汽车轻量化技术发展现状及展望

冷仕康 张广为 邵聪 王雨雨

摘  要：汽车轻量化是当今汽车工业发展的重要趋势。汽车轻量化是指在保证汽车整体性能不降低，成本不增加的前提下，尽可能地减轻汽车质量。本文从材料、制造工艺和结构优化三个方面具体介绍了汽车轻量化的相关技术，并对未来轻量化技术的发展进行了展望。

关键词：汽车轻量化;材料;制造工艺;结构优化

引言

随着世界各国对于节能环保要求的提高，再加上新能源汽车的快速发展，各国政府对于汽车排放的要求也越来越高。为适应可持续发展的要求，我国各地也将从今年下半年起，陆续实施国Ⅵ排放标准。世界各大汽车制造企业纷纷投入轻量化的研发中，以适应不断变化的环保节能要求，提高企业核心竞争力。据相关实验表明，汽车质量减轻10%，燃油效率可提高6%-8%，排放降低4%，汽车的操纵稳定性和动力性将得到一定程度的提高。无论对于传统汽车还是新能源汽车而言，汽车轻量化已成为汽车行业一个重要的研究方向和发展趋势。汽车轻量化现阶段主要是从材料、制造工艺和结构优化等方面进行研究。

1 轻量化材料的应用

1.1高强度钢

高强度钢是指屈服强度为210-550MPa的钢材，超过550MPa的钢为超高强度钢。先进的高强度钢主要有双相钢（DP）、复相钢（CP）、相变诱发塑性钢（TRIP）等。高强度钢具有良好的抗碰撞性能，加工工艺比较成熟，成本较低，因此其应用最为广泛，是轻量化的最直接和有效的材料。它是我国企业钢为主传统燃油乘用车轻量化的主要材料。在未来一段时间内，高轻度钢和超高强度钢仍会是汽车的首选材料，发挥其不可或缺的作用。

1.2轻质合金材料

轻质合金材料主要有铝、镁合金材料。铝合金具有密度小，耐腐蚀性好，塑性良好的特点。它主要应用于车身、发动机零部件、底盘等部位。在保证力学性能的前提下，其减重效果明显，能吸收较强的冲击，且可回收性好，有利于材料的可持续发展。镁合金具有比铝合金材料更好的轻量化效果，且具有阻尼减震，散热性好的特点。它主要应用于汽车零部件、座椅骨架、转向盘等部位。由于加工工艺和原材料成本的问题，铝镁合金材料的应用受到限制。但随着相关技术的发展和材料成本的下降，铝镁合金材料必将扮演越来越重要的角色。

1.3塑料及复合材料

汽车上采用的塑料由最初的PVC和PUR，拓展到现在的工程塑料。塑料具有质量轻、防锈、吸震等特点。它主要应用于汽车内外饰以及仪表板、油箱、挡泥板等结构件。复合材料应用主要有玻璃纤维增强塑料（GFRP）和碳纤维增强塑料（CFRP）。其中碳纤维增强塑料的性能最为突出。纤维增强材料由增强纤维材料与基体材料复合而成。它具有较强的耐久性，抗腐蚀性和良好的可塑性，能保证足够的结构强度。塑料及复合材料的应用比重的增加，将会大大减轻汽车质量，其在未来一定会有很大的应用和发展前景。

2先进的制造工艺

新型材料的发展必须有与之配套的成形工艺技术和连接技术，以实现高强度钢与铝镁合金等新型材料的生产以及不同材料之间的连接。

2.1成形技术

先进的成形技术主要有热成形技术、液压成型、内高压成型等。其中，热成形技术是一种将高强度钢材加热到奥氏体状，再进行液压成形，快速冷却，将奥氏体转化为条状马氏体的成形技术。通过此过程可有效改善零件的延展性，精度、强度和表面硬度均得到提高，而且质量得到减轻，轻量化效果显著。

2.2连接技术

（1）无铆钉铆接

无铆钉铆接是一种通过冲压过程，利用材料自身的可塑性，挤压成相互镶嵌的圆点或矩形點而将层层板件连接起来的机械连接工艺。它以其简单的工艺过程和较低的成本，在汽车车身制造过程中得到广泛应用。

（2）激光拼焊

激光拼焊是一种将不同强度、不同厚度、不同材质的零件，通过激光焊接组成一个整体的焊接技术。它充分发挥了材料的优势，满足了零件对材料性能的不同要求，提高了材料的利用率，得到了一个最优的性能组合，从而实现轻量化的目的。

（3）冷金属过度焊接

冷金属过度焊接（CMT）是一种全新的MIG/MAG 焊接技术。它将焊丝运动与焊接过程进行了结合，通过严格地控制熔滴在过渡过程中的电流，来降低焊接过程的热输入。它主要应用于钢和铝之间的连接。

3 结构优化

汽车结构优化主要集中在尺寸优化、形状优化、拓扑优化等方面。尺寸优化通常在保证零件或结构在满足强度、刚度等性能要求的情况下，减小梁的截面的面积、减小零部件厚度等，实现结构小型化，从而减轻质量。形状优化是指合理设计零部件的几何形状，如对零件采取中空化、薄壁化的设计，使其仍满足原来的性能要求。拓扑优化是一种给定性能指标、材料、约束条件等，在一定空间内对材料分布、构件布局和连接方式进行优化的方法。

以CAE/CAD/CAM为代表的计算机仿形设计在结构优化上，已得到广泛应用。通过对汽车结构进行建模，对结构的刚度、强度、疲劳强度等参数进行模拟分析，根据分析结果对结构进行优化，以实现结构的最优化。

4 结语

汽车轻量化是一项复杂的系统工程，依赖于相关技术的共同发展，同时还涉及到经济、环境、安全、政策等多方面的因素。我国汽车轻量化现阶段发展已取得一定成就，但相关的理论研究与国外相比还存在着很大的差距。相信随着技术的发展和成本的不断降低，汽车轻量化在将来会得到更好的发展。

参考文献

[1]  孙建亮，王立新，康医飞，等. 汽车轻量化材料及连接技术现状分析[J]. 汽车实用技术，2018（24）：261-263.

[2]  任立新. 汽车轻量化材料及连接技术现状分析[J]. 城市建设理论研究，2018（28）：178.

[3]  郭玉琴，朱新峰，杨 艳，等.汽车轻量化材料及制造工艺研究现状[J]. 锻压技术，2015，40（3）：1-5.

[4]  聂采顺. 汽车及零部件轻量化技术现状及研究方向[J]. 汽车实用技术，2015（9）：29-32.

[5]  乐雪胜，孙东洋，刘明. 浅谈汽车车身设计与制造工艺新技术[J]. 汽车实用技术，2019（7）：121-122.

[6]  于艳敏. 新能源汽车轻量化技术应用现状[J]. 汽车工程师，2018（11）：51-53.