汽车轻量化技术简述

汽车轻量化概述

摘要

汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。若滚动阻力减少10％，燃油效率可提高3％；若车桥、变速器等装置的传动效率提高10％，燃油效率可提高7％。汽车车身约占汽车总质量的30％，空载情况下，约70％的油耗用在车身质量上。因此，车身变轻对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。

关键词：汽车轻量化材料结构优化有限元分析

1.国内外轻量化研究现状

早在上世纪初期，参与赛车运动的赛车就由赛车运动协会提出了重量上的限制，这也成为世界上最早的汽车轻量化事件。这项规定也为汽车轻量化同后的快速发展提供了一个良好的开端。自此，汽车零部件开始出现钢板冲压件，以替代以前经常使用的圆管材料，底盘及车架、车身等零件的制造往往采用这些钢板冲压件。

而且，更加轻量化的铸造件或冲压件也开始出现在悬架及底盘系统中的部分零件上。上世纪中叶第二次世界大战后，为了克服战争带来的汽车用材料短缺的困难，德国大众公司开始将轻量化措施大量应用在汽车设计和制造上，更加值得一提的是，镁合金材料被第一次使用在“甲壳虫”车的发动机和变速箱壳体上，这一创举即使在今天的汽车业仍有着使用价值和历史意义。

但是，直到上世纪70年代以前，汽车轻量化技术并没有能够引起人们足够的重视，甚至在第二次世界大战后，当时人们为了追求汽车的“大而安全”，结果导致了汽车总重普遍都超过了l 500kg。自上世纪70年代开始，随着全世界范围石油危机的爆发，也随着汽车设计、制造工艺技术及汽车材料技术的发展，人们才开始逐渐重视汽车轻量化技术的研究，并开始逐步应用在汽车产品上，汽车的总重才开始出现逐年减少的趋势。据统计，美国中型汽车的平均整车总重量，从上世纪80年代初的大约1520kg逐步下降到90年代末的大约1230kg。到上世纪末本世纪初期，百公里油耗仅仅3L的汽车开始出现在了汽车生产制造强国，而且汽车总重量都控制在800kg左右。如德国大众在1998年推出的路波3L TDI，汽车总质量只有800kg。奥迪公司推出的全铝轿车Audi A2，汽车总质量只有895-990kg。商用车系列产品中，汽车轻量化技术也开始得到了大量的应用，比如意大利依维柯商用车，2004年其驾驶室的质量已降为960kg。

我国汽车轻量化技术发展起步虽然较晚，但是近年来，也取得了不少成果。尤其是在国家“九五”和“十五”期间，一批被列为国家“863”、“973”高新技术项目和国家科技攻关重大项目的汽车新材料项目，大大促进了我国汽车轻量化技术的进步和发展。“九五”期间，铸件生产成套工艺技术和铝合金材料技术的开发研究项目，开发出了多种可以使用在汽车上的铸造合金和高性能轴瓦材料；半固态成型、快速凝固成型等先进成型技术的研究与应用也取得了突破；耐热铝合金、铝基复合材料等新型汽车用材料的研究也取得了较大的进展。铝合金铸造生产线也开始出现在一汽等几大汽车生产厂家；国内的大学及研究所也开始进行相关的研究，如湖南大学开始开展汽车大型铝合金结构件整体铸造成形技术和关键设备的研究；铝合金板材的成形性研究也在重庆汽车研究所、西南大学、东北大学和一汽开始开展。“十五”期问，镁合金材料的应用与开发被列为我国材料领域的重点项目，国内的大型汽车生产厂家如一汽、东风及长安等建立了压铸镁合金生产线；重庆汽研所则在镁合金材料零件的性能测试、疲劳试验及计算机仿真等方面开展了大量的研究工作；国内高校如上海交大、湖南大学及重庆大学等就镁合金材料的强韧化、阻燃性和抗高温蠕变性等开展了较深入的研究。

与此同时，国内在汽车轻量化的零件结构形状优化设计等方面也取得了大的进步，改变了原来的单纯依靠经验进行零件轻量化设计开发，逐步发展到利用有限元技术等新的设计方一法上。如湖南大学与上汽通用五菱合作开发的薄板冲压工艺与模具设计理论的课题，取得了较高的研究与应用成果，获得了国家科技进步一等奖；北航利用有限元技术和现代设计方法，对客车结构进行了优化设计与分析，实现了客车轻量化设计。

