林灝宇

[摘 要]隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車已經(jīng)廣泛普及到人們的生活中。汽車保有量的不斷提高，讓人們深刻認(rèn)識到龐大的汽車保有量方便了人類出行的同時也產(chǎn)生了巨大的污染，環(huán)境問題日益突出，資源消耗局勢也十分嚴(yán)峻。而汽車輕量化通過采用新型技術(shù)和新型材料減少汽車的質(zhì)量，是降低汽車排放量、保護(hù)環(huán)境的一條可行措施。本文論述了汽車的基本結(jié)構(gòu)以及汽車工業(yè)發(fā)展史上各階段的特點(diǎn)，闡述了汽車輕量化的必要性和發(fā)展，以及汽車輕量化與汽車性能、節(jié)能環(huán)保、安全性和操縱性的關(guān)系。介紹了汽車輕量化的相關(guān)技術(shù)，并且對汽車輕量化的未來趨勢進(jìn)行分析和展望。

[關(guān)鍵詞]汽車；輕量化；輕量材料

中圖分類號：U465 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）15-0397-02

1.汽車及其結(jié)構(gòu)

汽車是我們熟悉的交通工具，不管是長途還是短途，汽車在人們的出行中都扮演著重要的角色。汽車通常由發(fā)動機(jī)、底盤、車身和電氣設(shè)備等組成。作為汽車動力裝置的發(fā)動機(jī)，其作用是使供入的燃料燃燒而產(chǎn)生動力，一般采用往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，可以說發(fā)動機(jī)是汽車最主要的裝置之一。底盤作為傳動裝置將發(fā)動機(jī)輸出的動力傳給驅(qū)動車輪的裝置，它包括變速器、離合器、差速器等部件。汽車的全身上下一共有幾萬個零件，各個系統(tǒng)相互配合，缺一不可，每個結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都必須十分嚴(yán)謹(jǐn)。

2.汽車輕量化的必要性

2.1 汽車輕量化設(shè)計(jì)的必要性

（1）汽車輕量化是節(jié)能的需求。汽車是石油消耗的大戶，國際能源機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2001年全球57%的石油消費(fèi)在交通領(lǐng)域。美國能源部預(yù)計(jì)，2020年以后，全球石油需求與常規(guī)石油供給之間將出現(xiàn)凈缺口。數(shù)據(jù)顯示，全球石油儲量僅夠在用約50年，石油資源短缺已成為全球問題。目前中國已成為世界第三大汽車生產(chǎn)國，機(jī)動車產(chǎn)量、銷售量和保有量的增長都十分迅速。因此，汽車資源消耗量大，汽車排放污染已經(jīng)嚴(yán)重影響到我國的環(huán)境，制約了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。而采用輕量化結(jié)構(gòu)的汽車能在汽車載荷不變的條件下，顯著降低汽車燃油消耗，從而大大減少能源消耗、減少排放，對于建設(shè)環(huán)境友好型社會有著巨大的意義。

（2）汽車輕量化是性能的需求。汽車是現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)闹匾煌üぞ咧唬藗儗ζ嚨陌l(fā)展和制造要求越來越高，主要反映為潔凈化、安全化、輕量化、舒適化、信息化五大方面。汽車行駛的阻力由4部分組成：滾動阻力、爬坡阻力、加速阻力、空氣阻力，而除空氣阻力外，其它形式的阻力都與汽車的質(zhì)量成正比，由此看來，汽車輕量化是節(jié)能的一項(xiàng)有效措施。通過輕量化設(shè)計(jì)，汽車在安全和性能的表現(xiàn)絲毫不輸給普通汽車。前人的研究也表明，汽車輕量化設(shè)計(jì)后，汽車的性能基本上沒有任何改變（如圖2所示），安全性也可以得到有效的保障。

2.2 汽車輕量化的現(xiàn)狀

國內(nèi)外很多學(xué)者對關(guān)于減輕汽車自身質(zhì)量與減少燃油消耗之間的關(guān)系做了相應(yīng)的研究，有確切的證據(jù)可以表明減少整車質(zhì)量可提高汽車節(jié)能性和環(huán)保性、降低燃油消耗和排放量。汽車保有量越來越高的中國，資源消耗和環(huán)境污染程度不斷提高，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略受到牽制，對中國的發(fā)展來說，無疑是一大阻礙。汽車排放的污染物成了霧霾的主要來源。減少汽車污染物排放是控制霧霾的有效措施。輕量化設(shè)計(jì)后的汽車每公里耗油量減少，污染物的排放也隨之減少。龐大的汽車數(shù)量群給交通出行帶來巨大壓力，交通堵塞和不文明的交通行為也滋生了噪音污染。而汽車輕量化能在結(jié)構(gòu)上縮小汽車尺寸，使汽車更靈活，也使道路的容納量有所提高，一定程度上減少了噪音污染。我國國產(chǎn)汽車與發(fā)達(dá)國家產(chǎn)出的汽車相比，平均油耗高出15%～20%。載貨汽車的質(zhì)量利用率則低11%～20%，這與我國的道路條件差，零部件加工精度低以及其他因素有關(guān)，當(dāng)然也受汽車自身的設(shè)計(jì)及使用的材料影響?？偟膩碚f，我國汽車的輕量化研發(fā)還在初級階段，基礎(chǔ)不夠扎實(shí)，技術(shù)提升較慢，輕量材料以及汽車輕量化方面的意識也不夠到位，但是這也表明汽車輕量化在我國具有巨大的發(fā)展空間。

