎn)商能夠大幅度降低車身質(zhì)量。碳纖維廣泛應(yīng)用于車身零件、底盤總成及內(nèi)部空間，可有效提升燃料利用率及整車性能。碳纖維具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，能在嚴酷的天氣環(huán)境中長時間服役，對延長車輛的服務(wù)壽命和減少維修費用是很重要的。與金屬比較，碳纖維不易銹蝕，所以汽車零件不用頻繁更換，延長其壽命[3]。另外，由于其耐化學(xué)侵蝕性，在電池罩、廢氣處理等方面得到了廣泛的應(yīng)用。由于其優(yōu)良的塑性，使其能夠適應(yīng)多種復(fù)雜形狀和設(shè)計需求。這樣，汽車設(shè)計師們就有了更大的自由度去創(chuàng)造出更加新穎的外觀和性能。本文提供一系列的加工方法，包括手工制作、自動切割、樹脂灌注等。因為碳纖維的可塑性與可客制化，廠商可以輕松地將其組合成各種不同的產(chǎn)品，生產(chǎn)出符合客戶需求的產(chǎn)品。

2.3" 鎂合金

鎂合金質(zhì)量輕、儲量大，雖然其密度很低，但其強度和質(zhì)量比卻很好，即可以在很輕的情況下承受很大的壓力，因此，鎂合金有望取代鋼鐵等傳統(tǒng)材料，實現(xiàn)輕量化、節(jié)能減排。在汽車運用方面，鎂合金廣泛應(yīng)用于車身、底盤、發(fā)動機等部件，對提升整車綜合性能具有重要作用，但在特定工況下易發(fā)生腐蝕，通過合理的包覆等方法可有效改善其耐腐蝕性能。同時，由于鎂合金的可循環(huán)利用，它不僅可以減少資源的浪費，還可以滿足可持續(xù)發(fā)展需要。回收后的鎂合金可以有效減少對能源的依賴，減輕對環(huán)境的污染。鎂合金具有良好的導(dǎo)熱性能，是一種非常適合于發(fā)動機、制動等部件使用的材料。另外，鎂合金還可以應(yīng)用于壓鑄、鍛壓、粉末冶金等生產(chǎn)過程中，以滿足各類復(fù)雜零件的設(shè)計要求。為適應(yīng)市場的需要，生產(chǎn)商們可以通過技術(shù)革新、合金研發(fā)等手段，進一步改善其加工性能。

2.4" 高強度鋼

高強鋼材以其優(yōu)異的力學(xué)性能和相對輕質(zhì)的特點，非常適合于實現(xiàn)車輛的輕量化。生產(chǎn)廠家可以采用高強度鋼材，在保證汽車結(jié)構(gòu)強度的前提下，降低整車的總質(zhì)量，增加燃料利用率，減少廢氣排放。由于現(xiàn)代汽車要求在碰撞或其它壓力條件下提供充分的安全保障，因此，這一平衡至關(guān)重要。高強鋼有熱軋強化鋼、冷軋強韌鋼、雙相鋼、奧氏體-馬氏體相變鋼等，各有其特點和應(yīng)用范圍。比如，由于其優(yōu)異的變形能力，馬氏體轉(zhuǎn)化鋼被廣泛應(yīng)用于汽車氣囊支撐件等高強度零件的生產(chǎn)。這樣的差異使得生產(chǎn)廠家可以按照具體的使用要求，選用適當?shù)母邚婁摬摹８邚婁摬牡纳a(chǎn)與加工技術(shù)也在不斷地改進，以適應(yīng)越來越高的需求。隨著高強度鋼材的特點，傳統(tǒng)的焊接成形工藝已有所改善，熱成形、激光焊接等新型加工方法層出不窮，提高了生產(chǎn)效率和創(chuàng)新性。高強鋼材一般采用冷彎曲、沖壓成形，并能適應(yīng)各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，將幫助汽車設(shè)計者設(shè)計出質(zhì)量更輕、安全性更高的汽車。

3" 汽車輕量化制造工藝

3.1" 激光焊接技術(shù)

在汽車零部件的制造中，采用激光焊接技術(shù)可使車輛零部件輕量化。車輛的底盤、尾門、車輛內(nèi)板和側(cè)圍等車輛零部件，通過采用激光焊接技術(shù)可以實現(xiàn)輕量化設(shè)計，有效焊接強度、厚度不同的鋼板，確保焊縫的完整性和一致性，提高車輛材料的利用率，減少原材料浪費，進而降低汽車的生產(chǎn)成本。該工藝的優(yōu)勢在于以下幾點。

1）可實現(xiàn)不同強度和厚度鋼板的無縫連接，達到減輕車身質(zhì)量的目的[4]。該技術(shù)可以有效增強汽車自身的剛性，增強車輛的抗撞性，為車輛的安全運轉(zhuǎn)提供很好的保證，并能對整車的整體性能進行有效改進。

