汽车轻量化技术发展方向

何德禄　任立飞　王建启　徐佳杰

摘 要：汽车轻量化是实现节能减排的重要措施之一，对汽车工业的可持续发展具有重要意义。有关试验表明，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，使汽车的动力性和承载能力提高。本文从结构优化设计、轻量化材料的应用和先进制造工艺这三个方面对汽车轻量化技术的国内外研究现状和发展趋势进行了简要概述。这包括：汽车结构的尺寸优化、形状优化、拓扑优化和多学科设计优化的基本原理和研究进展；高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料；以及液压成型和激光焊接工艺在汽车中的使用现状。

关键词：汽车轻量化；结构优化；先进工艺；新型材料

随着人们生活水平的提高和汽车工业的发展，目前世界汽车的总量已逾十亿，每天都有八千多万桶石油用于汽车行驶，产生大量有害气体。在资源短缺，环境污染严重的当下，节约资源，减少环境污染变得十分重要。实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；汽车整车质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。因此减轻汽车重量是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之一。

1 轻量化技术的含义及其发展

汽车轻量化是社会谈论的热点，那么什么是轻量化技术呢？轻量化技术就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃油消耗，降低排气污染。轻量化技术的内涵是：采用现代设计方法和先进工艺对汽车产品进行优化设计，或使用新型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，汽车轻量化不是简单地减轻汽车重量，还应保持汽车原有的性能，既要减轻汽车自身的重量， 又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及稳定性。

自上世纪70年代以来，随着材料技术和制造技术的进步，汽车自身重量在逐年减少，以美国为例，上世纪80年代初，中型轿车的平均质量为1520kg；90年代下降至1230kg。20世纪末和21世纪初，世界各国先后出现过百公里油耗3L的汽车。1998年德国大众推出路波3L TDI，汽车自身质量只有800kg。奥迪公司开发全铝型轿车Audi A2，汽车自身质量约900kg。美国政府2009年5月公布一项汽车节能减排计划，目标是2016年，美国国内生产的客车和轻型卡车百公里耗油不超过6.62L，CO2排放量也比现有车辆减少1/3。

近年来，我国在汽车轻量化方面取得了不少成果。“九五”和“十五”期间，一批汽车新材料项目被列为国家“863”、“973”高新技术项目和国家科技攻关重大项目。促进了汽车轻量化技术的进步。

2 实现汽车轻量化的主要途径

2.1 汽车轻量化技术的分类

目前，汽车轻量化技术主要分为三类，包括：结构优化设计、先进制造工艺和新型轻量化材料的应用。其中，汽车的结构优化设计包括：结构的形状优化、尺寸优化、拓扑优化等；先进制造工艺包括：液压成型和激光焊接等；轻量化材料的应用包括：高强度钢、铝镁合金、塑料和碳纤维及其他复合材料等。本文主要介绍其中应用较广泛的几种方法。

2.2 结构优化设计

汽车结构优化设计在汽车轻量化技术中应用最早，也是发展最成熟的一种技术。上世纪70年代，随着计算硬件和计算机软件的发展，美国汽车公司首次将有限元法应用于汽车的可行性设计。随着CAE逐步发展成熟，进入21世纪后，CAE 已广泛应用于汽车零部件和整车结构设计。基于CAE分析的汽车结构优化设计得到应用并逐步发展成为汽车轻量化的首选方法。近年来，轻量化理论方法和软件工具不断出现，结构优化设计方法被广泛的应用于汽车轻量化设计上。总的来说，汽车结构优化设计经历了：尺寸优化—形状优化—拓扑优化，等阶段。

（1）尺寸优化

尺寸优化设计是应用最早，也是发展最成熟的一种汽车轻量化技术。它一般以汽车零部件的尺寸为设计变量，如冲压件的壁厚、梁柱的截面尺寸、孔的大小等。然后以结构质量最小为目标函数，以满足不同工况下的刚度、强度、振动、吸能等为约束条件来构建优化模型。

（2）形状优化

形状优化主要是指改变汽车的局部或者整体外形，使得结构更加合理，受力更加均匀，从而实现材料有效利用。形状优化方法分两种，对于具有规则几何外形的结构，可以将结构的几何外形参数化，从而将形状优化转变为尺寸优化问题。但对于汽车结构来说，多数具有不规则的几何外形，无法采用参数来描述，难以将其转化为尺寸优化问题。对于这种问题，目前广泛采用不需要尺寸参数的无参形状优化方法。如可通过定义白车身主要梁结构截面的形状变量，结合近似模型技术，对白车身进行轻量化的多目标优化，就可以达到很好的效果。

（3）拓扑优化

拓扑优化以指定的设计空间的材料分布为优化对象，通过计算得到其中的材料分布。从汽车设计度看，结构优化分三个层次，首先是拓扑优化，确定最优的结构；其次是形状优化，确定给定拓扑条件下的最优边界形状；最后是尺寸优化，最终确定结构中各处具体尺寸。由此可见，拓扑优化是产品设计的核心。目前，拓扑优化的研究内容包括：材料插值法、优化算法、工程应用等。结构拓扑优化研究方法主要有解析法和数值法。解析法不太适合工程应用，工程应用中常采用数值方法。