2.可用于汽车轻量化设计的金属材料

2.1轻质合金材料

福特汽车公司负责人在一次国际材料学会议上强调指出，2l世纪的汽车将发生巨大的变化，而材料技术是推动汽车技术进步的关键，如：铝、镁、陶瓷、塑料、

玻璃纤维或碳纤维复合材料等；以乘用车来说，1973年每辆车所使用的有色合金占全部用材的重量比为5.0％，1980年增至5.6％，而1997年则达到了9.6％。有色合金在汽车上应用量的快速增长是汽车材料发展的大趋势。铝合金：铝的密度约为钢的l/3，是应用最广泛的轻量化材料。以美国生产的汽车产品为例，1976年每车用铝合金仅39kg，1982年达到62kg，而1998年则达到了100kg。

2.1.1铸造铝合金

许多种元素都可以作为铸造铝合金的合金元素，但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li在大量生产中具有重要意义。当然，在汽车上广泛应用的并不是上述简单的二元合金，而是多种元素同时添加以获得良好的综合性能。汽车工业是铝铸件的主要市场，例如日本，铝铸件的76％、铝压铸件的77％为汽车铸件。铝合金铸件主要应用于发动机气缸体、气缸盖、活塞、进气歧管、摇臂、发动机悬置支架、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件、把手及罩盖壳体类零件等。

图2.1 铸造铝合金

2.1.2变形铝合金

变形铝合金指铝合金板带材、挤压型材和锻造材，在汽车上主要用于车身面板、车身骨架、发动机散热器、空调冷凝器、蒸发器、车轮、装饰件和悬架系统零件等。

图2.2 变形铝合金

2.1.3镁合金在汽车上的应用

镁铸件在汽车七的应用大致分为两大类：一类是非结构铸件，这类镁铸件不需承受巨大的冲击；另一类是结构铸件，这类镁铸件需承受特定的载荷，且能满足一定的抗冲击要求。应用镁铸件的汽车非结构件包括变速器、气阀/凸轮罩盖、离合器壳、电动机，发电机罩、进气歧管和油底壳等。采用AM5和AM60合金镁压铸件的汽车结构件有方向盘、仪表盘、座椅框架、座椅、座椅升降器、制动器，离合器支架、转向柱部件和安全气囊座等。随着材料及成型技术的进一步发展，镁合金的强度得到提高，应用范围将进一步扩大，镁合金在汽车上的应用正从内饰件转向发动机和外车身，镁合金将应用于缸体、缸盖、车顶篷、发动机罩盖和后行李箱盖板等零件。

镁合金在汽车卜的应用逐年增加，预计在今后的20年里，汽车上的镁用量将会超过100kg?车，是当前使用量的30倍。欧洲正在使用和研制的镁合金汽车零部件有60多种，单车上的镁合金质量为9.3-20.3kg。如仪表板骨架、转向盘、气缸体、气缸盖、进气歧管、轮毂、车身部件等。北美正在使用和研制的镁合金汽车零部件有100多种，是世界上汽车用镁合金量最大的地区，单车上的镁合金质黄为5.8～26.3kg。镁合金变速杆被很多日本汽车生产企业所采用。日本采用镁合金座椅架的车种在不断增加，另外镁合金变速器壳体、仪表板、车门框也将在日本生产的汽车七得到广泛应用。

欧美的汽车用镁合金压铸件正在以年均25％的速度增加，汽车用镁量正在以年均20％的速度上升。世界各大汽车公司都已经把采用镁合金零部件的多少作为衡量其汽车产品技术是否领先的标志。

镁合金和塑料、铝合金零件相比，除易于回收利用、是典型的绿色结构材料外，还具有突出的资源优势。我国是一个镁资源大国，镁矿产品种类多、储量丰富，占世界可利用镁资源储苗的70％左右。因此，在许多传统金属矿产日益枯竭和全球对技术革新、能源消耗、废气污染及噪声限制不断升级的今天，加速镁合金的

研究、开发和产业化具有重要的现实意义。

图2.2 镁合金轮辋

2.1.4钛合金

钛合金在车身上的应用还未见报道。1956年，通用汽车公司(GM)和其供货商装配了一种展览用的理想小汽车，其车体是全钛的。自此，GM一直想在发动机中使用钛，包括排气气门和连杆。汽车上用钛量最多的国家是美国与日本。美国已生产出赛车用的钛制进排气气门、气门护圈和连杆等部件。每年专用于汽车上的钛达50t。日本早在20年前就把钛应用于赛车及一部分跑车，但在重视成本的一般小客车中尚未应用。