2）該工藝可有效提高整車生產(chǎn)工藝，并可減少模具用量，降低生產(chǎn)成本，獲得較高的經(jīng)濟效益。

3）具有良好的可加工性、無縫性、耐腐蝕等特點。

近年來，由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，雖然取得了一定的成就，但是在實踐中還存在許多問題。所以，在汽車工業(yè)領(lǐng)域中，必須加大對激光焊接技術(shù)的研究力度，才能更好地達到汽車輕量化目的。但該工藝在實際應(yīng)用中仍存在一些問題。與一般鋼材比較，板材的焊縫尺寸可能會有所不同，無法對其進行有效控制。因此，如何構(gòu)建合適的激光焊接模板，充分利用它們的優(yōu)勢，是當前激光焊接領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵問題。

3.2" 熱成型技術(shù)

在車輛的設(shè)計與生產(chǎn)中，要達到車輛的輕量化要求，必須采用熱成形加工方法，其熱成形工藝以加熱→變形→奧氏體形態(tài)→深加工為主，只有通過這些操作，輕量化的材料成形設(shè)計才能被有效實施，從而有助于改善車輛的抗沖擊、耐腐蝕等性能。熱成形與常規(guī)冷沖壓有一定區(qū)別，其在汽車制造和制造過程中具有獨特的優(yōu)點：①熱成形技術(shù)的回彈性能比較差，能夠?qū)崿F(xiàn)零件尺寸的準確控制，為汽車的裝配奠定了良好的基礎(chǔ);②獲得了較好的延性和塑性，適用于較復(fù)雜零件的成型;③可以減少材料的塑性變形，提高汽車的使用效率，從而進一步降低汽車制造成本，為汽車制造企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益;④用此工藝制造的汽車零件表面硬度非常高，達到洛氏50級，比傳統(tǒng)工藝提高2～3倍。

目前國內(nèi)對于熱沖壓工藝的研究處于起步階段，其生產(chǎn)工藝和規(guī)模尚不能與世界先進水平相比，也不能適應(yīng)中國汽車工業(yè)發(fā)展的需求。目前，中國汽車制造企業(yè)已經(jīng)建立了熱成型的生產(chǎn)線，但大都從國外進口，沒有自主的技術(shù)革新。近年來，隨著中國對汽車輕量化問題的重視，國內(nèi)外各研究機構(gòu)開展了一系列相關(guān)研究，取得了一系列成果。

3.3" 3D打印技術(shù)

3D打印是一種將物質(zhì)一層一層地疊加在一起的方法，可以很容易地制作出各種形狀復(fù)雜的零件。在汽車工業(yè)中，輕質(zhì)保溫材料、復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管路等輕質(zhì)結(jié)構(gòu)及部件的輕量化可用于生產(chǎn)。傳統(tǒng)的制造工藝很難實現(xiàn)，而3D打印可以高效、精確地完成，對輕量化、高性能和燃油經(jīng)濟性的提升具有重要意義。3D打印可用于塑料、金屬、陶瓷、復(fù)合材料等材料[5]。通過這種方式，汽車制造商可以根據(jù)特定的使用要求提供更多的原料。例如，使用3D打印制造強度高、質(zhì)量輕的部件，比如發(fā)動機零件、懸架等。相對于傳統(tǒng)的材料制備方式，3D打印能夠滿足不同的需求，能夠靈活地選取最適合的材料。傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝消耗了大量的原料，同時也帶來了大量的廢棄物。與此形成鮮明對比的是，3D印刷是一種生產(chǎn)過程，基本上沒有廢物產(chǎn)生，廢棄物較少。這樣既能減少環(huán)保壓力，又能節(jié)約生產(chǎn)成本。另外，3D打印技術(shù)還能實現(xiàn)分散式生產(chǎn)，將所需要的部件就地加工，降低了供應(yīng)鏈及物流成本。3D打印技術(shù)流程如圖2所示。

4" 結(jié)束語

從目前汽車工業(yè)的發(fā)展態(tài)勢來看，輕量化將是今后一段時間里汽車工業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)方向。在降低車輛生產(chǎn)制造成本的前提下，實現(xiàn)車輛的輕量化，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，從而達到低成本、高效率的目標，推動中國汽車工業(yè)的綠色發(fā)展，既節(jié)能又環(huán)保。

參考文獻：

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[3] 馮德勝，薛浩祥，李家強，等. 全塑汽車風扇罩的輕量化設(shè)計與研究[J]. 時代汽車，2023（23）：124-126.

[4] 唐遠壽，司宇，徐正萌，等. 超高強度鋼在汽車輕量化中的應(yīng)用及研究進展[J]. 金屬熱處理，2023，48（10）：247-254.

[5] 韓萍. 汽車設(shè)計中的輕量化技術(shù)研究[J]. 專用汽車，2023（8）：23-25.

（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2024-02-22