冷仕康 張廣為 邵聰 王雨雨

摘 ?要：汽車輕量化是當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展的重要趨勢。汽車輕量化是指在保證汽車整體性能不降低，成本不增加的前提下，盡可能地減輕汽車質(zhì)量。本文從材料、制造工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化三個方面具體介紹了汽車輕量化的相關(guān)技術(shù)，并對未來輕量化技術(shù)的發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞：汽車輕量化;材料;制造工藝;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

引言

隨著世界各國對于節(jié)能環(huán)保要求的提高，再加上新能源汽車的快速發(fā)展，各國政府對于汽車排放的要求也越來越高。為適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求，我國各地也將從今年下半年起，陸續(xù)實施國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)。世界各大汽車制造企業(yè)紛紛投入輕量化的研發(fā)中，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)保節(jié)能要求，提高企業(yè)核心競爭力。據(jù)相關(guān)實驗表明，汽車質(zhì)量減輕10%，燃油效率可提高6%-8%，排放降低4%，汽車的操縱穩(wěn)定性和動力性將得到一定程度的提高。無論對于傳統(tǒng)汽車還是新能源汽車而言，汽車輕量化已成為汽車行業(yè)一個重要的研究方向和發(fā)展趨勢。汽車輕量化現(xiàn)階段主要是從材料、制造工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進行研究。

1 輕量化材料的應(yīng)用

1.1高強度鋼

高強度鋼是指屈服強度為210-550MPa的鋼材，超過550MPa的鋼為超高強度鋼。先進的高強度鋼主要有雙相鋼（DP）、復(fù)相鋼（CP）、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP）等。高強度鋼具有良好的抗碰撞性能，加工工藝比較成熟，成本較低，因此其應(yīng)用最為廣泛，是輕量化的最直接和有效的材料。它是我國企業(yè)鋼為主傳統(tǒng)燃油乘用車輕量化的主要材料。在未來一段時間內(nèi)，高輕度鋼和超高強度鋼仍會是汽車的首選材料，發(fā)揮其不可或缺的作用。

1.2輕質(zhì)合金材料

輕質(zhì)合金材料主要有鋁、鎂合金材料。鋁合金具有密度小，耐腐蝕性好，塑性良好的特點。它主要應(yīng)用于車身、發(fā)動機零部件、底盤等部位。在保證力學(xué)性能的前提下，其減重效果明顯，能吸收較強的沖擊，且可回收性好，有利于材料的可持續(xù)發(fā)展。鎂合金具有比鋁合金材料更好的輕量化效果，且具有阻尼減震，散熱性好的特點。它主要應(yīng)用于汽車零部件、座椅骨架、轉(zhuǎn)向盤等部位。由于加工工藝和原材料成本的問題，鋁鎂合金材料的應(yīng)用受到限制。但隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和材料成本的下降，鋁鎂合金材料必將扮演越來越重要的角色。

1.3塑料及復(fù)合材料

汽車上采用的塑料由最初的PVC和PUR，拓展到現(xiàn)在的工程塑料。塑料具有質(zhì)量輕、防銹、吸震等特點。它主要應(yīng)用于汽車內(nèi)外飾以及儀表板、油箱、擋泥板等結(jié)構(gòu)件。復(fù)合材料應(yīng)用主要有玻璃纖維增強塑料（GFRP）和碳纖維增強塑料（CFRP）。其中碳纖維增強塑料的性能最為突出。纖維增強材料由增強纖維材料與基體材料復(fù)合而成。它具有較強的耐久性，抗腐蝕性和良好的可塑性，能保證足夠的結(jié)構(gòu)強度。塑料及復(fù)合材料的應(yīng)用比重的增加，將會大大減輕汽車質(zhì)量，其在未來一定會有很大的應(yīng)用和發(fā)展前景。

2先進的制造工藝

新型材料的發(fā)展必須有與之配套的成形工藝技術(shù)和連接技術(shù)，以實現(xiàn)高強度鋼與鋁鎂合金等新型材料的生產(chǎn)以及不同材料之間的連接。

2.1成形技術(shù)

先進的成形技術(shù)主要有熱成形技術(shù)、液壓成型、內(nèi)高壓成型等。其中，熱成形技術(shù)是一種將高強度鋼材加熱到奧氏體狀，再進行液壓成形，快速冷卻，將奧氏體轉(zhuǎn)化為條狀馬氏體的成形技術(shù)。通過此過程可有效改善零件的延展性，精度、強度和表面硬度均得到提高，而且質(zhì)量得到減輕，輕量化效果顯著。

2.2連接技術(shù)

（1）無鉚釘鉚接

無鉚釘鉚接是一種通過沖壓過程，利用材料自身的可塑性，擠壓成相互鑲嵌的圓點或矩形點而將層層板件連接起來的機械連接工藝。它以其簡單的工藝過程和較低的成本，在汽車車身制造過程中得到廣泛應(yīng)用。

（2）激光拼焊

激光拼焊是一種將不同強度、不同厚度、不同材質(zhì)的零件，通過激光焊接組成一個整體的焊接技術(shù)。它充分發(fā)揮了材料的優(yōu)勢，滿足了零件對材料性能的不同要求，提高了材料的利用率，得到了一個最優(yōu)的性能組合，從而實現(xiàn)輕量化的目的。

（3）冷金屬過度焊接

冷金屬過度焊接（CMT）是一種全新的MIG/MAG 焊接技術(shù)。它將焊絲運動與焊接過程進行了結(jié)合，通過嚴(yán)格地控制熔滴在過渡過程中的電流，來降低焊接過程的熱輸入。它主要應(yīng)用于鋼和鋁之間的連接。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要集中在尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化等方面。尺寸優(yōu)化通常在保證零件或結(jié)構(gòu)在滿足強度、剛度等性能要求的情況下，減小梁的截面的面積、減小零部件厚度等，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)小型化，從而減輕質(zhì)量。形狀優(yōu)化是指合理設(shè)計零部件的幾何形狀，如對零件采取中空化、薄壁化的設(shè)計，使其仍滿足原來的性能要求。拓?fù)鋬?yōu)化是一種給定性能指標(biāo)、材料、約束條件等，在一定空間內(nèi)對材料分布、構(gòu)件布局和連接方式進行優(yōu)化的方法。

以CAE/CAD/CAM為代表的計算機仿形設(shè)計在結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，已得到廣泛應(yīng)用。通過對汽車結(jié)構(gòu)進行建模，對結(jié)構(gòu)的剛度、強度、疲勞強度等參數(shù)進行模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。

4 結(jié)語

汽車輕量化是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，依賴于相關(guān)技術(shù)的共同發(fā)展，同時還涉及到經(jīng)濟、環(huán)境、安全、政策等多方面的因素。我國汽車輕量化現(xiàn)階段發(fā)展已取得一定成就，但相關(guān)的理論研究與國外相比還存在著很大的差距。相信隨著技術(shù)的發(fā)展和成本的不斷降低，汽車輕量化在將來會得到更好的發(fā)展。

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