王東 韓夏冰 李亮

摘 要：隨著國(guó) VI 排放法規(guī)和雙積分管理辦法等政策的陸續(xù)出臺(tái)，國(guó)家對(duì)汽車業(yè)提出了更為嚴(yán)苛的要求，汽車企業(yè)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)已迫在眉睫。在此背景下，汽車輕量化設(shè)計(jì)成為未來汽車業(yè)的重要發(fā)展方向。汽車輕量化是指在保證汽車剛度、強(qiáng)度以及安全性的前提下，盡可能減少整車整備質(zhì)量，進(jìn)而提高汽車動(dòng)力學(xué)及續(xù)航里程等工作性能，降低燃料消耗及排放，實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：輕量化;汽車車身;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 背景介紹

研究表明汽車每減重10%，油耗可減少6%-8%，汽車整備質(zhì)量減少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6L，汽車加速性能提高8-10%。針對(duì)燃油車，輕量化設(shè)計(jì)降低燃料消耗的同時(shí)還降低了污染物的排放，實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展。關(guān)于新能源汽車，每減重10%，續(xù)航能力可增加5%-8%，純新能源汽車每減重100kg，續(xù)航里程可提升10%-11%。因此我們要關(guān)注相關(guān)研究，可從以下幾個(gè)方向開展。

1 汽車輕量化設(shè)計(jì)方向

（1）結(jié)構(gòu)輕量化。目前將 CAD、CAE 等先進(jìn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于汽車輕量化設(shè)計(jì)，可以降低成本、縮短設(shè)計(jì)周期，又可通過對(duì)汽車車身、車上零部件模擬仿真計(jì)算，使得各零部件的結(jié)構(gòu)在滿足使用要求的同時(shí)，更輕、更薄、更緊湊。同時(shí)，設(shè)計(jì)理念要更新，在保證汽車產(chǎn)品剛度強(qiáng)度的同時(shí)，可采用集成化設(shè)計(jì)、拓?fù)湓O(shè)計(jì)和等強(qiáng)度設(shè)計(jì)等方法，例如對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行中空設(shè)計(jì)來減輕質(zhì)量，在其主軸頸與連桿軸頸位置可采用空心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化平衡重的數(shù)量、曲柄形狀等方式達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。此外，可對(duì)車上部件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，形成車輛集成技術(shù)。例如在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋和排氣歧管進(jìn)行集成，不僅可以對(duì)排氣歧管進(jìn)行冷卻，同時(shí)可以減小排氣管法蘭等聯(lián)結(jié)零件的尺寸，從而減小整機(jī)尺寸和質(zhì)量。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，采用此設(shè)計(jì)方法，一臺(tái)排量為 2L 的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)可減小質(zhì)量 2kg～ 3kg。

（2）材料輕量化。汽車輕量化不僅要求對(duì)汽車產(chǎn)品現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)汽車材料也提出了一定的要求?，F(xiàn)階段發(fā)展以高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼技術(shù)為主，目前因其制造技術(shù)成熟，成本低廉，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，目前國(guó)際主流車型的高強(qiáng)度鋼占車身的比例已達(dá)60%以上，我國(guó)車身使用比例平均在50%以上，預(yù)計(jì)未來可高達(dá)60-65%，零件以車身鋼板和縱梁為主。2021 年 -2025 年將開發(fā)以鋼鋁合金為主線的輕型材料，同時(shí)加大對(duì)鋁合金技術(shù)、鎂合金技術(shù)、工程塑料技術(shù)、碳纖維復(fù)合材料技術(shù)的研發(fā);鋁合金質(zhì)量輕、耐腐蝕、強(qiáng)度較高、易于加工、表面美觀、回收成本低，目前在發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用。2026 年 -2030 年重點(diǎn)發(fā)展鎂合金、工程塑料、碳纖維技術(shù)在汽車上的應(yīng)用及其循環(huán)利用。鎂合金具有很高的比強(qiáng)度和比鋼度、吸振能力強(qiáng)、切削性性能好;復(fù)合材料密度小、設(shè)計(jì)靈活美觀、易成型，可用在發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車頂、保險(xiǎn)杠、儀表盤等內(nèi)外飾及制動(dòng)鉗、傳動(dòng)軸、殼體等零件上。工程塑料是一類可以作為結(jié)構(gòu)材料，在較寬的溫度范圍內(nèi)承受機(jī)械應(yīng)力，在較為苛刻的化學(xué)物理環(huán)境中使用的高性能的高分子材料，主要包含ABS、尼龍、聚碳酸酯等，工程塑料的輕量化效果顯著，成本較低，在汽車多種零部件中被廣泛使用，碳纖維復(fù)合材料和玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料在發(fā)展階段，在今后的一段時(shí)間內(nèi)，研發(fā)高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料是汽車輕量化研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。

