汽车材料轻量化

浅谈汽车轻量化

摘要：通过对汽车轻量化的意义的分析，以及汽车轻量化技术的现状特点，引出了轻量化的发展方向。

关键词：汽车；轻量化；发展

一、汽车轻量化的意义

现阶段，降低能耗、减少环境污染以及节约有限资源是各国面临的一个十分重要而紧迫的课题，而通过减轻汽车自重能提高汽车的燃油经济性、降低能耗、减少污染已成为全球汽车工业的发展趋势。

有关研究数据表明：若汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高 6%-8%；若滚动阻力减少10%，燃油效率可提高3%；若车桥、变速器等机构的传动效率提高10%，燃油效率可提高7%。此外，车辆每减重100kg，CO2排放量可减少约5g/km。

由此可见，汽车轻量化对于节能减排具有重大的意义，是实现我国汽车工业可持续发展的重要措施。同时，轻量化还可以使车辆行驶时因底盘重量的减轻而减轻颠簸，提高了车身的稳定性；轻量化的材料能对冲撞能量的吸收，又可以有效提高碰撞安全性。

因此，无论是对于传统动力汽车，还是新能源汽车，轻量化一直是科研、汽车生产制造等重点探索方向。目前，在汽车轻量化领域，正呈现技术、工艺和材料等多方发力局面。

一、汽车轻量化技术的现状：

汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计、轻量化材料的使用和制造工艺三个方面。

①轻量化材料：实现汽车轻量化必须集成利用多种新材料和相关应用技术。目前，汽车轻量化材料使用的主要是高强度钢，其次是铝镁合金、复合材料及塑料。其中，高强材料主要用于降低钢板厚度，保证汽车结构和安全性能；低密度材料主要用于非结构件替换和减轻汽车质量。

1)采用高强材料：高强钢是轻量化的关键材料，它的大量使用既实现了整车轻量化，又保证了汽车的安全性和可靠性，因此，高强钢使用面广且量大。

2）采用轻量化材料：铝合金是轻质材料，具有良好的抗腐蚀性，应用前景良好。近年来，铝材在汽车上应用量增加很快，主要是板材、挤压材、铸铝及锻铝，在车身结构、空间框架、外覆盖件和车轮等处均有大量应用。

除了镁合金以外，还采用更轻的铝材料，用于壳体类、气缸盖罩盖和方向盘骨架等件，现在已经扩展到座椅骨架、车门、车顶、仪表盘骨架和支架类零件，轻量化效果更明显。

3）复合材料的使用：塑料及纤维复合材料在汽车工业的应用也日趋增加，汽车上应用塑料件已达数百个，多应用于发动机的缸套、活塞、连杆、活塞销、摇臂和气门挺柱，刹车系统的刹车盘和刹车毂。

②优化设计：随着汽车工业设计水平的不断提高，如果汽车车身结构设计合理，不仅可

以减少材料的使用量，还能达到轻量化的目的，常采用超轻悬架结构、高刚性结构来达到轻量化目的；

1)结构构建：优化设计中可以优化车身的空间结构，减小或减少车身多余的尺寸、零件数量和零部件厚度，优化零部件形貌，减少不必要的结构或用于增强的加强件数目。

2)材料选择:优化设计中采用CAE 技术的利用可以给出材料选择的合理预判。

3)工艺预置:在优化设计中，通过 CAE 技术可以分析出汽车的工艺使整车能否达到轻量化目标的可行性和路径。

4)试验仿真:采用CAE分析技术仿真替代部分试验测试，如：白车身弯扭试验、白车身NVH 试验、白车碰撞试验及保险杠碰撞试验等。

③制造工艺：热成形技术、液压成形技术、激光拼焊板技术和金属半固态成形技术的应用大大减轻了整车的重量。

1)热成形技术: 该技术通过快速冷却淬火，热成形后制件强度得到大幅提高；成形性优良；降低压机吨位；尺寸精度较高；零件表面硬度、抗凹性和刚度好。

2)液压成形技术:该技术与冲压焊接件相比，可以节约材料，减少后续工作量，并且由于焊接减少，可提高构件的强度与刚度；而与冲焊件相比，可降低生产成本和模具费。

3)激光拼焊板技术:该技术焊接速度快，热影响区小，且成形性良好，除此之外，还可使模具的数量和后续生产工序减少，从而降低了生产成本，并提高了零部件的质量，优化了零件结构，充分发挥了不同强度和不同厚度板材的特性。

4)金属半固态成形技术:该技术的特点是高效、高性能、低成本与节能环保，该技术经过多年不断发展，日趋成熟，并对在汽车结构零件铝合金中起到了推动的作用。

近年来，我国在汽车轻量化方面取得了不少成果。据统计，“九五”和“十五”及“十三五”期间，一批汽车新材料项目被列为国家“863”、“973”、“585”高新技术项目和国家科技攻关重大项目。此外我国政府也公布了汽车节能减排计划，2016年1月1日起执行，每年将设置油耗达标值，直至到2020乘用车平均油耗降至5.0升/100公里，这些都促进了汽车轻量化技术的进步。

三、汽车轻量化技术的发展方向：

汽车工业虽然是国家经济发展的支柱产业，但汽车轻量化技术还处于很不成熟的阶段，未来将有很大发展前景。

在汽车轻量化的研发方面：首先，要打破轻量化技术发展所涉及的众多学科之间的壁垒，形成综合性、系统性知识体系；接着，国家应该作出战略性和前瞻性的超前部署，以创新需求为纽带来获取汽车轻量化核心技术为长期战略目标，大力发展新材料、新技术、新工艺、新产品。

在结构优化设计方面：汽车结构的尺寸优化、形状优化和连续体拓扑优化已逐步发展成熟并得到广泛应用，但汽车结构的多学科、多目标优化设计方法，离散杆系结构的拓扑优化

方法，还有待进一步研究和完善。

在轻量化材料的应用方面：变形镁合金、新型塑料和纤维增强复合材料具有较大的应用潜力；另外，同一部件的组成零件可由不同材料制造，以实现所用的材料与零件功能达成最佳组合，最大程度地满足汽车结构的轻量化要求。

在工艺研究方面：液压成型、激光焊接将得到更为广泛的应用，热成形工艺和变厚度板的应用将得到进一步发展。此外，零部件如车桥、悬架、变速箱、发动机等的轻量化研究将会得到进一步重视。

总之，各种轻量化技术是相辅相成的，充分发挥不同轻量化手段的优势，研究汽车材料选择、结构设计和工艺设计的系统化和集成化方法，即轻量化技术的系统化和集成化，也是未来汽车结构轻量化技术的发展方向。