浅谈汽车的轻量化发展

吴培

摘要：本文主要从结构优化、工艺优化和新材料利用等几个方面对汽车的轻量化的发展进行研究，希望为我国汽车轻量化的研究提供一定的理论基础。

关键词：汽车；轻量化；结构优化；工艺优化；新材料

随着我国居民收入的增加，越来越多的家庭拥有了汽车，这也带来了能源和环保等方面的问题。汽车的轻量化就是在保证性能的基础上，通过新技术的运用来减轻汽车的重量。每降低10%的重量，汽车就可以节约7%的能源，减少3%～5%的二氧化碳的排放。通过应用轻量化技术，不仅可有效的实现节能减排，还能改良汽车在启动、刹车等方面的性能，同时增加汽车的寿命。由于国内外对汽车环保要求的不断提高，轻量化已成为汽车行业发展的趋势。对车企而言，汽车轻量化是汽车的一个核心关键技术，直接关系到企业的核心竞争力。同时，汽车轻量化技术的发展，也能为国家汽车产业的健康成长找到出路。目前汽车轻量化技术的实现主要有以下三种途径：车身零部件的结构优化、产品生产工艺的优化和新材料的使用。

1 优化结构实现汽车轻量化

汽车的结构优化主要是指对车身整体结构和零部件的形状和尺寸进行优化。形状优化主要通过优化车身和零部件的外形和局部特征，改变应力在产品内部的分布，让应力分布的更加均匀，从而实现材料的充分的应用，达到轻量化的目的。尺寸优化是指在满足产品性能指标的条件下，通过增加高应力区域的材料密度，降低低应力材料区域的材料，实现对车身和零部件的截面厚度进行优化。

形状优化主要通过改进车身和零部件的结构，使车身和零部件薄壁化、中空化、小型化和组合化，实现车身和零部件整体化和轻量化的目的。在日产推出的March车型中，日产改变了以往平板车架的做法，通过在车架上设置了凹型压边筋，减少了车上钢材的使用，实现了和比老款减重7%的效果。同时在新汽车结构的设计上，也可以通过运用CAE技术对产品的拓扑结构进行优化。德国公司研发的Light Coccon概念车，放弃了传统的结构，采用仿生学设计将车身设计成乌龟壳的结构，充分运用中空化和组合话的技术，实现了每平方米19g的极致轻量化设计。

尺寸优化可通过激光切削、精密铸造等技术实现零件材料的合理利用。对满足要求的部分尽量降低材料的厚度，可以通过在关键部位增加加强筋、提高材料牌号，增加减重孔和切除多余翻边等方法实现零部件彻底优化的目的。在新型的迈锐宝XL中，在汽车的底盘纵梁上发现有一些大大小小的用于减重和避免共振而设计的孔洞。

2 优化工艺实现汽车轻量化

工艺优化、结构优化和轻量化材料的使用，在实现汽车的轻量化方面具有相辅相成的作用。目前轻量化的工艺的优化主要集中在两个方面：一是优化零件的成形技术，二是优化制造工艺。

成型技术上的优化可以通过应用CAD/CAE/CAM等计算机辅助技术，提高模具的设计水平和精度，相应的提高形成后零件的精度。目前新的成型技术包括液压成形技术、差厚板技术、冲压成形技术和3D打印技术等。其中，应用差厚板技术可以让设计师根据实际受力情况，在不同的区域压制出不同的厚度，相比等厚板，差厚板在实现减重的同时，提升了板材的利用率。与传统的机加制造工艺，3D打印作为一项新技术可以实现个性化的定制要求，可以对汽车的外形进行改造，也可以对零组件的形式和结构进行重新定义，实现轻量化的设计理念。

制造工藝的革新的一个典型案例就行就是一体化设计和制造，将零件进行集成设计，通过合理的形状和结构将多个配件合成一体，减少了配件数量，实现减重的效果。在科迈罗V6发动机上，通过气缸盖及尾气歧管一体化铸铝设计技术，减少了一个带有六个螺栓的铸铁排气歧管，一个垫圈以及一个带有三个螺栓的防热罩，实现减重6kg。

3 新材料使用实现汽车轻量化

在汽车实现轻量化的进程中，新材料已成为实现汽车轻量化的一个重要途径。通过新材料的使用，在实现轻量化的同时，还实现了汽车性能的提升。目前，替代的新材料主要有高强度钢、铝合金、镁合金和塑料复合材料。

高强度钢的减重主要是依靠自身超高强度等级来代替普通的钢材，利用强度差来减薄钢板厚度，在提升汽车轻量化的同时，还提升了汽车安全性能。高强度钢主要用于安全件上，例如AB柱、车门防撞杆等关键部位。目前，欧美车身的高强度钢的应用比在55%以上，国内自主轿车的应用也达到了45%。

铝合金的密度只有不锈钢的35%，作为轻量化材料目前已在汽车上得到了广泛的使用。根据研究数据，汽车中典型铝制零件一次减重可达30%～40%，二次减重可以提高到50%。目前主要是5系列和6系列的铝合金用到应用到汽车车身，它们具有质量轻、强度高、耐疲劳等特点，在相同低质量的情况下可提供更大的强度。目前奥迪A8和A2，捷豹XJ均以实现了全铝车身，国内的轿车全铝车身也在新能源电动车上实现。

镁合金作为最轻的工程材料，较铝合金具有更低的密度。镁合金不仅是最适合铸造汽车零部件的材料，也是最有效的汽车轻量化材料。而镁合金鉴于种种原因没有得到大力推广和使用，目前使用的主要方式为铸造镁合金，已使用的汽车零部件有变速箱壳体、座椅框架和发动机托架等。目前，每辆汽美国车约使用3.8kg的镁合金，日本约使用9.3kg，欧洲已达到14kg，而国内平均仅1.5kg，仍有很大的发展空间。

塑料复合材料主要是由两种或两种不同性质的材料组成，复合后的性能较单一材料有较大的提升，具有密度小，比强度高，抗腐蚀能力好等特点，被广泛用在汽车内饰和外装件上。其中碳纤维复合材料具有密度低、性能好、耐高温、耐腐蚀和耐疲劳等特点，重量是钢的四分之一，但是强度却是普通钢材的数倍。迈凯伦通过在MonoCell的底板上通过充分使用碳纤维强化树脂，将底盘的重量控制在75kg。在奔驰推出的Smart Forvison概念车上，通过使用树脂制造，实现每个轮子减重3kg的效果。

4 结语

随着汽车工业的发展，汽车的轻量化已成为企业自身实力和企业责任的一种体现。本文主要从车身和零件的结构优化、先进工艺的使用和新材料使用三大方面对汽车的轻量化发展进行了分析。随着汽车慢慢成为我国经济的支柱产业，我国的汽车商应不断提高提高自身的实力，让每个国人都爱上中国车。

参考文献：

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[2]刘斌.安娜.汽车轻量化材料及制造工艺研究现状[J].科技创新与应用，2015（9）.

[3]胡朝晖.面向汽车轻量化设计的关键技术研究[D].湖南大学博士学位论文，2010.