（3）工藝。工藝方面可采用先進(jìn)成型工藝，提升零件性能，獲取更大的減重空間。目前輕量化工藝有激光拼焊、輥壓成形、高強(qiáng)度鋼熱成形、內(nèi)高壓成形、RTM、中空注塑、低壓發(fā)泡和局部增強(qiáng)嵌件等。

2 汽車車身輕量化發(fā)展趨勢(shì)

（1）多材料綜合優(yōu)化使用。1）鋁合金。鋁合金在軸向載荷作用下會(huì)產(chǎn)生漸進(jìn)疊縮穩(wěn)態(tài)變形，比吸能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低碳鋼結(jié)構(gòu)。鋁合金作為緩沖吸能元件，在碰撞安全性方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且應(yīng)用于車身時(shí)，由于質(zhì)量降低，碰撞時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能減小，所以其在汽車上的應(yīng)用呈現(xiàn)連續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。2）鎂合金。鎂合金的彈性較弱，在同等的受力情況下會(huì)發(fā)生較大的變形。所以，使用鎂合金材料時(shí)，要提高鎂合金板材的厚度或者重新設(shè)計(jì)板材結(jié)構(gòu)。3） 碳纖維復(fù)合材料。碳纖維是一種含碳量在90%以上的高強(qiáng)度、高模量的新型纖維材料。碳纖維質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、韌性強(qiáng)的特性。碳纖維可用于車頂、保險(xiǎn)杠、座椅骨架、儀表板等零部件中，但是由于其成本較高，主要用于結(jié)構(gòu)件和承載零部件，更為發(fā)揮其比剛度和比強(qiáng)度高于鋼材的特性，一般用于高端車型。4）多孔材料。目前人們制造出各種各樣的用于能量吸收的輕質(zhì)多孔材料，如泡沫材料、蜂窩材料等。蜂窩材料用作吸能材料，具有明顯的方向性，用于各種夾芯板和薄壁填充管具有突出的優(yōu)勢(shì)。泡沫材料可分為開孔泡沫材料和閉孔泡沫材料兩種。其中，開口材料的抗壓性總體優(yōu)于閉孔材料。開孔材料又可以分為金屬材料和非金屬材料兩種。金屬泡沫材料，尤其是泡沫鋁，密度小、變形能力大、比吸能好，具有均勻穩(wěn)定的能量吸收特性曲線，是非常理想的能量吸收材料。但是，泡沫鋁含有空隙而且強(qiáng)度較低，在受到拉、壓、扭轉(zhuǎn)時(shí)容易發(fā)生斷裂破壞，而且破壞后不容易保持完整，故而一般將泡沫鋁作為薄壁管的填充材料。非金屬泡沫材料多用作汽車內(nèi)部裝置，作為裝飾材料和承重架中間的緩沖物。

（2）成型與連接技術(shù)的發(fā)展。采用新的生產(chǎn)工藝和連接工藝，如高強(qiáng)度鋼輥壓成型、鎂鋁合金精密成型、激光拼焊、鉚接、粘接、鋁點(diǎn)焊、熱融自攻絲和鋼鋁IW連接等。利用有限元法對(duì)現(xiàn)有的車身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，提升車身的各種性能指標(biāo)。

3 結(jié)語

汽車輕量化不僅可以提升燃油經(jīng)濟(jì)性，減少排放，還可改善汽車整車的綜合性能。汽車輕量化勢(shì)在必行也迫在眉睫，這也將進(jìn)一步促進(jìn)汽車工業(yè)領(lǐng)域的變革。當(dāng)前一些新興技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用還不夠成熟，無論是輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、輕量化材料的研發(fā)，還是先進(jìn)制造工藝的改進(jìn)和升級(jí)，都將成為今后汽車輕量化設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的重要研究方向。

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