汽車輕量化研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢探討

雷先華 文濤 魯仕豪 陽移恒 毛圣

摘要：隨著汽車數(shù)量的增加，空氣質(zhì)量問題變得越來越受到關(guān)注。因此，積極尋求更先進(jìn)的燃料和材料、更低的油耗、更高的安全性等方案，成為當(dāng)今世界所面對的巨大挑戰(zhàn)。在這種情況下，“低能耗”和“低排放”的汽車已經(jīng)成為汽車行業(yè)必須解決的一個重大課題。為達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求，在保證安全的情況下，實現(xiàn)汽車極致輕量化是可行的。主要對汽車輕量化在材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及制作工藝的研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡述，并對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：汽車輕量化 ；節(jié)能；汽車材料；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

《第二次全國污染源普查公報》[1]顯示，機(jī)動車排放的氮氧化物占全國排放總量的33.3%；并且，在全國主要城市的大氣細(xì)顆粒物（PM2.5）的源解析結(jié)果顯示，北京、上海、杭州等城市的移動源排放占比分別達(dá)到了45.0%、29.2%和28.0%，已成為PM2.5的首要來源。這些數(shù)據(jù)表明汽車排放污染的問題依舊嚴(yán)重。

道路交通排放已經(jīng)占到全球碳排放總量的18%，是溫室氣體排放的重要組成部分。巴斯夫公司（BASF SE）數(shù)據(jù)分析，若汽車整車質(zhì)量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車整備質(zhì)量每減少100kg，每百千米油耗可降低0.3～0.6L；汽車質(zhì)量降低1%，油耗可降低0.7%。

車身在實現(xiàn)輕量化后節(jié)能減排，能改善空氣質(zhì)量。因此，實現(xiàn)汽車輕量化是未來的大勢所趨，也是未來汽車發(fā)展繞不過的話題。與汽車動力裝置和傳動裝置的技術(shù)改革相比，對于汽車輕量化改革是減少能源消耗和排放的最有效措施之一。要突破整車輕量化技術(shù)，需從汽車材料、結(jié)構(gòu)和工藝三個方面進(jìn)行研究。

汽車輕量化的方法

1.材料輕量化

汽車輕量化的關(guān)鍵是研發(fā)，在保證強度情況下能大幅度減輕質(zhì)量的輕質(zhì)新材料。全球大型汽車公司和材料制造商都將輕型材料的研發(fā)放在首位，輕量化的研究和應(yīng)用水平已經(jīng)成為大型制造商的標(biāo)準(zhǔn)，決定他們是否可以開發(fā)用于制造汽車的技術(shù)和新材料。

目前，輕型汽車的新材料主要分為金屬和非金屬材料。

（1）金屬材料 金屬材料有高強度鋼、高強度鋁合金和鎂合金等。

1）高強度鋼具有較高的強度和良好的延塑性，可以在保證汽車安全性能的前提下，使用較薄的鋼板來實現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)的輕量化。在汽車中應(yīng)用的高強度鋼可以提高汽車的車身強度，從而在碰撞事故中提供更好的保護(hù)性能。

2）鋁合金具有較高的強度，同時也有不錯的耐撞性，能在碰撞過程中吸收更多能量，從而提高車輛的安全性能。與鋼材料相比，鋁合金的密度僅為前者的三分之一，采用鋁合金材料可以顯著降低汽車的整體質(zhì)量。這將有助于減少燃油消耗，降低CO2排放，從而實現(xiàn)環(huán)保目標(biāo)。鋁合金廢料也更易于回收和再利用，有利于實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。

在目前市場上，普遍采用高強度鋼與鋁合金相結(jié)合的方式，在提高汽車安全性的前提下實現(xiàn)輕量化，例如在特斯拉的Model3中，在一些車身的重要部分，例如縱防撞鋼梁、門檻梁以及車身側(cè)面A、B柱等位置使用了超高強度鋼，而在車身后部的鋁材料占比達(dá)到了30.5%。此外，特斯拉在車身底部位置還額外設(shè)計了三條橫梁，這三條橫梁為馬氏體鋼，不僅可以讓車輛擁有更好的強度，同時還可以抵御來自側(cè)面的碰撞。采用這些高強度鋼和鋁合金等輕量化材料，特斯拉的汽車相較于其他品牌的傳統(tǒng)汽車可以減重10%～20%[2]。

3）鎂合金是目前已知最輕的工程結(jié)構(gòu)金屬材料，其密度遠(yuǎn)低于鋼鐵和鋁合金，并具有良好的可塑性和可鍛性，便于加工成各種復(fù)雜的汽車零部件，是用于汽車輕量化的新興材料。

鎂合金還具有優(yōu)良的減振和降噪性能，主要應(yīng)用于發(fā)動機(jī)部件、車架和底板等，可以有效地降低汽車的質(zhì)量，提高能效和減少CO2排放。同時，鎂合金還具有優(yōu)異的散熱性能和抗振性能，可以提高車輛的安全性能和舒適性。

