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汽车轻量化技术及应用 |
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作者：湖南工业职业技术学院 骆锐 龙瑾 易延辅 |
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汽车轻量化对於降低油耗、减少排放起着至关重要的作用，目前已经成为国内外汽车工业界的研究热点。汽车轻量化主要采取材料轻量化与结构轻量化相结合的方式，而汽车零部件的各种先进成型技术也是轻量化的核心内容之一。
汽车轻量化的概念
汽车轻量化是一个完整的概念，是指汽车在保持原有的行驶安全性、耐撞性、抗震性以及舒适性等性能不降低，且汽车本身造价不被提高的前提下，有目标地减轻汽车自身的重量。汽车轻量化是设计、材料和先进的加工成形技术的优势集成，如图1所示。可见汽车轻量化实际上是汽车性能提高、重量降低、结构优化、价格合理四方面相结合的一个系统工程。
图1 汽车轻量化结构示意图
有试验表明，汽车质量每减轻10%，油耗下降6%~8%，排放量下降4%。同时汽车轻量化直接提高汽车的比功率，使汽车的动力性能提高。因此，汽车轻量化技术是有效降低油耗、减少排放和提升安全性的重要技术措施之一。
汽车轻量化的核心内容
目前汽车轻量化主要内容包括材料轻量化、设计轻量化、结构轻量化相结合的方式。
材料轻量化
（1）即通过钢板的替代材料或者轻金属材料来使车身轻量化，替代材料是以高强度钢板替代普通低碳冷轧钢板，提高零部件的强度和刚度，降低钢板厚度或者截面尺寸来减轻重量。高强度钢板在基本力学性能、冷冲压成形、烘烤硬化、抗凹、焊接、疲劳强度、抗腐蚀和外观质量等方面均优于普通低碳冷轧钢板。目前国
图2新一代日本铃木奥拓微型车车身使用高强度钢板情况
际主流车型的高强度钢占车身的比例已普遍达到70%以上，图2所示为新一代日本铃木奥拓微型车车身使用高强度钢板情况。近年来国内的汽车厂家也逐渐采用高强钢，例如奇瑞公司在其新开发的车型上使用DP340的高强钢的应用比例已达45%，部分车型达50%。东风汽车公司在商用车车架上采用了屈服强度700 MPa级高强钢替代抗拉强度为510 MPa级材料，通过结构优化实现主梁减重38kg，加强梁减重170kg，合计减重208kg，成本降低600多元，并且在车箱轻量化方面采用了700MPa级高强度钢板替代Q235生产标准车箱，实现减重20%~37%。吉利的NL-1车型的白车身采用高强度钢板、超高强度钢板等材料后，重量降低36kg。
图2 新一代日本铃木奥拓微型车车身使用高强度钢板情况
（2）轻金属材料是低密度、高强度的轻质材料，如铝合金、镁合金、钛合金等。由于轻金属能够直接减轻零件质量，因而成为最直接、最有效的轻量化措施。图3所示为镁合金零件在东风汽车上的实际应用。另外上汽集团对其开发的一款新车型的仪表板骨架进行轻金属材料轻量化，原钢制仪表板骨架质量为5.545kg，采用镁合金材料进行全新优化设计，结合先进制造工艺，新的镁合金产品质量为1.895kg，达到减轻质量65%。吉利汽车公司研发的4G18发动机，其中的气缸体-曲轴箱由原来的合金铸铁改为铝合金后重量减轻了26.2kg，进气歧管由铝合金改为PA66后重量减轻了2.76kg，还有排气歧管、气缸盖罩、正时链罩、曲轴、安装支架等材料的改进，使整个发动机总成的重量减轻了56kg。
图3 镁合金零件在东风发动机上的应用
（3）以塑代钢的塑料零部件可减轻整车质量，是汽车轻量化的重要轻质材料，其中75%塑料还可以循环再利用，可以大幅降低能源消耗和推动环保进程。奇瑞汽车在底盘系统中大量采用铝镁合金和塑料材料，并对踏板支架、换挡机构等采用塑料材料设计，优化后的稳定杆、手制动支架使减重效果达到50%以上。
结构轻量化
车身结构轻量化也就是结构优化设计，即通过采用先进的优化设计方法和技术手段，在满足车身强度、刚度、模态、碰撞安全性、疲劳寿命、NVH（振动噪声）、车身结构可制造性、生产成本等诸多方面的性能要求，以及相关的法律、法规、标准的前提下，通过优化车身结构参数，提高材料的利用率，去除零部件冗余部分，同时又使部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以减轻重量，实现轻量化。如图4所示：上汽通用五菱与湖南大学联合自主研发的全新“五菱之光”系列微型客车，利用先进的有限元分析，在不降低整车刚度、强度、模态、碰撞、NVH等多项性能指标的前提下，通过更改零件厚度和零件结构来实现轻量化结构优化设计，共减重16.71kg，节约成本，降低油耗。汽车结构的轻量化设计与优化主要包括：
