轻量化成商用汽车未来的发展趋势

张露

辽宁航天凌河汽车有限公司 辽宁 朝阳 122500

前言

技术研究表明，同样的动力及传动系统，商用车的整车重量每减少10%，其油耗就降低6%-8%左右。巴斯夫公司也做过同样的研究，汽车每减少100kg重量，每百公里油耗就减少至少0.3L，对应的二氧化碳排放量也减少5g/km。所以，在汽车行业的改革中，轻量化可以作为节能减排的重要途径之一。《中国制造2025》也对轻量化的重要性进行了强调。这也使得很多汽车制造企业和研究机构都将轻量化作为重点研究对象。

1 商用车轻量化的定义和意义

汽车轻量化是指在确保汽车使用的性能、安全性及成本控制要求的基础上，通过使用新型的技术、材料及工艺来实现汽车的整体重量降低。使汽车制造逐渐的走向低能耗和低排放方向。从汽车的装备质量来考虑，商用车与乘用车相比在原材料应用上属于大户，对其进行轻量化的设计能够响应国家节能减排的要求，且汽车的轻量化设计也是实现能源节约的有效途径。

2 商用车的轻量化实现途径分析

2.1 汽车结构的轻量化设计

汽车结构的轻量化设计是从其拓扑优化和尺寸形状优化角度进行的。具体如下：

（1）汽车拓扑结构优化设计

拓扑结构优化是从经验目标函数角度进行的汽车结构的宏观优化，在空间范围给定基础上，不断的进行迭代来形成新的连接形式和材料的重新分布。去掉原有设计中的冗余部分，将部分零部件进行薄壁和中空化，使汽车宏观结构得到拓扑优化。拓扑优化主要运用数学运算及有限元进行结合分析进行的。

（2）汽车外观形状优化设计

外观设计主要是尺寸上的优化，对尺寸形状进行优化，对汽车的材料布局进行局部的细化和调整。尺寸形状的优化是在各项结构参数已经确定，材料分布也确定的基础上进行的。其优化的范围是围绕桁架结构所进行的横截面积，节点分布及各个结构结合尺寸的最优化处理，确保整车刚度不改变的情况下进行车身重量的最小化，尺寸优化是拓扑优化的深入，也是基于数学模型基础上进行的优化。

2.2 汽车材料的轻量化应用

（1）金属材料应用

汽车轻量化的实现还要依靠轻质金属材料。通过使用高强度钢、铝、镁合金可以实现车身重量的15%-60%的重量降低。①目前汽车的结构部件、安全部件以及保险杠等都主要使用高强度轻型钢；这种钢质量轻，强度大，成本低，能够在轻量化基础上提升安全性。用于汽车底盘，悬架及车身结构的钢质材料应用常添加一些合金成分来改善韧性及强度。②铝及合金用于汽车的轻量化生产已经比较成熟，铝及铝合金密度低，重量轻，弹性及抗冲击力强，比较容易着色。目前汽车的轮毂、动力系统及悬架系统都已经使用此类材料的零部件。奥迪、捷豹、路虎、福特等部分型号的车身结构都已经是全铝型的。铝合金作为轻量化的材料已经广被认可，随着铝合金成型及连接技术的完善，铝合金的轻量化应用将更加普遍。③镁及镁合金密度小，重量轻，强度比铝合金及钢都更有优势。但其不足之处在于高温疲劳和抗蠕变能力差，所以在汽车制造中的应用只是进行壳体及支架类零件生产，常见的仪表盘、变速箱体以及刹车转向支架等。我们具有丰富的镁合金，但其具体的成形应用还需要做深入研究。

（2）非金属材料应用

非金属材料在汽车轻量化中的应用主要是塑料及碳纤维。①塑料应用于车内饰、零部件，以塑代钢已经成为一个轻量化的发展趋势。②碳纤维复合材料密度小、耐腐蚀、强度及刚度强，在汽车的车身及底盘应用中，可以在确保刚度情况下减轻车身重量。

2.3 汽车生产的轻量化工艺

汽车轻量化实现除了在结构设计优化和材料应用上的改善，还要重点从生产工艺上进行优化,轻量化的部件生产在工艺上的实现主要是从连接及成形上开展，主要有以下几种工艺：

（1）锁铆连接工艺

传统板材连接以点焊为主，无论是生产效率还是成产成本都不够理想，也达不到车身轻量化的连接要求。锁铆连接在进行铝合金，镁合金的连接上，通过外力将铆钉穿透到第一层材料后，再向底层材料进行流动性的延展连接，呈现一个镶嵌式的互联性塑性连接，有效的提升了板材的抗拉及抗剪强度。在进行异种材料及表面有镀层的板材连接时优势更加明显，所以锁铆连接用于汽车的轻量化设计将会有广阔的发展前景。

（2）粉末注射成型工艺

粉末注射技术作为一种新型的近净成形技术，是在原始粉末冶金基础上与现代塑料注射成形的工艺结合。其在轻量化设计中的应用主要是可以实现致密度高、力学性能优良、表面粗糙的小部件。另外，在车体形状较为复杂的零件生产上也具有较可靠的应用。粉末注射成形的生产效率非常高，能够提升汽车生产的轻量化，降低生产成本。无论是经济可行性还是技术可行性都有优势。粉末注射成形在轻量化的汽车生产应用上，主要是用于制造汽车的动力传输部件、涡轮增压器、燃油喷油器以及安全气囊灯嵌入型元件、电动门锁和压力传感器等部件。

（3）高压成型工艺

内高压成形也可称为液压成形，最早于上世纪初作为软模成形技术进行应用。这项成形工艺可以适用于形状复杂、外观质量要求高度一些大型板材零件的生产。使得复杂板材的部件生产更加简单，柔性化和快速化，降低生产成本。高压成型主要是板材和管材的生产，比如，汽车车身的覆盖件就是板材高压成型。而汽车的曲轴、排气管及支架梁等形状复杂的管件类也是靠高压成型。

3 结语

总而言之，汽车制造行业作为国家经济的重要支撑产业，其未来的发展受到广泛的关注。在当前不断加剧的能源危机和环境污染危机下，汽车的轻量化已经作为未来的主要发展趋势成为汽车行业的发展必然。从国内轻量化的商务用车技术应用来看，距离世界先进水平还有差距。这就要求从汽车的轻量化结构、材料集工艺等几个方面深入研究，通过综合的轻量化汽车制造来实现汽车行业的可持续性健康发展。