汽车结构设计的轻量化设计探讨

2019-11-25钟全能

汽车实用技术 2019年15期

钟全能

（四川工业科技学院，四川德阳 618500）

前言

随着社会环境的改变和经济发展，推动了汽车生产领域的发展，人们日常出行越来越依赖汽车，因此需求量也越来越大。现阶段，环境以及能源问题是世界各国都面临的问题，而汽车的广泛应用增加了环境的负担，因此必须要积极探索，借助于适当的轻量化技术对汽车结构进行设计，提升汽车的刚度，另外还需要借助新能源加强对环境的保护。

1 汽车结构设计中轻量化技术优势

1.1 使得汽车结构设计得到优化

汽车生产设计企业在对汽车结构设计的过程中，通过科学合理的技术比如夹芯板的广泛应用，能够在一定程度上提高汽车结构的强度。这不仅能够节约生产材料，同时也降低了汽车车身重量。

1.2 使得汽车零部件设计得到优化

针对那些生产技术、结构和材料简单的汽车零部件进行集成处理，可以减少一定的汽车加工投入成本，目前轻量化设计技术也有了极其广阔的应用。在新型的拼焊板上应用轻量化设计技术可以使得汽车零部件的强度得到提升，并且提高了汽车的抗腐蚀性。

1.3 使得汽车零部件之间的连接方式得到优化

在汽车生产加工过程中，各个零部件的连接需要借助于各种材料，通过应用轻量化设计技术能够在一定程度上使得零件连接方式得到改进，这便可以减轻汽车车身的重量。借助于各种轻便的加工材料，进而使得汽车结构得以优化。

2 轻量化材料的应用

2.1 汽车结构设计的轻量化设计中高强度钢的应用

汽车的生产过程中，钢材料的应用最多，所以将高强度钢材料应用在汽车结构中能够减少钢材料的应用，进而减轻汽车车身的重量。一般钢的强化主要借助于下列集中有效途径。

2.1.1 加碳强化

我们知道，钢中的碳含量不同，钢的强度也就不同，要想有效控制钢的强度，就必须通过增加或者减少碳的百分比。基于此，可以将钢材料中的珠光体比例提升，使铁元素的含量有所降低，进而提高钢强度。

2.1.2 合金强化

将各类合金融合到钢中也能使钢强度得到极大的提高，并且合金元素不同，钢性能也不相同。因此，在钢中添加种类不同的合金可以扩展钢的使用范围。

2.1.3 固溶强化

在钢中融入锰元素、硅元素或磷元素等也能够有效提升钢的强度，这也是一种提高钢性能的有效方法。

2.1.4 热处理强化

通过温度的变化可以使得金属的物理结构有很大的改变，在冷热交替的条件下，能够提升钢强度。此外，经过热处理也能够使得钢中碳元素以及其它元素百分比有所改变，进而钢内部结构就会出现许多层各种性质的结构。

2.1.5 应力强化

在钢受到相应的拉力作用以后，极有可能极大的提升其屈服强度。这是由于钢材料在相应的应力作用后，其表面会有残存应力，残存的应力能够使得钢在使用过程中所受的扭转和弯曲应力得以抵消，进而提升钢的性能。

应用高强度钢的部件主要是车身外壳，其具有提升汽车外壳强度和经济性的优势。但高强度钢没有较好的抗腐蚀性。加之，镁铝合金等各种新材料的应用受到限制，所以高强度钢必将会长时间应用在汽车生产制造中。

2.2 汽车结构设计的轻量化设计中球墨铸铁的应用

相同体积的球墨铸铁比钢的重量低，大概为钢重的90%，所以在进行汽车结构设计过程中，应用球墨铸铁取代钢材料能够极大的减轻汽车车身的重量。现阶段，全球范围内的汽车企业以及相应的研发部门都在进行实验，以求球墨铸铁可以全面取代钢材料在汽车制造中的应用。此外，球墨铸铁还具有使许多零件集成为一个零件的特点。