（1）通过CAD来优化设计汽车结构，减少车身重量和钢板厚度，使部件薄壁化、中空化，小型化及复合化达到轻量化目的，采用CAE技术计算汽车强度和刚度，确保减重整车的性能。
（2）开发设计车体和部件更趋合理化的中空型结构。主要途径就是在结构上采用“以空代实”，即对于承受以弯曲或扭转载荷为主的构件，采用空心结构取代实心结构，同时优化结构布局，使之更加紧凑，这样既可以减轻重量，节约材料，又可以充分利用材料的强度和刚度。
（3）在轻量化与材料特性、工艺性、生产批量、成本及其它制约因素中找到一个最佳的结合点，实现多材料组合的轻量化结构，强调合适的材料用于合适的部位，藉以CAD／CAE计算机辅助技术，使结构轻量化设计与优化融入开发前期，缩短开发周期，降低成本，确保了汽车轻量化的效率和质量。
图4 结构轻量化优化设计的五菱之光系列微型客车
轻量化先进成型技术
（1）高强度钢板目前主要的先进成型制造技术包括热冲压成型、液压成型、激光拼焊成型，管材内高压成型等。热成型技术广泛应用于国外汽车上的各类强度高达1,500MPa的汽车前后保险杠、保安件和碰撞件的加强件，为汽车轻量化和提高安全性做出了突出贡献。根据有关资料记载，德国大众汽车公司在其开发的PassatB6车型中就对大部分车身零件采用了热冲压成形技术，其典型应用为侧边防撞杆，前后保险杠防撞梁，横梁和边梁，A、B、C柱增强件和腰部导轨增强件等。
近年来国内新开发的轿车中热成形钢也有不同程度的应用，单车应用热成形零件最多达到十余件，已基本达到国际先进水平。例如奇瑞公司新开发的热冲压成形零件有B柱加强板、前保险杠横梁、A柱加强管、车门防撞梁等，使整车安全性得到显著提高。但由于热成形零部件应用还存在成本的问题，因此在低端经济型轿车上应用还存在一定的困难。
（2）铝、镁合金等轻金属材料先进成型制造技术主要有半固态成形、高真空压铸、等温挤压、等温锻造等，每种成型制造技术都通过计算机仿真设计极大地改善轻合金的精确高效成形性能，可实现高精度、高效率的精确成形制造，获得预期的材料组织性能与成形质量。
汽车轻量化的技术路径
汽车轻量化技术的实施首先是设定工程目标：汽车的最小质量、汽车的轴荷分布以及动态和静态刚度，声学特性和舒适性，被动安全性和满足法规目标，使用寿命和寿命周期等。基于这些目标，在实施轻量化工程中，具体采用以下措施：
（1）对部件的优化设计主要包括最优的承载路径，均匀化的结构和优化的几何形状。
（2）在制造工艺方面主要是采用激光拼焊板、深拉延件和液压成形、轻量化的铸件，先进的点焊和激光拼焊等连接技术，以及铝合金板材的自铆技术和翻边连接技术，热成形与液压成形技术以及滚压成形技术；解决高强度零件的成形，减少零件数量，减少结构的焊点，提高零件的性能。
（3）在材料技术方面，采用高强度钢和先进高强度钢、铝合金与镁合金、不同材料的复合应用技术、纤维增强复合材料的应用等，最终达到开发时间最短、成本最低和白车身性价比最佳化的目标。
在轻量化工程实施时，计算机模拟是优化设计的有效手段，可用于几何形状、加载路径的优化预测成形性和疲劳寿命，从而减少试制时间和缩减实验次数；并可对被动安全性、撞击时的载荷路径和变形进行模拟，从而可以优化选材和制造工艺以及使用先进的成形技术。
结束语
汽车轻量化对汽车节油、降低排放、改善性能、汽车产业健康发展都具有重要意义，是现代汽车工业技术发展的方向。在对整车轻量化设计的同时要综合考虑到高动力输出、低噪声、低振动以及良好的操控性和高的可靠性。通过对汽车结构和形状的设计优化，应用先进的加工技术和轻量化材料来实现整车的降重。汽车轻量化一定要在控制成本的前提下实现整体的设计要求，只有实现规模生产，这些新型轻量化材料及其加工技术的生产成本才能符合材料生产企业的效益要求。
要提高中国汽车轻量化技术水平，当务之急是集成全国轻量化技术优势，开展产、学、研、用大联合。从汽车轻量化技术发展的战略高度出发，建立资源共享的汽车轻量化技术科技创新平台，推进产、学、研、用的合作与交流，促进汽车轻量化技术成果的转化；制定汽车轻量化技术重要产品和检测方法等规范及标准；建立高水平的相关产业技术人才培养基地和提供技术谘询的服务机构等，中国汽车工业要做大做强并积极参与国际竞争，其自主研发、突破技术瓶颈及掌握核心技术是必由之路。(end)
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(10/20/2011) |
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