陳巖

(廣東福迪汽車有限公司，廣東 佛山 528225)

1 輕量化節(jié)能技術意義

用于改進汽車能源消耗的技術，就是節(jié)能技術。2004年國家頒布首個油耗強制性國家標準—— 《乘用車燃料消耗量限值》，目的就是要降低汽車的燃油消耗。在汽車開發(fā)方面，降低汽車能耗的主要措施有兩條:(1)改進汽車動力系統(tǒng);(2)開發(fā)輕量化車身。當前，動力系統(tǒng)的性能已經(jīng)達到相當高的水平，進一步提高性能變得越來越難，而車身輕量化的潛力卻非常大，因而在全球范圍內(nèi)得到普遍的重視［1］。車身輕量化具有以下意義:

(1)減少燃油消耗、尾氣排放

據(jù)測算，一輛車若減重10%，可相對減少6%～8%的燃油消耗，節(jié)能明顯。同時，汽車的尾氣排放也相應減少，資料表明，汽車每減重1 kg，每年可少排放尾氣0.8 kg。

(2)提高動力性能

發(fā)動機的功率主要消耗在克服汽車行駛阻力上，行駛阻力由空氣阻力、滾動阻力、加速阻力和爬坡阻力等組成。在行駛時除空氣阻力外其他阻力均與整車的總重量成正比，所以，減輕汽車自重，能減少以上3種阻力，提高汽車動力性能。

(3)提升車輛操控穩(wěn)定性

車輛輕量化可以減小車輪和路面的總摩擦力，降低慣性力，便于駕駛，降低阻力轉(zhuǎn)向的能耗。

(4)提高汽車安全性能

隨著汽車重量的減輕，汽車在行駛中的慣性減小，所以制動距離減小，發(fā)生碰撞的機會減少。即使發(fā)生碰撞，由于汽車的重量輕，慣性減小，碰撞沖擊減小，危害性隨之降低，安全性提高。

(5)促進新材料新工藝的研發(fā)

輕量化技術將大量使用新型材料，尤其對鋁合金、鎂金屬、高強度鋼板、復合材料、塑料等在材料性能、加工性、工藝性方面將提出新的、更高的要求。目前，國外的汽車廠商，如福特、通用、大眾等，已經(jīng)在車身上大量使用鋁合金，部分高檔車型已經(jīng)開始使用全鋁車身，而我國在此方面的技術還很落后，輕量化車身技術的研究將給新材料的研究提供良好的機會。

(6)推動電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［2］

輕量化車身不僅可以廣泛用于傳統(tǒng)汽車，更是電動汽車不可或缺的重要組成部分?？梢钥吹?，世界上各種新型電動汽車的開發(fā)，例如燃料汽車、太陽能汽車、電動汽車、混合燃料汽車，都伴隨著輕量化車身的開發(fā)，因為這些新型汽車的構成原理不同，都不能直接應用傳統(tǒng)汽車的車身，而必須針對性開發(fā)新車身。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

車身輕量化技術仍然掌握在傳統(tǒng)的汽車強國和地區(qū)——美國、歐洲、日本，幾十年來，他們通過立法，對汽車的能耗和排放提出嚴格的標準，從而促進汽車技術進步，其中包括輕量化技術的發(fā)展。例如，美國能源部與三大汽車公司合作提出新一代汽車共同開發(fā)計劃(PNGV-Partnership for a New Generation of Vehicles)，側(cè)重于車體結構與動力系統(tǒng)的輕量化，表1是美國PNGV汽車計劃的質(zhì)量減輕目標。

表1 美國PNGV汽車計劃的質(zhì)量減輕目標

目前，車身輕量化技術研究主要集中在新材料、新工藝、新設計3個方面。但是無論采用什么方法和技術，車身輕量化過程中，人們必須解決好以下3個基本矛盾:

(1)降低車身質(zhì)量不能影響汽車構架的強度和剛度;

(2)應用新材料不能增加汽車制造成本;

(3)應用新材料不能增加汽車使用維修成本。

據(jù)通用發(fā)表的數(shù)據(jù)表明，1997年一輛汽車的黑色金屬占整車總質(zhì)量的71%、中高強度鋼占3%、鋁合金占3%、其他占18%、塑料及復合材料占5%，但是到2004年，黑色金屬占有量明顯下降，中高強度鋼的應用大幅度提高，例如美國PNGVClass計劃所開發(fā)的概念車車體及外圍構件全部采用高強度鋼，其中，85%采用新型高強度鋼，該車在2004年通過美國的正面和側(cè)面碰撞安全性能測試，同時通過了歐洲混合碰撞的評估，并于2005年10月獲得了由美國節(jié)能聯(lián)盟頒發(fā)的“能源之星杰出表現(xiàn)獎”。福特2005年兩款非常受歡迎的Ford500和freestyle都大量采用高強度鋼。

鋁質(zhì)材料在汽車上的應用典范代表是奧迪車系，奧迪A8已經(jīng)實現(xiàn)全鋁車身，是規(guī)模生產(chǎn)的很好典范。1989年本田跑車NSX也是使用全鋁制車架，此外，寶馬5系和7系的鋁質(zhì)懸架，日產(chǎn)Altima的發(fā)動機罩和輪轂、法拉利612車身都是鋁制車身。國產(chǎn)汽車要達到國外同類車水平，汽車用鋁增加是必然趨勢［3］。