3.汽車輕量化的相關(guān)技術(shù)

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化一般包括尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化，在設(shè)計(jì)層面上起到了關(guān)鍵性的作用。

（1）尺寸優(yōu)化。尺寸優(yōu)化就是根據(jù)質(zhì)量、強(qiáng)度等優(yōu)化目標(biāo)對板殼厚度、梁截面以及平面慣性距等尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以使應(yīng)力分布均勻化對汽車整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、研究和優(yōu)化，對汽車零部件精簡化、整體化、集成化。在汽車輕量化的同時還需要考慮汽車車身各個節(jié)點(diǎn)的最佳剛度以及汽車的耐撞性等問題。利用CAD、CAE等結(jié)構(gòu)解析技術(shù)，在保證汽車功能完整，性能不受影響的前提下，消除無用材料，減薄零部件壁厚，精簡數(shù)量，結(jié)構(gòu)整體化、合理化。

（2）形狀優(yōu)化。形狀優(yōu)化法能夠減小零件質(zhì)量，增加零件壽命。它的基礎(chǔ)是模擬一種憑借經(jīng)驗(yàn)確定的生物學(xué)增長規(guī)律，用有限元法研究生物增長載體的力學(xué)特征。它啟發(fā)設(shè)計(jì)師借助形狀的變異使應(yīng)力分布均勻化，這種方法既能減小零件質(zhì)量，又能避免局部應(yīng)力高峰。如圖3所示。

3.2 革新工藝

通過優(yōu)化汽車生產(chǎn)制造工藝，可以有效地減少汽車及其零部件的質(zhì)量。

（1）沖壓技術(shù)。板材沖壓成型中，汽車覆蓋件是最復(fù)雜的沖壓件，通常需要經(jīng)過成型、切邊、翻邊等幾道甚至十幾道工序才能形成。其對尺寸精度的要求也很高，通常采用以下方法來提高精度：1、采用屈服極限低，彈性模量和塑型模量大、硬化指數(shù)值高的材料。2、通過修正拉深筋、凹模圓角等措施增加壓料面作用力，使凹模內(nèi)部的毛坯受到較大的附加拉力，產(chǎn)生較大的塑性形變，已改善不均勻分布的情況。3、通過加大壓邊力、減輕潤滑效果等措施增加對凹模內(nèi)毛坯的附加拉力。

（2）激光拼焊板技術(shù)。激光拼焊技術(shù)一般采用專用的平焊鋼板，主要有普通拼焊板（TB）、工程拼焊板（TEB）和補(bǔ)片型拼焊板三種。普通拼焊板以線性拼焊為主，利用材料性能和厚度，使零部件結(jié)構(gòu)和防撞性能達(dá)到最佳。工程拼焊板主要為非線性焊縫，形狀可自由變化，能使零件質(zhì)量、強(qiáng)度、撞擊性能及材料利用達(dá)到最佳。補(bǔ)片型焊板是通過電阻點(diǎn)焊將所需形狀的補(bǔ)片固定在母板上。自由組合的激光拼焊板具有幾個特點(diǎn)：減少零件數(shù)量，減少結(jié)構(gòu)件質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)件質(zhì)量和可靠性。車體采用激光焊接技術(shù)后，簡化了沖壓工藝，減少了模具數(shù)量和模具費(fèi)用，增加了局部強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了輕量化。

（3）液壓成型技術(shù)。液壓成型是指采用液態(tài)的水、油作為傳力介質(zhì)，替代剛性的模具。液壓成型在加工方面能克服常規(guī)工藝不足，有制模簡單、周期短、成本低和產(chǎn)品質(zhì)量好、形狀和尺寸精度高等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)工業(yè)相比優(yōu)勢在于：獲得較大的拉深力、較低的模具成本、形狀和尺寸精度高、耐沖性能高、表面精度提高。

3.3 材料優(yōu)化

材料優(yōu)化是減少汽車質(zhì)量的最直接方式，在材料優(yōu)化中一般應(yīng)用鋁合金、高強(qiáng)度鋼和復(fù)合材料較多。

（1）鋁合金。銀白色的金屬鋁，不論是固態(tài)或是熔融狀態(tài)，其密度都隨純度提高而降低。鋁的機(jī)械性能與其純度有較大關(guān)系，純鋁軟、強(qiáng)度低，但鋁的合金不但在某種程度上保持鋁固有的特點(diǎn)，而且顯著提高了它的硬度和強(qiáng)度，使它幾乎可以與軟鋼甚至結(jié)構(gòu)鋼媲美。同時，鋁的表面有一層致密的氧化膜，擁有很好的抗腐蝕性。20世紀(jì)70年代，鋁合金被用于汽車的發(fā)動機(jī)罩、行李箱蓋、汽車擋泥板和車門等部件使汽車輕量化，降低油耗，對車身承載性影響并不大。車的各個覆蓋件相互連接在一起，與傳統(tǒng)的車身骨架上覆上覆蓋件的組裝方式不同。多樣化的裝配方式，實(shí)現(xiàn)了全鋁車身覆蓋的設(shè)計(jì)制造。