在轻量化方面，拓扑优化已用于汽车车架结构设计以及主要零部件如轮毂的优化设计中。如有些研究者在结构设计的开始阶段引入拓扑优化理论，先对结构进行布局优化，以获得较合理的初始结构方案，再通过结构参数优化设计，得到满足其强度和刚度及设计工艺要求的最优结构。还有一些研究人员利用基于有限元法的拓扑优化技术涉及车身大骨架的拓扑结构，经拓扑优化后的车身大骨架各项特性参数指标均有不同程度的提高。拓扑优化正成为车身轻量化设计的重要方法，被认为是最具有潜力的结构优化方法。

2.3 新型材料

除了结构优化设计之外，轻量化材料的开发和应用是当前汽车轻量化技术另一主要研究方向。据统计，汽车车身、底盘、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。因此减少汽车白车身重量对减少汽车总重量和降低发动机的功耗具有双重作用。常用的轻量化材料有：高强度钢，镁、铝合金，塑料和复合材料等。

（1）高强度钢

在汽车轻量化材料设计中，钢铁材料是最主要的轻量化材料。汽车用钢主要分为两类：一是合金结构钢，主要用于汽车发动机和传动系统及悬架系统的主要构件，等；另一类是高强度钢，主要用于汽车车身内外板及车身结构件。用高强度钢替代原使用材料，能适当减小零件尺寸，在等强度设计条件下可以减少板厚。高强度钢在汽车应用上的优势主要有三点：增加构件的变形抗力，提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。由于高强度钢具有这样的优势并且经济性良好，因此各国都在大力提倡在汽车上运用高强度钢。丰田车型VITZ的车身结构中高强度钢占有量达48%；宝马3系列车身骨架中50%使用了高强度钢；福特的Windstar车身骨架中高强度钢占60%。采用高强度钢，减轻重量的同时增加了车身的刚度和强度。

（2）镁合金、铝合金

铝具有良好的机械性能，密度小，机械加工性能高，耐腐蚀性强、导热性好。铝合金还具有高强度、吸能性好、易回收等特点。目前，铸造铝合金和形变铝合金已广泛应用于汽车工业。发动机罩、行李箱盖、车门、保险杠、轮毂和汽车结构零件都广泛使用铝合金材料。当然，运用铝合金时也存在一些问题，比如，铝合金加工难度高，成型性能不够好；由于铝导热性好，导致铝合金的焊接性能差；成本造价高，不能像钢材那样广泛应用等。

镁合金和铝合金一样，具有良好的性能，并且镁的密度更低，是当前最理想、重量最轻的金属结构材料，是汽车轻量化、降低油耗，节能环保的首选材料。但其铸造性差，处理工艺复杂，成本高等特点也在一定程度上影响了镁合金的发展。我国的镁资源虽然丰富，但却应用很少，而西方发达国家对镁合金的开发与应用，已达到了产业化水平。

虽然镁铝合金的加工工艺不够完善，并且成本较高，但是随着科技的发展和工艺水平的进步，镁铝合金一定会在汽车轻量化上做出更大的贡献。

（3）塑料和复合材料

塑料作为汽车轻量化材料，是因为它具有很多优点。质量轻，密度低，密度不到钢材的20%，采用塑料有明显的减重效果。加工性能好，可设计性强，手感好，塑料常被做成形状复杂的部件和汽车的各种内外饰件。耐冲击性、吸能性好，抗腐蚀性强，常用于汽车保险杠，仪表盘，冷却风扇等。

复合材料是比塑料性能更好，强度更高的新型材料。比如，玻璃纤维增强热塑性复合材料、长纤维增强热塑性复合材料、碳纤维增强复合材料、金属基复合材料等。虽然复合材料生产工艺复杂，成本高昂，但是随着科技的发展和工艺水平的进步，复合材料在汽车零部件的应用越来越多，显示出越来越强大的生命力。

2.4 先进工艺

（1）激光焊接

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。与传统焊接方法相比，激光焊接具有速度快、效率高、热影响区小、焊接变形小等优点。近年来激光拼焊技术发展迅速，在汽车上已经得到了广泛的应用。主要用于不同强度、不同厚度、不同材质、不同冲压性能和不同表面处理状况的零件整体成形。使用激光拼焊板可减少工序和模具的使用数量，从而降低生产成本，优化零件结构，并提高零件的质量。激光焊接技术已成为降低零件数量、保证行驶安全、优化结构设计和改进制造技术重要的汽车轻量化手段。

（2）液压成型

液压成形是指采用液态物质作为施力介质，使坯料在施力介质作用下，贴合凸模或凹模面成形，它是一种柔性成形技术，该技术已成为一些形状复杂、强度高、成形性差材料的理想成形方法。与传统的冲压工艺相比，液压成型技术在减轻重量、减少零件数量和模具数量、提高刚度和强度、及降低生产成本等方面具有明显的技术和经济优势，在汽车领域得到了越来越多的应用。

结语：汽车轻量化对汽车节能，降低排放和性能改善，以及汽车产业的长远发展具有重要意义。目前，汽车轻量化技术还处于初级阶段，未来还有很大的发展前景，汽车轻量化是现代汽车技术发展的方向。

参考文献

[1]马鸣图，易红亮，路洪洲等.论汽车轻量化[J].万方数据，2009.

[2]鲁春艳.汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径[J].技术导向，2007，（6）.

[3]范叶，杨沿平等著.汽车轻量化技术及其实施途径[M].汽车工业研究，2006，（7）

[4]范子杰，桂良进，苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报，2014.