探讨汽车的轻量化技术运用方法

王域丞洛阳市第一高级中学 河南省洛阳市 471003

摘 要：采取汽车轻量化技术能够减轻汽车质量，有效解决节能环保相关问题。轻量化在推动汽车工业有效发展上起到了非常大的作用，对其具体运用方法进行分析具有很大的现实意义。本文介绍了轻量化技术在轻量化材料开发以及汽车机构设计方面的应用、现代工艺上实现的具体方法与产生的主要作用等，表明了轻量化技术当

前主要应用方向以及应用现状，并且强调了该技术未来的发展前景。

关键词：汽车；轻量化技术；运用方法

随着我国汽车工业的不断发展，我国环保问题、能耗问题与安全问题造成的影响也越来越大。所谓汽车轻量化技术，主要指在与汽车实际使用以及经济要求相符的条件下，集成应用整车与零部件合理设计、环控、材料应用和新工艺开发，从而减轻汽车质量，与现代汽车技术发展整体趋势一致，同时也是当今有效解决环保问题以及节能问题的主要手段。

1 轻量化技术运用中优化设计的作用

1.1 结构的设计

对于汽车优化设计，其主要针对的是车身以及关键零部件。进行优化设计的时候，需要考虑的有：①对车身空间结构进行优化，达到不同工作载荷的要求；②减小或者是减少车身不必要的尺寸、各种零件的数量以及零部件厚度；③不断优化零部件外形，尽量减少多余的结构或者是增强重要构件数量。

1.2 材料的确定

优化设计主要是通过科学设计汽车产品，在与汽车使用性以及经济性具体要求相符的条件下，采取相应的轻量化材料，这时候设计者经验以及 CAE技术就显得特别重要。其中设计者的经验能够通过不断积累获得转化，属于轻量化数据库里面的专家系统 [1]。此外，依据设计的静动力学相关分析，整车性能的深入研究以及主要件生产工艺具体模拟过程可知， CAE技术能够为材料的选择进行合理预判。

1.3 预置工艺

由于汽车结构十分复杂，其工艺实现会严重影响到整车轻量化效果。随着汽车业的不断发展，各种复合材料、高强钢以及铝镁合金不断出现，同时也对应用工艺方面的要求更加高 [2]。其中主要有：一些部件，比如轿车副车架，本身形状十分复杂同时生产难度较高，液压成形可以提供一个有效解决途径；界别比较高的高强钢，其对成形性方面的要求比较高，热成形技术就可以有效解决该问题。利用 CAE技术能够对这些工艺所具有的可行性以及路径进行有效的分析。

1.4 试验仿真

所有车辆的好坏，均需要试验的验证。汽车轻量化整个发展历程中，国外一些汽车检测法规开始用 CAE分析法取代某些试验测试，并且其结果获得了各界确认，最终变为了一项标准要求。其中对汽车轻量化造成严重影响的相关试验主要是：保险杠碰撞试验、自车身弯扭试验以及自车身 NVH试验等，这些试验均能够利用 CAE技术取得比较理想的仿真效果。

2 轻量化技术运用中各种新材料以及新工艺的作用

2.1 新材料的运用

①高强钢属于轻量化的主要材料，大量使用这种高强钢不仅可以使整车轻量化，同时还可以确保汽车自身安全性以及可靠性，所以，高强钢实际使用面比较广，同时量也非常大。

②铝合金属于轻质材料，本身抗腐蚀性非常好，具有广阔应用前景。最近几年，汽车制造过程中铝材用量越来越大，其中主要包含有锻铝或者是铸铝、板材以及挤压材，一般使用于车轮、车身结构、外覆盖件以及空间框架等位置。

③镁合金是一种比铝质量更轻的材料，具体体积质量只有 1.8 千克 /立方米，获得的轻量化效果非常显著。这种材料最开始是在方向盘骨架、壳体类以及气缸盖罩盖等部位使用，当前已经逐渐应用于支架类零件、座椅骨架以及仪表盘骨架部位。

④塑料和各种纤维复合材料也开始广泛应用于汽车工业领域，其中汽车上所采用的塑料件已经有数百个 [3]。对于重型卡车，其所使用的塑料以及复合材料量高达 150千克，主要包括普通的塑料以及强度比较高的复合材料。

⑤二十世纪六十年代发展起来的新材料主要包括金属基复合材料，并且在八十年代之后得到了迅猛的发展。对于汽车工业生产而言，其所采取的 MMC大部分为纤维增强或者是颗料增强的相应铝基复合材料。这种材料在刹车系统零部件以及发动机中得到了广泛的应用。其中发动机零件包括气门挺柱、缸套、活塞、摇臂、连杆以及活塞销，而汽热成形技术的具体应用

为了同时实现轻量化以及增强汽车性能的目的，就应该选择强度较高的相应轻量化材料。现阶段，目前，如果乘用车的车型已经达到 Uncap碰撞 4星或者是 5星级水平，那么其主要安全件里面（A柱，B柱，C 柱以及保险杠防撞梁和防冲柱等）一般采用的是抗拉强度达到 1 500 MPa并且屈服强度达到 1 200 MPa相应马氏体钢，这样高的强度之所以可以实现，主要是因为热成形钢材以及相关工艺技术的迅猛发展。材料自身屈服强度以及延伸率会对其加工成形性产生直接的影响，同时材料的断裂应变与其屈服强度以及材料的温度存在紧密的联系 [4]。当温度为 900℃的时候，热成形钢具体屈服强度将会减小到 150 MPa，并且断裂应变超过 50% ，这时候热成形钢自身成形性以及可加工性均非常好，当热成形过程结束后，开展冷却淬火工作，使其达到高强度，同时固定了处于热成形状态下的相应形状。