國內(nèi)在車身輕量化技術上的基礎較薄弱，在電動汽車輕量化車身開發(fā)方面才剛起步。在國內(nèi)，特別是在廣東，已經(jīng)開始具備一些重要的相關技術基礎條件。

(1)先進制造技術

經(jīng)過“九五”CIMS工程和“十五”制造業(yè)信息化工程，先進制造技術在企業(yè)獲廣泛應用，廣東制造業(yè)信息化水平居國內(nèi)前列，廣東地區(qū)的高校和研究機構也對一系列先進設計技術開展了深入研究，掌握了三維CAD技術、有限元技術、動力學仿真技術、反求工程技術、快速原型技術等先進的設計與制造技術。

(2)鋁合金型材制造

廣東是國內(nèi)最大的鋁型材制造大省，擁有國內(nèi)最先進的鋁型材加工技術和設備。雖然目前的主要產(chǎn)品是面向建筑行業(yè)，但是該行業(yè)也密切關注航天、航空、汽車行業(yè)中的先進鋁合金技術的發(fā)展，并開始嘗試應用開發(fā)，例如鳳鋁鋁業(yè)為航天運載工具提供了技術支持。

(3)焊接工藝

廣東地區(qū)的一些重型制造業(yè)在焊接技術方面的基礎扎實，例如廣重企業(yè)集團具備大型復雜零部件和成套裝備的焊接能力，其中包括鋁合金的焊接;黃埔船廠也在艦船和水下潛艇中大量采用鋁合金焊接工藝;北京航天部研究所引進了世界先進水平的攪拌摩擦焊技術和裝備，并且和廣東興發(fā)鋁型材廠合作，開展該先進工藝在汽車生產(chǎn)中的應用。

(4)塑料成型工藝

隨著塑料制品的普遍應用，塑料成型技術不斷進步。目前國內(nèi)在塑料成型技術與裝備方面已經(jīng)接近世界水平。

3 輕量化節(jié)能技術的路線

輕量化車身從開發(fā)設計階段就要打下良好的輕量化基礎，主要從緊湊型設計、結構優(yōu)化計算以及材料輕量化等方面開展研究。在制造工藝方面主要是采用激光拼焊板、深拉延件和液壓成形、輕量化的鑄件，先進的點焊和激光拼焊等連接技術，以及鋁合金板材的自鉚技術和翻邊連接技術，熱成形與液壓成形技術以及滾壓成形技術;解決高強度零件的成形，減少零件數(shù)量，減少結構的焊點，提高零件的性能。在材料技術方面，采用高強度鋼和先進高強度鋼、鋁合金與鎂合金、不同材料的復合應用技術、纖維增強復合材料的應用等，最終達到開發(fā)時間最短、成本最低和白車身性價比最佳化的目標。

3.1 輕量化結構設計

開發(fā)設計車體和部件更趨合理化的中空型結構。主要途徑就是在結構上采用“以空代實”，即對于承受以彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷為主的構件，采用空心結構取代實心結構，同時優(yōu)化結構布局，使之更加緊湊，這樣既可以減輕質(zhì)量，節(jié)約材料，又可以充分利用材料的強度和剛度。

通過CAD來優(yōu)化設計汽車結構，減少車身質(zhì)量和鋼板厚度，使部件薄壁化、中空化，小型化及復合化達到輕量化目的，采用CAE技術計算汽車強度和剛度，確保加強整車的性能。

結合工業(yè)設計，制作外形比例模型并進行風動實驗，結合數(shù)字模擬技術優(yōu)化整車外形，目的是降低風阻系數(shù)，并獲得良好的覆蓋件外形。

覆蓋件結構設計:根據(jù)車身覆蓋件要滿足的功能，以及它與車門、車架等其他零部件的聯(lián)接方案，來開展覆蓋件的結構設計;采用反求工程和曲面CAD技術構造曲面模型;采用三維CAD技術構造覆蓋件的結構模型;采用有限元技術進行重要覆蓋件的結構計算，優(yōu)化結果。

覆蓋件與車架的聯(lián)接方案設計:綜合考慮聯(lián)接的可靠性、振動性、密封性、裝配性等因素，實現(xiàn)一種可快捷拆卸、更換的聯(lián)接方案。

3.2 輕量化材料及熱成型技術

車身覆蓋件輕量化中常采用的材料有高強度鋼板、鍍鋅鋼板、復合鋼板、鋁合金、復合材料等。高強度鋼板目前主要的先進成型制造技術包括熱沖壓成型、液壓成型、激光拼焊成型、管材內(nèi)高壓成型等。

熱成型技術廣泛應用于國外汽車上的各類強度高達1500 MPa的汽車前后保險杠、保安件和碰撞件的加強件，為汽車輕量化和提高安全性做出了突出貢獻。根據(jù)有關資料記載，德國大眾汽車公司在其開發(fā)的PassatB6車型中就對大部分車身零件采用了熱沖壓成形技術，其典型應用為側(cè)邊防撞桿，前后保險杠防撞梁、橫梁和邊梁，A、B、C柱增強件和腰部導軌增強件等。

【1】朱平，張寧，葛龍，林忠欽．基于正面耐撞性仿真的轎車車身材料輕量化研究［J］．機械工程學報，2005，41(9):207 －212．

【2】李秀芬，黃妙華．輕型材料在電動汽車上的應用與發(fā)展［J］．汽車工藝與材料，2006(7):7－8．

【3】肖軍．現(xiàn)代轎車全鋁車身的研究進展［J］．上海有色金屬，2006，27(1):24－28．