鋁合金擁有較高的比強(qiáng)度、很好的擠壓性，它的使用降低了材料的消耗以及構(gòu)件的質(zhì)量，從而降低成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。目前，每臺車的鋁合金平均用量為121千克，約占整車質(zhì)量的10%，而“鋁密集型汽車”中鋁合金比例更高，可達(dá)37%。

（2）高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度鋼是為了達(dá)到車身輕量化目的而開發(fā)的一種新型鋼材，即屈服強(qiáng)度大于210MPa的鋼。20世紀(jì)70年代，相繼開發(fā)出固溶強(qiáng)化鋼、析出強(qiáng)化鋼、復(fù)合組合強(qiáng)化鋼等，多以提高強(qiáng)度為主。20世紀(jì)80年代，為實(shí)現(xiàn)輕量化開發(fā)出以組織控制為特點(diǎn)的高強(qiáng)度鋼。鋼板的高強(qiáng)化度和表面處理也得到了進(jìn)一步發(fā)展。

高強(qiáng)度鋼相對于其他輕量材料來說技術(shù)更成熟、成本更低廉。是汽車的主要材料，并保持相對穩(wěn)定的主導(dǎo)地位。它在抗碰撞性能、耐腐蝕性能和成本方面有較大優(yōu)勢，在轎車用鋼中所占比例已達(dá)到60%。與其他輕量材料相比有以下優(yōu)點(diǎn)：1、價(jià)格低，經(jīng)濟(jì)性好。2、性能優(yōu)越，能保證大零件的剛性。3、可適用現(xiàn)代汽車生產(chǎn)線，節(jié)約設(shè)備投資。

（3）復(fù)合材料。復(fù)合材料是指將兩種或兩種以上物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)結(jié)合起來而制得的一種多相固體材料。復(fù)合材料是二戰(zhàn)后發(fā)達(dá)國家首先發(fā)展起來的高科技技術(shù)，后來在造船、石油化工、以及汽車業(yè)等方面廣泛應(yīng)用?；瘜W(xué)工業(yè)的發(fā)展推動了復(fù)合材料汽車的發(fā)展，許多化學(xué)公司每年推出上百種高性能的材料，使復(fù)合材料的抗壓、抗拉、抗彎曲、抗振動以及冷、熱、固、液狀態(tài)的加工處理和電鍍等工藝達(dá)到理想狀態(tài)。

復(fù)合材料因投資少、見效快、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)而迅猛發(fā)展。擁有防銹、隔熱、隔聲、密度小等許多金屬材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，可適應(yīng)超高溫、超低溫、真空等條件下的震動、減壓、熱脹冷縮等工作環(huán)境，其維修也較為簡單，通常在汽車內(nèi)飾中采用。

4.汽車輕量化的未來展望

汽車輕量化憑借更適合現(xiàn)代化生活、更環(huán)保、更安全的發(fā)展理念；更小、更輕、更強(qiáng)、更節(jié)能的發(fā)展趨勢，不光在汽車工業(yè)，在其他行業(yè)也是最佳的設(shè)計(jì)理念。不過，汽車輕量化的技術(shù)也存在難點(diǎn)：車身結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計(jì)與分析未能做到并行；結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化理論快速發(fā)展，但真正用于實(shí)際則相對較少；車身結(jié)構(gòu)建模方面現(xiàn)有的分析基本上基于部分參數(shù)化的車身結(jié)構(gòu)模型。但相信在科技的發(fā)展，工藝的提升，堅(jiān)持不懈的工作態(tài)度及創(chuàng)新精神下，汽車輕量化的未來將是美好的藍(lán)圖，輕量化的設(shè)計(jì)不僅僅局限于汽車領(lǐng)域，火車、飛機(jī)的設(shè)計(jì)同樣可以探索輕量化的潛力，其他領(lǐng)域的設(shè)計(jì)同樣可以借鑒輕量化設(shè)計(jì)的靈感，將輕量化帶入未來生活的各個角落。

參考文獻(xiàn)

[1] 范子杰，桂良進(jìn)，蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2014（01）：45-49.

[2] 葉志偉，伍麗娜.分析專用汽車新能源與輕量化技術(shù)趨勢[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2017（24）：56-57.

[3] 王明喜.汽車輕量化技術(shù)應(yīng)用分析[J].黑龍江科技信息，2017（13）：126-129.

[4] 李悅.汽車用高強(qiáng)度鋼的發(fā)展[J].汽車工藝與材料，2012（09）：65-67.