然而，鎂合金也存在一些缺點，例如成本較高、耐腐蝕性較差等。此外，由于鎂合金的密度較低，使得它的抗撞擊能力較差，因此在一些需要承受較大沖擊的部位，如車門、保險杠等，還需要使用其他材料進(jìn)行加固。

（2）非金屬材料 由于汽車輕量化的需求越來越高，非金屬材料的應(yīng)用領(lǐng)域正不斷拓寬，而塑料制品的應(yīng)用尤為普遍，出現(xiàn)“以塑代鋼”[3]為汽車減重的情況。它們正被視為一種新興的能源來源，并且正在被引入汽車工業(yè)。

高分子復(fù)合材料由于密度小、能夠可塑性加工、回收利用率高等優(yōu)點，成為輕量化材料重點發(fā)展方向之一，不局限于內(nèi)飾，還包括各種零部件。最具代表的是PDCPD[4]（聚二甲氧基硅烷增強聚合物），這是一種新型的高性能復(fù)合材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性和耐磨性等特點。在汽車輕量化領(lǐng)域，PDCPD材料通常用于制造車身結(jié)構(gòu)、底盤和零部件等部位。在全球范圍內(nèi)許多擁有先進(jìn)技術(shù)的汽車生產(chǎn)商，如寶馬、奔馳、奧迪及沃爾沃等，已經(jīng)把使用塑料制品的數(shù)量視為衡量其生產(chǎn)能力的關(guān)鍵因素。

2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化

汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過設(shè)計、拓?fù)?、形狀及尺寸等方面來進(jìn)行實現(xiàn)輕量化。

1）在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計時通過綜合考慮多個學(xué)科[5]的因素，例如結(jié)構(gòu)、流體、熱及電磁等，對汽車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面優(yōu)化。這種優(yōu)化方法可以綜合考慮各種因素對結(jié)構(gòu)性能的影響，以達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計效果。

2）拓?fù)鋄6]是重點研究幾何圖形隨著形狀的不斷變化而保持不變的相關(guān)特性，在汽車領(lǐng)域可以通過拓?fù)涞姆椒▉硎菇Y(jié)構(gòu)更加合理來節(jié)省空間，各零件尺寸參數(shù)通過模擬尋找出節(jié)省空間且強度更高的設(shè)計參數(shù)組合，如板材厚度、截面面積等，分析零部件的尺寸參數(shù)對于車身強度和碰撞安全的影響，保證原有的強度和性能的情況下假設(shè)零部件尺寸參數(shù)找到最優(yōu)設(shè)計參數(shù)組合，改變結(jié)構(gòu)的一些特征參數(shù)。在汽車上可以對車身，懸架，動力系統(tǒng)如發(fā)動機(jī)、變速器、傳動軸等部件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，以達(dá)到減輕質(zhì)量和提高性能的目的。

3）形狀優(yōu)化是材料形狀和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，通過指定網(wǎng)格節(jié)點的移動空間，來尋找結(jié)構(gòu)最佳的過渡曲線、邊界形狀等來提高結(jié)構(gòu)的剛度、模態(tài)、減少應(yīng)力集中等。形狀優(yōu)化過程相當(dāng)于改變結(jié)構(gòu)的三維模型，但是這種方法并不需要重新劃分網(wǎng)格，所以設(shè)計效率大大提高。

4）尺寸優(yōu)化主要集中于對零部件截面形狀和尺寸的優(yōu)化。根據(jù)等強度原則，可以通過調(diào)整截面的形狀和尺寸，使零部件在滿足性能要求的條件下，盡可能地減薄壁厚，從而減少材料的使用量，達(dá)到輕量化的目的。此外，尺寸優(yōu)化還可以通過減小零部件的總體尺寸來實現(xiàn)輕量化。在保證結(jié)構(gòu)強度和剛度的前提下，可以通過減小零部件的長度、寬度和高度等參數(shù)，減小結(jié)構(gòu)的外形尺寸，從而降低材料的用量，實現(xiàn)輕量化。值得注意的是，尺寸優(yōu)化需要綜合考慮制造工藝、裝配要求、材料性能等因素的影響。在優(yōu)化過程中，需要確保優(yōu)化后的零部件能夠滿足制造和裝配的要求，同時還需要保證其具有足夠的強度和剛度，能夠承受各種載荷和應(yīng)力。

3.工藝優(yōu)化

工藝優(yōu)化可以從汽車的一體化壓鑄[7]與激光焊接著手。

1）一體化壓鑄工藝[3]具有低成本、高效率的優(yōu)勢，在近幾年，許多新能源車企都開始爭先布局大型壓鑄機(jī)。例如，小鵬黃埔工廠即將上線一臺16 000t的壓鑄機(jī)，小米汽車應(yīng)用了小米的超級大壓鑄技術(shù)，即9100t一體化壓鑄工藝。

