汽车轻量化技术

郑斯泽

摘 要：汽车轻量化技术一直是各个汽车厂家重点研究的内容，经过几十年的发展，它已经取得了长足的发展。简单介绍了汽车轻量化技术的设计情况和所用材料的性能，阐述了汽车轻量化的实施途径，以期为日后的相关工作提供参考。

关键词：轻量化技术；轻质材料；车身结构；节能减排

中图分类号：U462.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.131

经过近百年的发展，虽然汽车的能源利用率提高了，但也只有20%～30%.究其原因，最主要的是汽车本身的质量消耗了大部分能耗。研究表明，如果汽车的整体质量降低10%，那么，能源利用率就可以提高6%～8%.因此，汽车轻量化的优势就是降低油耗。

汽车车身质量占汽车整体质量的30%，空载时，有70%的能源消耗在汽车车身上。采用汽车轻量化技术除了可以降低能耗外，还可以提高汽车操作的稳定性和安全性。使用轻量化材料后，汽车质量会减轻。在其行驶过程中，由于汽车底盘质量比较轻，所以，颠簸会减弱，车身会更加稳定。当汽车遇到撞击时，其撞击能力会被吸收一部分，从而提高汽车运行的安全性。但是，轻量化并不是说汽车质量越轻越好，这需要综合考虑汽车的安全性、经济性和实用性等因素。由此可见，汽车轻量化技术是汽车产业中非常关键的一部分。

1 含义

在保证汽车各项指标都满足要求的情况下，为了降低能耗，使其更加环保、安全，要采用先进的技术或特殊材料尽可能地减轻汽车质量。

汽车轻量化并不是简单地缩小汽车的体积或者减轻汽车的质量。汽车的安全性、稳定性、舒适性和耐撞性等与汽车的质量有直接关系，所以，还需要考虑其经济合理性，毕竟汽车属于商品，要让消费者接受它的价格。

汽车结构的创新化设计和特殊材料的使用是汽车轻量化技术的重要组成部分。如果汽车车身结构设计合理，不仅可以减少材料的使用量，还能达到轻量化的目的。要想实现汽车轻量化，车身材料是非常重要的。相关研究表明，汽车轻量化主要表现在以下3个方面：①随着新材料的出现，很多性能好的轻质材料被应用于汽车领域，例如高轻度钢、镁合金、钛合金、铝合金、特殊塑料、陶瓷和生态复合材料等；②随着汽车工业设计水平的不断提高，很多汽车开始采用超轻悬架结构、高刚性结构来减轻其质量；③汽车轻量化的发展促使计算机辅助集成技术和结构分析等技术被应用于汽车领域，从而带动汽车联接技术的创新。

2 发展现状

随着科技的快速发展，新材料、新技术已被广泛应用于汽车轻量化领域。目前，很多汽车的变速箱壳体采用的都是镁合金材料，例如上海大众桑塔纳轿车。随着镁合金材料性能的提升，如果曲轴的箱体材料由铝合金变为镁合金，那么，其质量将会减轻30%；如果能进一步改善镁合金材料的抗蠕变性能，那么，自动变速箱的箱体也可以使用镁合金材料制造。

汽车轻量化的重点在于车身结构的用材。传统的车身结构是钢材，但随着材料学的发展，铝合金、精炼钢、夹层钢等材料被应用于汽车车身制造上，柔性化板材辊轧、剪拼焊接工艺等技术也得到了应用。不锈钢与高强度的碳钢相比，其强度更高、延展性更好。20世纪90年代，奇瑞等汽车公司就开始进行相关试验。

随着时间的推移，我国在汽车结构设计方面也取得了较大的进步，已经从依靠经验设计逐渐发展为应用有限元等现代设计方法实行静强度计算和分析的阶段。在薄板冲压工艺方面，上海通用、五菱与湖南大学合作，开展了深入的研究，而北京航空航天大学则利用开发的CAXA系统研究客车轻量化技术。

3 实现途径

实现汽车轻量化的目的是在保证其整体性能满足要求的情况下，尽可能地减轻汽车各部分的质量。由相关含义可知，要想实现汽车轻量化，需要改善汽车的结构设计及其所使用的材料。

3.1 改善结构设计

设计是整个汽车生产的开始，它是决定汽车命运的最主要阶段。而在落实汽车轻量化技术的过程中，结构设计需要充分考虑“轻量”这个目的。

汽车轻量化设计就是以“轻量”为目的分析和优化汽车的整体结构，使用比较多的技术是CAD /CAE /CAM一体化技术，它涵盖了从设计到制造整个过程。采用这项技术可以实现汽车零部件的精简和轻质化，通过对汽车底盘、动力系统等大型零部件的整体加工和相关模块化设计，可以更好地实现轻量化的目的，这也是节能、环保的关键。如果这项技术不能满足汽车整体性能的要求，那么，反演技术和多目标全局优化等设计技术的应用就是关键。具体表现在以下3个方面：①在车身刚度和强度满足相关要求的前提下，通过结构的优化设计来减轻车身质量；②在性能不变的前提下，尽可能地减小各个零部件的尺寸；③利用发动机前置、超轻悬架等设置方式，使其结构更加紧凑，而发动机后置、后轮驱动可以使汽车体积变小，从而实现汽车轻量化。

3.2 特殊轻质材料

汽车70%的质量都集中在车身、发动机和底盘上，而车身又是其中最重的部分。减轻车身质量后，既能达到汽车轻量化的目的，又可以提高发动机的工作效率。具体方案包括以下3点：①使用铝镁合金、陶瓷等轻质、高强度的材料；②使用更薄、工艺性能好的高轻度钢材料；③使用金属基复合材料板、激光焊接板材等轻量化结构用材。

4 结束语

随着社会经济的发展，人们更加重视节能减排，而汽车轻量化技术势必会得到重视，也会吸引更多的力量研究它，新技术、新材料将也将被广泛应用于汽车设计制造中。目前，汽车轻量化技术还处于初步发展阶段，还有很大的发展空间。

〔编辑：白洁〕