摘 要：在汽車(chē)行業(yè)，對(duì)更高汽車(chē)效率的持續(xù)監(jiān)督是促使車(chē)輛減重設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)恿ΑｊP(guān)于輕型汽車(chē)的燃油效率和限制碳排放的標(biāo)準(zhǔn)被世界認(rèn)可。為鞏固和提高汽車(chē)工業(yè)未來(lái)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，歐美日等汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都在采取積極措施，推動(dòng)和促進(jìn)汽車(chē)節(jié)能技術(shù)發(fā)展、提高汽車(chē)燃料經(jīng)濟(jì)性水平，相繼完成新一輪針對(duì)2020年甚至更長(zhǎng)遠(yuǎn)的各年度乘用車(chē)燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)制定，對(duì)乘用車(chē)燃料消耗量及對(duì)應(yīng)的CO2排放提出更加嚴(yán)格的要求。

關(guān)鍵詞：輕量化；汽車(chē)車(chē)身；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；新材料

在保證汽車(chē)的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能多的降低汽車(chē)整備質(zhì)量，從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料消耗以降低排氣污染，而汽車(chē)車(chē)身在汽車(chē)上占有重要比例，僅車(chē)身質(zhì)量就約占汽車(chē)總質(zhì)量的五分之二。文章通過(guò)對(duì)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并達(dá)到車(chē)身輕量化的目的。

1.汽車(chē)車(chē)身輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

歐盟和美國(guó)等國(guó)家的主要汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)商都在汽車(chē)輕量化項(xiàng)目上投入大量資源。歐洲的汽車(chē)制造商們正在進(jìn)行“超輕型汽車(chē)”工程，力爭(zhēng)將汽車(chē)減重30%；而美國(guó)政府新一代汽車(chē)合作計(jì)劃中，政府每年投入約2億美元用于家用轎車(chē)的減重。國(guó)內(nèi)汽車(chē)輕量化相關(guān)產(chǎn)業(yè)還未形成較大規(guī)模。國(guó)內(nèi)汽車(chē)在輕量化技術(shù)方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比存在較大的差距。例如鋁及鋼的用量都比國(guó)際先進(jìn)水平少一半，鎂合金則差距更大。目前，北美每輛車(chē)鎂合金的使用量平均為3.5千克，歐洲先進(jìn)水平則能達(dá)到14千克，而國(guó)產(chǎn)汽車(chē)每輛僅1.5千克。

2.在汽車(chē)車(chē)身實(shí)現(xiàn)輕量化的過(guò)程中存在的問(wèn)題

第一，車(chē)身是一個(gè)比較復(fù)雜的部位，其內(nèi)部有著各種各樣的材料，隨著汽車(chē)使用年限增加，車(chē)身內(nèi)部的這些材料就會(huì)出現(xiàn)疲勞失效的情況，從而導(dǎo)致汽車(chē)的性能降低。國(guó)內(nèi)對(duì)零件疲勞失效的準(zhǔn)則并沒(méi)有進(jìn)行明確統(tǒng)一；第二，在目前國(guó)內(nèi)汽車(chē)領(lǐng)域，高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用和成型工藝水平不足；鋁、鎂合金等輕質(zhì)金屬材料的使用范圍有待擴(kuò)大；先進(jìn)的工程塑料，陶瓷等材料生產(chǎn)工藝能力不足；熱成型、激光拼焊、液壓成型等成型工藝水平不足；復(fù)合材料間的連接技術(shù)不夠成熟；當(dāng)然最重要的是輕量化材料成本較高，在中低端汽車(chē)產(chǎn)品的應(yīng)用較為困難。第三，在汽車(chē)設(shè)計(jì)方面，大多數(shù)汽車(chē)仍采用的是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并沒(méi)有引進(jìn)先進(jìn)的汽車(chē)設(shè)計(jì)理念，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能力的不足，制約了輕量化技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

3.汽車(chē)車(chē)身輕量化方法

汽車(chē)車(chē)身輕量化技術(shù)可以分為：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化材料的應(yīng)用和先進(jìn)制造工藝等三個(gè)主要方面。其中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面包括：汽車(chē)結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓補(bǔ)優(yōu)化和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化；輕量化材料的應(yīng)用方面包括：高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料等；先進(jìn)制造工藝方面包括：液壓成型和激光拼焊等。