目前，钛及其合金可用于制造发动机配气系、曲轴连杆机构和底盘零件，如气门、气门弹簧、凸轮轴、连杆等。此外，钛合金板材和管材还可用于消声器及车轮。钛合金材料的应用范围已从赛车逐渐扩大到批量生产的轿车。美国在其新一代汽车研究计划中指出，钛在汽车上的可能应用主要分布在发动机零件和底盘部件上，每辆汽车仅底盘部件的潜在用钛量就达9．9kg。由于汽车用钛合金零部件的出色性能，发达国家的汽车用钛最持续增长。1995年，全球汽车领域用钛量只有100t，2002年就超过了1000t。随着材料技术的进步，钛合金材料的生产和加工成本将不断降低，有望在汽车领域得到更大的应用。

2007年，中国海绵钛和钛加工材料均呈翻番式增长，海绵钛的产量已居世界第一位，2009年我国海绵钛产量达到了61505.51吨，这是我国使用钛合金材料的有利条件。

图2.4 钛合金铣刀

2.2、高强度金属材料

钢铁材料在与有色合金和高分子材料的竞争中继续发挥其价格便宜、工艺成熟的优势，通过高强度化和有效的强化措施可充分发挥其强度潜力，以致迄今为止仍然是在汽车生产上使用最多的材料。

2.2.1高强度钢板

一汽于上世纪90年代末，在国内率先应用冷轧高强度钢板生产商用车车身零件。大量采用抗拉强度340MPa级烘烤硬化钢板、含磷钢板代替普通强度钢板生产商

用车车身零件，使零件厚度减薄。2000年开始，开发屈服强度500MPa级高强度

大梁板，陆续在一汽新开发的中、重型商用车上应用；与传统材料16MnL相比，屈服强度提高43％，疲劳强度提高44％3冲压工艺条件不变，进行了车架优化设计，使车架减重300kg左右。BH340烘烤硬化钢板共有23种零件，BIF340钢板共

有18种零件，两种钢板每车用量228kg，单车降重约2 1kg。高强度冷轧钢板BIF340、BH340在商用车车身上有41种零件得到应用，使高强度钢板占整车用冷轧钢板的用量由原来的8％提高到当前的57．6％；2006年开始，研究开发了屈服强度

700MPa级超高强度钢板，用辊压成型技术制造商用车纵梁。

轿车自重的25％在车身，车身材料的轻量化举足轻重。90％的车身钢板使用现已大量生产的高强度钢板，可以在不增加成本的前提下实现车身降重25％，且静态扭转刚度提高80％，静态弯曲刚度提高52％，第一车身结构模量提高58％，满足全部碰撞法规要求。在普通的IF钢板的基础上相继开发了高强度IF钢板、烘烤硬化IF钢板，在保持高成型性的同时提高了强度和抗凹陷性，为车身钢板的减薄和实现轻量化创造了条件。加入Ti、Nb和V等元素的析出强化钢板拉伸强度在

500MPa~750MPa，可用于车轮和其它底盘零件。近来开发的多相钏有相当大的应用潜力。其中铁素体一贝氏体钢强度级别为500MPa，双相(DP)钢和相变诱发塑性(TRIP)钢强度级别为600MPa-800MPa，复相(CP)钢强度级别在1000MPa或更高。这些钢的成型性能也很好。

图2.5 汽车上高强度钢的运用

2.2.2汽车用弹簧钢

悬架弹簧轻量化的最有效方法是提高弹簧的设计许用应力。但是为了实现这种高应力下的轻量化，材料的高强度化是不可少的。在传统的Si-Mn弹簧钢的基础上通过降低C并添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素，开发出强度和韧性都很高的钢种，设计许用应力可达1270MPa，这种弹簧钢的应用可实现40％的轻量化。在传统的Cr-V系弹簧钢中添加Nb可提高钢的抗延迟断裂性能，结合改进的奥氏体轧制成型，可使钢的拉伸强度达到1800MPa的水平。一汽2002年应用50CrMnVA弹簧新材料少片簧具有高疲劳性能，弹簧降重30%；2005年，成功研制FAS3550弹簧扁钢新材料，应用于主、辅一体少片簧，降重50％。

气门弹簧用的Si—Cr钢中添加V，通过晶粒细化确保韧性，由增C提高强度。这样改进后，弹簧的高周疲劳强度约提高8％，可实现15％的轻量化。通过有限元分析，螺旋弹簧内、外侧应力均匀分布的柠檬形断面弹簧钢丝得以开发，使弹簧实现7％的轻量化。

图2.6 弹簧钢丝

2.2.3高强度铸铁

奥贝球铁(ADI．Austempered Ductile Iron)具有很高的强度和韧塑性，奥贝球铁最高强度级别可达到1400MPa，超过了调质钢和渗碳钢的强度水平。可以用ADI 代替钢制造汽车轮毂、全轮驱动双联杆、转向节臂、发动机正时齿轮、曲轴和连杆等。经实物测量，代替锻钢制造曲轴可以降重10％，代替铝合金制造商用车轮毂每件可降重0．5kg。

