汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径

摘 要：简要介绍了目前汽车轻量化技术的发展状况，包括轻量化设计概况、各种轻量化材料的性能及运用，阐述了汽车轻量化的实施途径。

关键词：轻量化；汽车；发展

引言

有关研究数据表明，若汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；若滚动阻力减少10%，燃油效率可提高3%；若车桥、变速器等机构的传动效率提高10% ， 燃油效率可提高7%。由此可见，伴随轻量化而来的突出优点就是油耗显著降低。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，因此车身的轻量化对减轻汽车自重，提高整车燃料经济性至关重要。同时，轻量化还将在一定程度上带来车辆操控稳定性和一定意义上碰撞安全性的提升。车辆行驶时颠簸会因底盘重量减轻而减轻，整个车身会更加稳定，轻量化材料对冲撞能量的吸收，又可以有效提高碰撞安全性。因此汽车轻量化已成为汽车产业发展中的一项关键性研究课题。

1、轻量化技术及其发展现状

汽车轻量化的技术内涵是：采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计，或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下，尽可能降低汽车产品自身重量， 以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标。

然而，汽车轻量化绝非是简单地将其小型化。首先应保持汽车原有的性能不受影响，既要有目标地减轻汽车自身的重量，又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性，同时汽车本身的造价不被提高，以免给客户造成经济上的压力。

汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用两大方面。一方面汽车轻量化与材料密切相关；另一方面，优化汽车结构设计也是实现汽车轻量化的有效途径。与汽车自身质量下降相对应，汽车轻量化技术不断发展，主要表现在：

（1）轻质材料的使用量不断攀升，铝合金、镁合金、钛合金、高强度钢、塑料、粉末冶金、生态复合材料及陶瓷等的应用越来越多；

（2）结构优化和零部件的模块化设计水平不断提高，如采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的，计算机辅助集成技术和结构分析等技术也有所发展；

（3）汽车轻量化促使汽车制造业在成形方法和联接技术上不断创新。

目前，国内汽车轻量化材料正在加速发展，新型智能材料逐渐在汽车制造中得到应用。车用高性能钢板、镁合金已在汽车上有所应用。如上海大众桑塔纳轿车变速器壳体采用镁合金。随着镁合金材料的技术进步及其抗蠕变性能的进一步改善，自动变速器壳体以及发动机曲轴箱亦适合改用镁材料制造若曲轴箱由铝改为镁，则可减轻30%左右。

传统的轿车车身结构是钢车身，现今也越来越多地采用高强度钢、精练钢、铝合金和夹层钢车身结构，其制造工艺有柔性化板材辊轧、剪拼焊接工艺技术、薄壁制造技术等。不锈钢与强度较高的碳钢相比，表现出不少优点，例如延展性更好、强度更高、更适合形状复杂的覆盖件成形。上世纪80 年代， 重庆汽车研究所就开展了双相钢研究；一汽轿车、奇瑞汽车公司也在轿车车身上进行了高强度钢板的初步应用试验。

在结构设计方面可以采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化目的， 国内已从主要依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等现代设计方法进行静强度计算和分析阶段。目前出现了一批拥有自主知识产权的汽车车身模具开发技术， 如湖南大学与上汽通用五菱在薄板冲压工艺与模具设计理论方面开展了较深入的研究；北京航空航天大学开发了CAD 系统CAXA， 并已经开展了客车轻量化技术的研究， 利用有限元法和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计，以减少车身骨架、发动机和车身蒙皮的重量等。

2、实现汽车轻量化的主要途径

汽车轻量化在保证汽车整体质量和性能不受影响的前提下， 应最大限度地减轻各零部件的质量， 努力谋求高输出功率、低噪声、低振动和良好的操纵性、高可靠性等， 降低燃油消耗， 减少排放污染。通过轻量化技术的内涵可知， 汽车的轻量化主要通过合理的结构设计和使用轻质材料的方式来实现。

2.1合理的结构设计

目前国内外汽车轻量化技术发展迅速，主要的轻量化措施是轻量化的结构设计和分析，设计已经融合到了汽车设计的前期。轻质材料在汽车上的应用， 包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等，与结构设计以及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的研究应用融为一体。

在现代汽车工业中， 利用CAD/CAE/CAM一体化技术起着非常重要的作用， 涵盖了汽车设计和制造的各个环节。运用这些技术可以实现汽车的轻量化设计、制造。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、整体化和轻质化。

通过开发汽车车身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技术和相关的模块化设计和制造技术， 使节能型汽车从制造到使用各个环节都真正实现节能、环保。

通过结合参数反演技术、多目标全局优化等现代车身设计方法， 研究汽车轻量化结构优化设计技术， 包括多种轻量化材料的匹配、零部件的优化分块等。从结构上减少零部件数量， 确保在汽车整车性能不变的前提下达到减轻自重的目的。

具体结构合理设计有以下3个方面：

（1）通过结构优化设计， 减小车身骨架及车身钢板的质量， 对车身强度和刚度进行校核， 确保汽车在满足性能的前提下减轻自重。

（2）通过结构的小型化，促进汽车轻量化，主要通过其主要功能部件在同等使用性能不变的情况下，缩小尺寸。

（3）采取运动结构方式的变化来达到目的。比如采用轿车发动机前置、前轮驱动和超轻悬架结构等， 使结构更紧凑， 或采取发动机后置、后轮驱动的方式， 达到使整车局部变小， 实现轻量化的目标。

2.2 使用新型材料

据统计， 汽车车身、底盘（含悬架系统）、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65% 以上。其中车身内外覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应。为此，首先应该在白车身制造材料方面寻找突破口。具体可以有如下几种方案：

（1）使用密度小、强度高的轻质材料， 像铝镁合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；

（2）使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；

（3）使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材， 如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。

3 结语

随着轻量化材料技术， 包括生产工艺、装配、连接、材料性能等的不断发展和成熟， 针对不同轻质材料的不同性能， 进行多材料混合结构设计， 即同一部件的组成零件可由不同材料制造， 以实现所用的材料与零件功能达成最佳组合， 已经成为未来汽车设计发展的方向。目前汽车轻量化技术还处于很不成熟的阶段， 未来将有很大发展前景。■

参考文献

[1] 范叶，杨沿平，孟先春等著. 汽车轻量化技术及其实施途径. 汽车工业研究， 2006.7.

[2] 杨沿平，唐杰. 我国汽车轻量化技术现状及研发重点. 汽车与配件， 2006（42）.

[3] 冯美斌. 汽车轻量化技术中新材料的发展及应用. 汽车工程， 2006. 6.

[4] 敖炳秋. 轻量化汽车材料技术的最新动态. 汽车工艺与材料， 2002.