祝維婧

（牛欄山第一中學(xué)，北京 101301）

隨著汽車保有量的不斷增加，能源危機(jī)、空氣污染等問題不斷出現(xiàn)。汽車尾氣的主要成分包括固體顆粒物、一氧化碳、氮氧化物等，嚴(yán)重污染空氣。當(dāng)下通過節(jié)能減排控制能源消耗以及空氣污染至關(guān)重要。汽車輕量化對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排有重大意義。所以，輕量化是當(dāng)前汽車行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

在考慮輕量化的同時(shí)，汽車安全性及操縱性也是必須要考慮的重要因素，直接關(guān)系到駕駛者乘客及行人的人身安全，在汽車安全法規(guī)中也有明確要求。本文擬通過對(duì)當(dāng)前輕量化技術(shù)與耐撞性及操縱性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，試圖探索三者之間的影響規(guī)律，為汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及發(fā)展提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 汽車輕量化技術(shù)

輕量化技術(shù)是指在保證現(xiàn)有功能前提下盡可能降低汽車整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。有數(shù)據(jù)指出汽車每減少100kg，可節(jié)省燃油0.3～0.5 L/(100km)，可減少CO2排放 8～11g/(100km)。安全節(jié)能是當(dāng)今汽車行業(yè)的發(fā)展主題，如何降低整車質(zhì)量的同時(shí)，提高汽車的安全性以及操作性，是汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的主要焦點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的技術(shù)主要包括以下三方面：（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化：包括拓?fù)鋬?yōu)化，尺寸優(yōu)化，形狀優(yōu)化。（2）先進(jìn)工藝：包括液壓焊接，激光焊接，激光拼接等。（3）新材料：包括高強(qiáng)度鋼，鎂鋁合金，非金屬復(fù)合材料。拓?fù)鋬?yōu)化主要通過不斷優(yōu)化材料分布和傳力路徑，節(jié)省最多材料實(shí)現(xiàn)減重。關(guān)于拓?fù)鋬?yōu)化，在Bendsoe等提出的變密度算法中，對(duì)于算法結(jié)果有不可消除的偏差。因此，拓?fù)鋬?yōu)化需要在算法結(jié)果之上加以人工再設(shè)計(jì)，并將其與形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等方法結(jié)合使用。

先進(jìn)工藝主要以液壓成型為主要研究熱點(diǎn)。雖然對(duì)設(shè)備要求精確，但液壓成型技術(shù)具有成型精度高、可節(jié)約材料、減少成型件數(shù)量和后續(xù)機(jī)械加工與焊接量、提高成型件的強(qiáng)度與剛度、減少模具數(shù)量、降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)，因此使用較為廣泛。自20世紀(jì)90年代德國率先使用至今，50%的汽車底盤在制作過程中應(yīng)用了液壓成型技術(shù)。

高強(qiáng)度鋼相對(duì)于普通鋼材來說，拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到500MPa以上。對(duì)于汽車的耐撞性和減重有著顯著影響。其中，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS）已成為研究熱點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化，新材料與先進(jìn)工藝在車身中的減重百分比如表1所示。

表1 輕量化技術(shù)減重百分比

從表1中可以看出，結(jié)構(gòu)優(yōu)化中拓?fù)鋬?yōu)化相對(duì)于尺寸優(yōu)化減重可達(dá)15.3%，在新材料替代減重中，鋁鎂合金的減重效果要遠(yuǎn)高于碳纖維和高強(qiáng)度鋼。所以，當(dāng)前材料減重，各大汽車廠商主要以鋁鎂合金的使用、碳纖維非金屬復(fù)合材料的替代作為主要突破方向。如路虎和奧迪采用全鋁鎂合金車身，寶馬i3和i8采用模塑成型工藝制成連續(xù)碳纖維聚合物車身，其強(qiáng)度不低于甚至高于金屬車身。其中，先進(jìn)工藝主要通過減少零件數(shù)目來達(dá)到減重效果。比如液壓成型，可以直接把兩個(gè)零件通過液壓壓力，緊固在一起，省去了連接件的使用如螺栓、鉚釘?shù)取?/p>

在選用輕量化技術(shù)時(shí)，除考慮技術(shù)本身之外，生產(chǎn)節(jié)拍以及成本也是主要的考慮因素。液壓成型工藝在減重效果方面不及新材料等其他技術(shù)，但在成本上有所降低，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較廣。新材料使用對(duì)于減重效果相較于其它方法較為顯著，且在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中優(yōu)先級(jí)也高，是輕量化技術(shù)在應(yīng)用優(yōu)先級(jí)較高的一項(xiàng)。值得一提的是，拓?fù)浼夹g(shù)雖減重程度較小，但在基于碳纖維材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，減重達(dá)到61.8%。綜上，在輕量化技術(shù)的發(fā)展中將多種輕量化技術(shù)結(jié)合，可達(dá)到更好減重效果。