3.1 汽車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化技術(shù)應(yīng)用

從汽車(chē)零部件概念設(shè)計(jì)、初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)和樣車(chē)制造過(guò)程來(lái)做結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)分析。在滿(mǎn)足使用性能的前提下，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)去除零部件的冗余部分、減少零件搭接、改變零件結(jié)構(gòu)、以減少零件數(shù)量或降低零件質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)輕量化。在考慮輕量化時(shí)，要協(xié)調(diào)總成與整車(chē)、總成與總成之間可能出現(xiàn)的各種矛盾。首先利用三維設(shè)計(jì)，可以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)車(chē)身實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局設(shè)計(jì)，對(duì)各構(gòu)件的形狀、配置、鈑材厚度的變化進(jìn)行分析，結(jié)合運(yùn)動(dòng)分析解決零部件的布局的合理性，并有效解決零部件間的運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題。其次在車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)中應(yīng)大量應(yīng)用拓補(bǔ)優(yōu)化技術(shù)，可以在很大程度上保證車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后續(xù)的尺寸和形狀優(yōu)化是在材料分布最優(yōu)初始拓補(bǔ)形式下進(jìn)行，能夠避免內(nèi)部復(fù)雜零件設(shè)計(jì)的盲目性，保證最大的材料利用率，減輕零件質(zhì)量；保證最優(yōu)的模態(tài)，提高零件的總體性能；保證零件的工藝性，減少不必要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而降低模具和生產(chǎn)成本。

車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化 B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.2 汽車(chē)材料輕量化技術(shù)應(yīng)用

在汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)過(guò)程中，常用的輕量化材料為高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維等。

高強(qiáng)度鋼鈑材：可大幅度減少車(chē)身結(jié)構(gòu)中的附加支撐件、加強(qiáng)梁和嵌套截面，采用更少的部件和更薄的鈑材，從而有效減輕車(chē)身質(zhì)量。高強(qiáng)度鋼鈑材在抗碰撞性能、耐腐蝕性能、抗疲勞性能和成本方面較其他材料仍具有較大的優(yōu)勢(shì)。

鋁合金材料：鋁的密度約為鋼的1/3，具有高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，塑性好，易成型，易回收利用?？赏ㄟ^(guò)鑄、鍛、沖壓工藝用鋁合金制造各類(lèi)汽車(chē)零部件，如全鋁車(chē)身總成，其是輕量化材料中應(yīng)用比較廣泛、成熟的材料之一。鋁合金雖然提高了汽車(chē)綜合性能，但同時(shí)也提高了整車(chē)成本，鋁合金應(yīng)用的局限是成本問(wèn)題，所以如何在保證成本不增加的前提下提高鋁合金的使用量是我們應(yīng)該關(guān)注的研究方向之一。

鎂合金材料：鎂合金在汽車(chē)上的應(yīng)用大致分為兩大類(lèi)。一類(lèi)是非結(jié)構(gòu)鑄件，這類(lèi)鎂鑄件不需承受巨大的沖擊，主要運(yùn)用在氣閥蓋、殼體、機(jī)罩等；另一類(lèi)是結(jié)構(gòu)鑄件，這類(lèi)鎂鑄件需要承受特定的載荷，且能滿(mǎn)足一定的抗沖擊要求，主要運(yùn)用在方向盤(pán)、座椅框架、座椅升降器、轉(zhuǎn)向柱部件和安全氣囊座等。

鋁合金車(chē)身 碳纖維車(chē)身 高強(qiáng)度鋼車(chē)身

拓補(bǔ)分析 - 鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩

3.3 汽車(chē)制造工藝輕量化技術(shù)應(yīng)用

為了達(dá)到進(jìn)一步減小質(zhì)量及降低成本的目的，除了開(kāi)發(fā)新材料的應(yīng)用，還開(kāi)發(fā)了一系列基于新材料的新制造工藝。

激光拼焊工藝：減小結(jié)構(gòu)件質(zhì)量及材料消耗，減少零件數(shù)量，特別是減少墊板及其他一些加強(qiáng)元件；降低車(chē)身質(zhì)量，提高汽車(chē)結(jié)構(gòu)可靠性及安全性。

液壓成型工藝：主要是把成型的管件或鈑料放在密閉的模具中，再把流體介質(zhì)引入管件內(nèi)腔，增加水的壓力，使管件或鈑料在常溫下模具內(nèi)變形。從而提高產(chǎn)品品質(zhì)，減少零部件數(shù)量，降低質(zhì)量和成本。

4.結(jié)束語(yǔ)

隨著汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車(chē)車(chē)身輕量化是未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)，因此汽車(chē)企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)汽車(chē)車(chē)輛輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)。文章通過(guò)對(duì)汽車(chē)車(chē)身輕量化發(fā)展的現(xiàn)狀進(jìn)行了解，然后提出在這個(gè)發(fā)展過(guò)程中仍存在的一些問(wèn)題，并對(duì)汽車(chē)車(chē)身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

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作者簡(jiǎn)介

邱峰（1985.04-），性別：男，民族：漢，籍貫：江蘇淮安，當(dāng)前職務(wù)：車(chē)身所 所長(zhǎng)，當(dāng)前職稱(chēng)：助理工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：汽車(chē)設(shè)計(jì)。

（作者單位：徐州徐工汽車(chē)制造有限公司）