在材料成本方面，一體化壓鑄能夠減少零部件數(shù)量，降低材料用量，還能避免邊角料的產(chǎn)生，實現(xiàn)材料接近100%的利用率。在人力成本方面，一體化壓鑄技術(shù)能夠大量減少焊接點位，從而降低對焊接技術(shù)工人的需求。

以特斯拉Model 3為例，Model 3后底板的70余個零部件變?yōu)橐惑w壓鑄的2個大件，焊接點從大約700～800個直接減少到50個，所需的技術(shù)工人也縮減至原來的十分之一，顯著降低了零部件生產(chǎn)的模具成本和組裝的生產(chǎn)線成本。因為鋁材料自身的特性，鋁車身還存在很多技術(shù)問題，比如板材延伸率最大只有30%，導(dǎo)致沖壓加工成形困難，售后也存在因為焊接修復(fù)困難，備件更換昂貴等問題。特斯拉開啟了在電動車車身上應(yīng)用的先河，也是車身制造的一次技術(shù)革新。

隨著一體化壓鑄工藝的出現(xiàn)，鋁材質(zhì)零件比例不斷提升得到快速的實現(xiàn)。在輕量化方面優(yōu)勢特別突出，一體化鋁合金壓鑄車身的質(zhì)量約為 250kg，傳統(tǒng)沖焊車體質(zhì)量約400kg，最大減重可達(dá) 200kg。在材料利用率方面，鋁合金壓鑄也具有一定優(yōu)勢，沖壓件的綜合材料利用率在 70%左右，傳統(tǒng)鋼制車身生產(chǎn)投入的鋼板為480～640kg，鋁合金壓鑄的材料利用率可以在 90% 以上。

2）激光焊接[8]是一種先進(jìn)的非接觸式加工方式，可以實現(xiàn)精密焊接，提高了連接的堅固性、無縫性、精密性和清潔性。其次，激光焊接能夠用更多的沖壓件代替鑄造件，用連續(xù)的激光焊縫代替分散的點焊縫。這樣可以減少搭接寬度和一些加強部件，降低車身結(jié)構(gòu)本身的體積，從而減少了車身的質(zhì)量。滿足汽車節(jié)能減排的要求。

未來發(fā)展展望

國務(wù)院辦公廳正式發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》[9]提出，要突破整車輕量化等共性節(jié)能技術(shù)，以合金材料為重點建立體系，在此體系上進(jìn)行輕量化材料的創(chuàng)新。

展望未來，隨著科技的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，汽車輕量化將繼續(xù)沿著新材料、新工藝和優(yōu)化設(shè)計的方向發(fā)展，為汽車產(chǎn)業(yè)帶來更加綠色、高效和智能的未來。

1）在新材料方面，除了已經(jīng)廣泛應(yīng)用的高強度鋼、鋁合金、鎂合金等材料外，碳纖維復(fù)合材料、鈦合金、塑料和聚合物等新材料也可能會得到更廣泛的應(yīng)用。這些新材料具有更高的比強度和比剛度，能夠有效地降低汽車的質(zhì)量，提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性能。

2）在新工藝方面，激光焊接、熱成形、高壓鑄造、內(nèi)高壓成形及輥壓成形等先進(jìn)工藝可能會得到應(yīng)用和優(yōu)化。同時，3D打印技術(shù)、機(jī)器人自動化等新技術(shù)也可能會逐漸應(yīng)用于汽車輕量化領(lǐng)域，以提高生產(chǎn)效率和降低成本。

3）除了新材料和新工藝，未來汽車輕量化還可能繼續(xù)注重結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化。例如，采用的拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化等結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，以實現(xiàn)更加合理的材料分布和結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而達(dá)到更好的輕量化效果。

此外，汽車輕量化的發(fā)展還需要考慮環(huán)保和可持續(xù)性等因素。因此，未來可能會更加注重使用可再生材料和可回收材料，以降低汽車制造對環(huán)境的影響。

總之，未來汽車輕量化的發(fā)展將繼續(xù)采用新材料、新工藝和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計等多種手段，以實現(xiàn)更好的輕量化效果，同時注重環(huán)保和可持續(xù)性等因素。

結(jié)語

綜上所述，汽車輕量化是未來汽車發(fā)展的一個重要方向。輕量化無論是在節(jié)省燃料還是保護(hù)環(huán)境以及提高速度等方面都在汽車行業(yè)中具有極高的競爭優(yōu)勢。新材料、新制作工藝、新結(jié)構(gòu)，都是輕量化的有力手段。

近幾年環(huán)境政策以及國家“雙碳”計劃的要求，對于汽車廠商要求越來越嚴(yán)格，對于廠商的研發(fā)技術(shù)是一種考驗。汽車輕量化已經(jīng)成為汽車廠商急需解決的問題。越來越多的廠商開始著手研發(fā)來解決這一關(guān)乎汽車廠商的生存問題。隨著技術(shù)發(fā)展，輕量化技術(shù)的推廣應(yīng)用，將會有利于我國汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展。

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