2 汽車耐撞性及操縱性

耐撞性是指通過犧牲特定結(jié)構(gòu)、吸收碰撞能量來提高系統(tǒng)的碰撞抵抗能力，從而保護(hù)成員及貨物的安全。各國對(duì)于汽車的碰撞安全有明確的法律規(guī)定。研究耐撞性主要應(yīng)用有限元模型進(jìn)行計(jì)算，優(yōu)化研究過程，降低研究成本。

汽車的碰撞主要包括三方面：正面碰撞、側(cè)面碰撞和尾部碰撞。有資料顯示，正面碰撞發(fā)生的事故概率占到整體所有事故的40%，并且死亡率達(dá)到48%，遠(yuǎn)大于其他形式的碰撞。所以，汽車耐撞性主要以研究正面碰撞為主。對(duì)正面碰撞進(jìn)行保護(hù)主要通過汽車保險(xiǎn)杠和吸能盒實(shí)現(xiàn)。

3 輕量化與耐撞性及操縱性影響規(guī)律

由于車身結(jié)構(gòu)是影響耐撞性及操縱性的重要因素，而輕量化的本質(zhì)是汽車減重，減重的同時(shí)，對(duì)車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及剛度造成影響，所以輕量化能夠影響汽車耐撞性以及操縱性。

3.1 減重后對(duì)耐撞性的影響

車身并非越硬越好，減輕鋼板重量也不意味著耐撞性的降低。汽車吸能的方式主要是通過材料本身發(fā)生變形，或者結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。如保險(xiǎn)杠通過具有褶皺結(jié)構(gòu)的吸能盒吸收碰撞能量，并且保險(xiǎn)杠本身直接對(duì)行人接觸，在保證乘員的安全之外，還要考慮到對(duì)行人造成的傷害。所以在減重時(shí)，保險(xiǎn)杠的材料替代一般采用碳纖維/玻璃纖維非金屬復(fù)合材料。并且，汽車輕量化的目的，就是在不降低結(jié)構(gòu)本身的使用性能，當(dāng)然也包括耐撞性的前提下，進(jìn)行材料替代。

當(dāng)前技術(shù)，不論是鋁鎂合金還是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其力學(xué)性能都不低于之前的金屬，所以，如何通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到人-車平衡是未來的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

3.2 減重后對(duì)操縱性的影響

在轉(zhuǎn)向系中，前輪定位是在考慮轉(zhuǎn)向性能等基礎(chǔ)上決定的，其主要因素中包括主銷后傾角。當(dāng)前輪從直線位置偏移時(shí)，由于作用在車輪上的行駛阻力和側(cè)向力的作用產(chǎn)生繞主銷的回正力矩，從而保證直線行駛。行駛阻力中包含與地面摩擦力，與摩擦因數(shù)及汽車質(zhì)量有關(guān)。當(dāng)摩擦因數(shù)一定，摩擦阻力與汽車質(zhì)量正相關(guān)。當(dāng)輕量化減重后，摩擦阻力減小，將對(duì)繞主銷的回正力矩有影響，從而影響汽車的轉(zhuǎn)向操縱性。

后輪獨(dú)立懸掛方式有三種，包括縱置單臂式和斜置單臂式與擺動(dòng)半軸式。三者與橫向加速度對(duì)轉(zhuǎn)向的影響中，擺動(dòng)半軸式在橫向加速度較小時(shí)有嚴(yán)重的轉(zhuǎn)向不足，又在0.6g附近突變?yōu)檫^度轉(zhuǎn)向。因?yàn)榧铀俣萭的改變而發(fā)生突變，所以，汽車輕量化中可能對(duì)操縱性有較大影響。

4 結(jié)語

本文對(duì)輕量化的研究現(xiàn)狀，以及耐撞性、操縱性的影響因素，進(jìn)行了全面分析，得到的結(jié)論如下。

（1）輕量化的發(fā)展方向。在新材料方面，鋁鎂合金和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以及其他非金屬復(fù)合材料在考慮材料本身力學(xué)性能和制造成本的前提下，具有大規(guī)模推廣的潛力。由于高強(qiáng)度鋼工藝復(fù)雜，對(duì)制造設(shè)備要求較高，所以使用有限；在新工藝方面，激光焊接，液壓一體化成型將在金屬車身方面得到進(jìn)一步發(fā)展。

（2）輕量化與耐撞性及操縱性的影響。轉(zhuǎn)向系和懸掛系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)多與重力加速度有關(guān)，汽車減重的同時(shí)，會(huì)對(duì)操縱性造成一定影響；而汽車的減重，必須考慮材料本身強(qiáng)度的同時(shí)，引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化概念，來確保乘員—行人—車身的平衡。

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