2.2.2 液压成形技术的具体应用

所谓液压（也就是内高压）成形，主要是指选择液态物质当做施力介质，通过施力介质处理坯料，使其贴合凸模或者是凹模面成形。其中液压成形可以分为两种，分别是板材液压成形以及管材液压成形。进行汽车工业生产的时候，一般选择管材内高压成形方法。对于管材液压成形方法而言，其所具有的优点主要有：①可以节约材料用量；②降低后续工作量；③因为焊接减少，所以能够增强构件强度以及刚度；④和冲焊件进行比较，其材料利用率处于 95%～98%范围内；

⑤减少生产成本以及模具费用支出。

2.2.3 激光拼焊板技术的有效应用

因为激光焊接技术具有一定特殊性，并且焊接速度非常快，具体热影响区比较小，所以，激光拼焊板材具有比较理想的成形性。这种拼焊板技术可以把各种表面处理状态、不同厚度以及不同强度的相应板材利用激光拼焊集成为整体板坯进行冲制，通过这种方式能够选择减少模具数量以及后续生产工序环节，达到减小生产成本的目的，同时确保零部件质量，改善零件结构，将各种强度以及各种厚度板材所具有的特性充分发挥出来了。

2.2.4 金属半固态成形技术的有效应用

这种技术所具有的特点主要为：节能环保、高效并且高性能以及低成本。通过多年的有效发展，这种技术的应用越来越成熟。二十世纪九十年代，西方国家已经发展至产业化应用这一阶段，同时促进了铝合金材料在汽车结构零件制作中的广泛应用[5]。现阶段，瑞士 Alusuiss、德国 EFU以及法国 Pechiney公司等都具备较大规模的产业，同时在汽车零部件生产中得到了大量的使用。单件尺寸以及质量也越来越大。

3 轻量化技术运用中 LCA的作用

所谓 LCA，主要指客观评价产品生产工艺和生产活动环境负荷，其利用辨识并且量化能量、具体物质消耗和因为生产而产生的废弃物排放量的方式来评估能力以及物质利用给周围环境造成的影响，从而获得改善产品或者是生产工艺的途径，属于有效工艺评价方法。对于轻量化而言，不仅应该减轻汽车质量，同时还应该符合汽车 LCA，这是因为 LCA主要追求的是产品整个生命周期不对周围环境产生大的影响，能够尽量提高可耗竭资源实际使用效率，降低材料以及能量的消耗量，对各种可再生能源进行充分的利用，达到保护环境的目的。

4 轻量化技术未来应用前景

未来轻量化技术的进一步发展将一直围绕材料的使用进行，全球各国为此均已经采取了多种措施：其中美国 PNGV计划认为材料的选用主要是塑料复合材料、高强钢以及铝 /镁合金，通过这些材料达到汽车轻量化的目标，同时强调了广泛运用轻质材料所具有的重要性；落实 ULSAB-AVC计划的时候，把轻量化目标范围延伸至发动机支架、汽车超轻钢悬架系统和别的结构件，生产出的车身燃油效率得到了显著改善，同时材料十分容易回收，能够减少成本投入。

中汽协发表了《汽车轻量化意义》，内容主要面向未来，并且要求分析并且优化汽车总体结构的时候，应该在以下方面实现轻量化：附件轻量化、零部件的精简化以及整体化、车身轻量化、发动机轻量化、变速器轻量化、悬架轻量化与车身轻量化。现阶段，国内厂家正在研究客车、普通轿车以及商用车所使用的轻量化材料具体应用技术以及使用性能，发现高强钢以及铝材料的使用结果非常值得期待 [6]。

5 结语

汽车生产过程中，各种轻量化材料已经得到了普遍应用，未来汽车工业主要发展方向就是汽车轻量化。现阶段，经常使用的轻量化技术为：优化设计技术、材料技术、 LCA生产技术。对象研究表明，以后汽车工业生产相应实现全方位轻量化目标，就应该将发展重点放在材料轻量化方面，对促进汽车工业进一步发展非常有利。

参考文献：

[1]范子杰，桂良进，苏瑞意等 .汽车轻量化技术的研究与进展 [J].汽车安全与节能学报，2014，5（1）：1-16.

[2]胡明宝 .汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径 [J].消费导刊，2015，12（12）： 361-361.

[3]范军锋，冯奇，凌天钧等 .汽车轻量化与制造工艺[J].机械设计与制造，2009，38（7）： 141-143.

[4]曹学涛，崔建磊 .轻量化技术在汽车工程中的应用 [J].山东工业技术，2016，95（6）： 87-87.

[5]向晓峰，魏丽霞，马呜图等 .汽车轻量化技术的应用 [J].汽车工程师，2012，16（5）： 57-59.

[6]陈一龙 .汽车轻量化技术发展状况及展望 [J].汽车工艺与材料，2012，09（1）：1-4，21.