图2.7 高强度灰铸铁

2.3、粉末冶金材料

粉末冶金材料成分自由度大和粉末烧结工艺的近净形特点，其在汽车上的应用

有增加的趋势，特别是铁基粉末烧结材料在要求较高强度的复杂结构件上的应用越来越多。组装式粉末冶金空心凸轮轴是近年来的新产品，它是由铁基粉末冶金材料制成凸轮，然后用烧结或机械的办法固定在空心钢管上组成。与常规的锻钢件或铸铁件相比，可降重25％～30％。粉末锻造连杆已经成功应用，近年开发的一次烧结粉末冶金连杆技术的生产成本较低，可实现l 1％的轻量化。

图2.8 粉末冶金材料

塑料在汽车行业的应用前景同样看好。使包括聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、热固性复合材料、ABS、尼龙和聚乙烯等在内的塑材市场得以迅速放大。近两年，车用塑料的最大品种一聚丙烯，每年以2.2％-2.8％的速度加快增长。预计到2020年，发达国家汽车平均用塑料量将达到500kg／辆以上。主要部件有保险杠、挡泥板、车轮罩、导流板等；内装饰件的主要部件有仪表板、车门内板、副仪表板、杂物箱盖、坐椅、后护板等；功能与结构件主要有油箱、散热器水室、空气过滤器罩、风扇叶片等。

一汽应用研究实例如下：

实例(1)：发动机SMC油底壳具有低翘曲、高抗冲和高强度的特点，实现降重50％、降低整车通过噪声0.5dB。

实例(2)：PA6&66+GF、PA46+GF、PPA+GF等高性能塑料复合材料应用研究，达到降成本20-30％，降重30-50％。

实例(3)：用耐高温热塑性工程塑料制造发动机中冷器端盖、弯管等，替代现有的铸铝件，实现降低重量40％。

实例(4)：采用LDPE材料，用壤塑或吹塑成型制造汽车油箱。降低重量50％左右，材料可回收再利用。

实例(5)：采用橡胶悬置限位及减振替代钢板弹簧。整车降重350kg。

图3.1 聚丙烯过滤片

从汽车零部件概念设计、初始结构设计、产品工程设计和样车制造过程来做结构轻量化的设计分析。在满足使用件能的前提下，采用优化设计去除零部件的冗余部分、减少零件搭接、改变零件结构，以减少零件数量或减轻质量，继而实现轻量化。

4.1优化结构设计

国外设计轻结构的研究开发主要有两方面，一是开发新的更适用的设计方法，以优化零件的造型设计；二是设计轻结构形状，力图按实际工况来优化零件的形状。

图4.1 结构优化设计

4.2实体结构设计和布局

汽车轻量化的手段之一就是对汽车总体结构进行分析和优化，实现对汽车零部件的精简、整体化、轻量化。因而在考虑轻量化时，要协调总成与整车、总成与总成之问可能出现的各种矛盾。利用CAD技术，可以准确地实现车身实体结构

设计和布局设计，对各构件的形状、配置、板材厚度的变化进行分析。对于采用轻质材料的零部件，可利用CAE技术作零件的布局干涉分析和运动干涉分析，使轻量化材料能满足车身设计的各项要求。

4.3拓扑优化设计

拓扑优化开展于概念设计早期，主要研究结构材料布局，由于拓扑优化的结果决定了产品的最优拓扑，即决定了产品的最终形状与性能，因此在车身轻量化设计中大量应用拓扑优化技术，可以在很大程度上保证车身结构设计后续的尺寸和形状优化是在材料分布最优初始拓扑形式下进行的，能够极大地提高材料利用率。在产品设计中结合拓扑优化分析技术，在一定程度上改变了传统设计理念，给设计人员提供了更充分、更精确的设计依据，具有非常重要的意义。结合拓扑优化分析的产品设计具有以下特点：(1)避免内部复杂零件设计的盲目性，克服照

