汽车轻量化技术综述

防空兵指挥学院 张纯亮 李临涪 李

汽车轻量化技术综述

国际能源署（IEA）预测，2030年全球交通领域石油的消耗将占石油总消耗量的57%。2009年中国汽车年产销量跃居世界第一，据预测，2020年中国汽车保有量预计突破1.5亿辆，汽车年耗油量将突破2.5亿t。但是随着汽车总量和新增量的不断增加，汽车二氧化碳排放量在二氧化碳排放总量中的比例快速提高，汽车与能源、环境之间的矛盾已成为制约汽车产业可持续发展的突出问题。面对低碳时代的到来和节能减排的巨大压力，汽车轻量化是实现节能减排目标最现实、最有效的途径之一，也是世界汽车发展的潮流。

一、汽车轻量化概念

汽车轻量化（Lightweight of Automobile）并非只是简单地降低汽车重量，事实上，诸如碳纤维代表当今最先进的汽车技术，汽车轻量化技术包含了许多的新理论、新材料、新工艺。汽车轻量化是在保证汽车强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的质量，从而提高汽车的动力利用率，减少燃料消耗，降低排气污染。并且，汽车轻量化还能提高汽车的驾乘动力学性能（如加速、制动、过弯稳定性、碰撞惯性等），而这类性能的改善一直是车辆设计者、制造商和用户孜孜追求的目标。

权威研究显示，若汽车整车重量降低10%，其燃油效率可提高6%～8%；汽车整备质量每减少100kg，其百公里油耗可降低0.3～0.6L，二氧化碳排放可减少约5g/km。

二、汽车轻量化的技术实现

汽车轻量化主要使用高强轻质的新型材料，采用现代先进的制造技术，通过优化车身结构及零部件结构的轻量化设计，来实现轻量化。

使用轻质材料是实现汽车轻量化的主要途径之一。应用于汽车轻量化设计的材料主要有两大类：一类是低密度的轻质材料，如铝合金、镁合金、钛合金、塑料和复合材料等；另一类是高强度材料，如高强度钢等。目前，已得到工业化应用的轻量化材料主要有铝合金、高强度钢、镁合金和塑料、树脂基复合材料等。

轻量化设计主要采用CAD/CAE/CAM一体化技术将离散拓扑优化与结构尺寸优化相结合，运用有限元分析技术进行刚度和强度分析，结合参数反演技术、多目标全局优化等现代汽车设计方法，对汽车总体结构进行分析和优化。在满足设计性能要求的前提下，尽可能使零部件薄壁化、中空化、小型化、复合化，以获得最轻的结构设计。

轻量化材料成形技术是指为了满足高强度材料的应用以及实现零件集成化设计而采用的技术。目前应用较为广泛的技术有激光拼焊（TWB）、热压成形（HPF）、液压成形（HF）、粉末冶金等技术，借助这些技术不仅可以实现轻量化，还可以明显提高整车的安全性。

三、车身轻量化

汽车设计中选用高强度钢以及铝合金、镁合金、钛合金等轻质材料，采用先进的制造工艺，使用基于新材料加工技术而成的轻量化结构用材，如连续挤压变截面型材、内高压成形（液压胀形）件、金属基复合材料板、激光拼焊板成形等，也是达到汽车轻量化目标的重要途径。例如，最新一代的奥迪A8，采用了ASF铝合金空间桁架车身结构，不仅车身减重6.5kg，更使整体结构刚性提高25%，同时也提高了汽车的吸能和制动效果。

四、发动机与底盘轻量化

发动机和底盘是汽车的核心部件。发动机和底盘的轻量化通常采用拓扑优化的方法优化其零部件，目的是在强度、刚度不变的情况下减轻重量，或在质量不变的情况下提高强度、刚度。目前，普遍选用铝合金、镁铝合金甚至复合材料结构代替笨重的铸铁发动机部件，全铝合金的发动机逐渐成为主流。宝马大部分车型上的发动机都采用了铝合金材料和其独创的镁铝合金材料。装载在M3系列的V8发动机，使用了硅铝合金压铸曲轴、硅晶体汽缸衬垫等轻量化零件，将发动机的重量低至202kg。发动机的外附件如进气管、气门室罩盖、油底壳，进气歧管等，大量选用塑料、玻璃纤维增强尼龙等非金属材料，使发动机进一步轻量化。

汽车底盘采用高强度钢，铝合金、碳纤维等材料成为趋势。例如，奥迪公司的A8型豪华轿车，改用新型的铝合金底盘比改造前重量减轻了约200kg；日产Yuki-onna概念车底盘更是采用了碳纤维材料。当前，底盘轻量化主要是用铝合金材质的控制臂代替传统的钢材质控制臂。例如，宝马Z4跑车前悬挂采用铝合金材质的双控制臂结构，重量比普通钢制车减轻了约30%，既能保证强度，又能提升车轮回弹速度。

五、功能件、结构件与装饰件的轻量化

为实现汽车最大轻量化，塑料及其复合材料、轻质材料被大量应用于功能件、结构件与装饰件中。保险杠、车轮罩、导流板等主要外装饰件，仪表板、车门内板、杂物箱盖、坐椅、后护板等主要内装饰件，油箱、散热器水室、空气过滤器罩、风扇叶片等功能件与结构件，都已经或正在逐步实现“以塑代钢”。车厢底板结构件、车身面板、发动机散热器、空调冷凝器、座椅骨架、方向盘骨架等结构件，也已开始采用镁合金压铸件。

汽车轻量化是汽车发展实现节能减排的必然潮流。目前，欧洲的汽车制造商正在进行“超轻型汽车”工程，力争减轻车重30%。我国也成立了“汽车轻量化技术创新战略联盟”（简称轻量化联盟），以产、学、研结合的有效机制探索和促进汽车轻量化。但是，汽车轻量化是一项复杂的系统工程，目前我国汽车轻量化技术无论是在理论研究方面还是在实际应用方面均与国外存在较大差距。不断开发应用型新材料，创新发展汽车零部件设计理论、制造技术和工艺水平，实现以最低成本获得最佳轻量化效果，将是我国汽车制造的发展方向。