2.3 汽车结构设计的轻量化设计中铝及铝合金的应用

通过适当比例的铝及铝合金来替换钢材料也可以在减轻汽车车身的重量，由于铝及铝合金性能比钢差得多，所以应用也较为困难。当前，为了使得铝及铝合金能够在汽车制造中得到广泛的应用，相关人员纷纷开始铝材料的研究：第一，对大型铝材和汽车车身的研究；第二，对铝材料在汽车车门替代钢的研究；第三，汽车零件的铝化研究。如果用铝及铝合金全面替代钢材料，就能够让汽车减重30%-40%。不过铝及铝合金材料的应用还不够成熟，必须要积极研发才能够全面替代钢材料。

2.4 汽车结构设计的轻量化设计中镁及镁合金的应用

就金属化学性质而言，镁具有极小的密度，是当下重量最小的金属，比钢的强度大，且还易于加工、具有较强的抗腐蚀能力以及减振能力。由此可见，镁无疑是最好的汽车制造的轻量化材料。不仅如此，镁合金的熔点和密度都极低，在进行融化时极大的降低了能耗，适用于复杂的加工。用镁合金取代铝、钢等材料是极其有利的，能够极大的降低车重，同时还能够提升车体的强度。另外，镁合金的回收也比较方便，镁和镁合金必将成为极其重要的汽车生产加工材料。

2.5 汽车结构设计的轻量化设计中钛合金的应用

受其物理性质的影响，钛是比较稀缺的金属，其熔点高达1600℃，因此钛被当做耐热材料使用。另外，钛的机械性能较好，具有极强的抗腐蚀能力，所以在许多工程中有着广泛的应用。通过钛合金生产加工而成的汽车零部件具有重量小、减振性能优良和使用寿命长的特点。起始阶段，钛合金仅仅应用在赛车部件上，能够提升赛车的性能。随着技术的进步，钛研发技术愈加纯熟，开始广泛应用在车门、消音器和相应的装饰部件上。当然，由于钛的提炼极难，只能在部分零件上使用钛合金不能全面应用于汽车制造上。

2.6 汽车结构设计的轻量化设计中精细陶瓷的应用

精细陶瓷是纯度极高的精细粉末通过特殊的工艺加工而成的，它不是金属材料，不过却有极高的机械性能，通常应用在汽车传感器和发动机上。

2.7 汽车结构设计的轻量化设计中塑料的应用

目前，汽车部件中也有应用到塑料，一般用于汽车保险杠上，借助于聚丙烯，填充石灰粉在保险杠上可以降低结构密度，所以通过塑料替换金属材料可以降低车身重量，而且塑料也有一定强度。可以应用在车灯、方向盘等汽车饰品上。

2.8 汽车结构设计的轻量化设计中复合材料的应用

在汽车领域不断发展过程中，汽车轻量化的主要方向是复合型材料在汽车制造上的应用研究。由于复合材料具有强度高、性能好、易成型的特点，因此全球汽车领域的汽车轻量化设计开始越来越重视复合材料的应用。复合材料应用在汽车结构中较成功的例子是道奇SRT-10 了，它综合使用了许多复合材料和相应的生产技术。在汽车结构轻量化设计制造中应用最广泛的材料有玻璃纤维增强材料、碳纤维增强材料和有机合成纤维复合材料等。

3 轻量化技术

3.1 借助于结构设计使得汽车结构轻量化得以实现

在汽车结构轻量化设计过程中，必须要借助先进的设计技术和工程结构，这是实现汽车轻量化的重要路径之一。例如将夹层钢板应用于汽车结构内，可以节省材料，节约能源。镁铝合金以及高强度钢材料是汽车夹层钢板外层结构的主要材料，并且夹层采用网楞型的钢板，不但有极轻的重量，并且能够很好的隔音。

3.2 借助于零件集成使得汽车结构轻量化得以实现

要想实现汽车强度及性能都不降低的同时减轻车身重量，应用零件集成也不失为一种好方法。将许多比较容易成型且易加工的材料集成为一体，能够使汽车车身重量得到极大的降低，同时也简化了汽车零件的加工步骤，减少成本的投入。许多塑料材料以及铸件都具备易成型、易加工的特性。比如借助于拼焊板技术使具备各种性能的钢板拼接于一体，能够提升其强度，而且具有较强的抗腐蚀性，此外还可以减少零件数量以及加工步骤，降低成本投入。