抄其他产品设计带来的缺陷；(2)保证最大的材料利用率，减轻制件质量；(3)保

证最优的模态、力和力矩特性，提高零件的总体性能；(4)保证零件制造的最佳

工艺性，减少不必要的复杂结构，从而降低模具和生产成本。

图4.2 拓扑优化设计

4.4用形状优化实现轻量化

形状优化法能达到既减小零件的质量又延长零件寿命的目的。这种方法采用一种建立在生物学增长规律基础上的数值计算方法，它的基础是模拟一种凭借经验确定的生物学增长规律，用有限元法研究生物增长载体(如骨骼、树木等)的力学特性。研究发现，生物增长载体会避免应力集中，并始终试图增长为在一种标准载荷作用下表现为均匀表面应力的形状。这就给设计师以启发，即可借助于形状的变异来降低峰值或使应力分布均匀化。具体做法是向承受高负荷的部位贮存材料，而将承受低负荷的部位去除材料，零件的形状将按照避免出现应力高峰并使应力分布均匀来设计。这种结构设计方法已用于汽车后轴差速器壳体、半轴等零件设计。这种基于生物学增长规律的形状优化方法，可收到既减小零件质量，又避免局部应力高峰的效果。

5.基于新制造工艺的轻量化技术的应用

为了达到进一步减小质量及降低成本的目的，除了开发高强度钢、铝、镁轻合金材料外，近年来，还开发了一系列适应于这些新材料的新制造工艺，如激光焊接、液压成型、半固态金属加、喷射成型技术。

5.1激光焊接

20世纪90年代中期，世界汽车工业使用的激光加工(切割、焊接、表面处理等)系统已超过5000台套，在激光焊接领域硕果累累。激光焊接工艺使采用各种复合拼焊板生产轿车零件(车身、车架等)成为可能。激光拼焊工艺改善了车身零部件的使用性能，降低了汽车质量，提高了汽车结构可靠性及安全性。车身激光拼焊工艺具有下列优点：减小结构件质量及材料消耗，减少零件数量，特别是减少垫板及其他一些加强元件；提高车身质量稳定性及结构可靠性，因为这种车身能轻松地在静态负荷、冲击负荷及变负荷下保持强度均衡。

除此之外，点胶焊、超声波焊、超塑性扩散连接等技术也逐步占据一席之地，使得轻量化进程更加顺利。

图5.1 激光焊接机

5.2液压成型技术

液压成型主要是指把要成型的管件或板料放在密闭的模具中，再把流体介质(如水)引入管件内腔，增加水的压力，使管件或板料在常温下在模具内变形，最终成为所需的汽车部件形状。液压成型技术是一种先进的生产工艺，目前在欧洲和北美的汽车工业界得到广泛应用。世界各大汽车公司采用这种技术取代传统的生产工艺，以提高产品品质，减少零部件数量，减小汽车质量，降低生产成本。

目前，使用液压成型技术生产的汽车零件主要有T型接头、排放系统、发动机支架、后桥和后桥部件以及各种结构样件。

美国通用SEVILL车型运用此技术生产了侧门横梁、车顶托架等结构件。而福特的Mondeo的发动机支架采用此技术后，大大减少了零件和丁序，质踣也从12kg 降到了8kg。

图5.2 金属管油压成型机

5.3半固态铸造技术

金属材料从固态向液态或由液态向固态的转变过程中，都要经历半固态阶段。在此阶段，合金内既存在固相又存在液相。半固态加工是将金属或合金在固相线和液相线温度区问进行加工，形成近终形产品的一种新方法。半固态成型的工艺路线有两种，分别是流变铸造和触变铸造。流变铸造的丁艺简单、能耗低、铸造成本低，但由于流变铸造中半固态金属浆料的保持及输送要求严格且困难，流变铸造的实际应用较少。目前，半固态铸造多以触变铸造为主。但由于触变铸造首先需要生产半固态金属坯料，成本高、二次加热能耗大、工艺过程较复杂，其应用也受到限制。

5.4喷射成型技术

喷射成型又称雾化沉积或喷射铸造，是20世纪80年代以来在传统快速凝固/粉末冶金工艺基础上发展起来的一种全新的成型加工技术。其原理是采用高压惰性气体将金属液流雾化破碎成大量细小的液滴，并使其沿喷嘴轴线方向高速飞行，在这些液滴尚未完全凝固之前，将其沉淀收集到具有一定形状的接收基体上并积累，通过合理设计接收基体的形状及控制其运动方式，便可以从液态金属直接制取具有快速凝固组织特征和整体敛密的圆锭、管坯、板坯、圆盘等形状的沉积坯件。喷射成型过共晶Al—Si系合金目前在国外主要用于制造发动机中的一些关键零部件。如德国PEAK公司从1997年开始批量生产φ300mm×2500mm过共晶Al

—Si系合金圆锭，2000年其产量达6000t左右；日本1999年过共晶Al—Si系合金的产量达到1000t左右。国内喷射成型技术起步较晚，“九五”期间，我国开发了与国外第二代喷射成型设备相当的设备。

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