轻量化技术在汽车工程中的应用探讨

2019-11-30崔子成

科技与创新 2019年14期

崔子成

轻量化技术在汽车工程中的应用探讨

崔子成

（阜新高等专科学校，辽宁阜新 123000）

汽车工程的发展过程中轻量化一直是发展趋势，在保证汽车整体功能的情况下采用轻量化技术，提高汽车的质量、安全和稳定性，对于汽车工业的发展有重要意义。推动轻量化技术在汽车工程中的应用，需从材料、结构设计和制造工艺等多方面入手，开展轻量化技术应用于汽车工程的探索和研究工作。

汽车工程；轻量化技术；车身设计；技术应用

轻量化技术在汽车工程中的应用主要是采用现代设计手段优化汽车产品设计，在确保汽车性能的情况下，使用新材料降低汽车产品质量，从而达到节能降耗的作用。轻量化技术的应用需要材料的开发利用、结构设计的优化及先进的成形技术共同完成，在汽车工程中具有良好的应用前景和重要的意义。

1 新型材料在汽车轻量化技术上的应用

1.1 铝合金的应用

铝的密度低，导电性和导热性好，具有良好的塑性，加工方便，铝合金在轻量化技术材料中应用广泛，在汽车车身、底盘以及发动机中都可以应用，部分新型铝合金材料也在汽车轻量化趋势中开始应用。但同时铝合金的应用成本较高，如何在保证汽车功能的基础上控制材料成本，是铝合金在汽车工程应用中需要解决的问题。

1.2 镁合金的应用

镁合金应用于汽车工程，主要分为非结构铸件和结构铸件，其中非结构铸件不需要承受较大的冲击力，应用于汽车的变速器、离合器壳以及发电机罩等，结构铸件需要满足一定的冲击要求，并且承受一定的荷载，应用范围包括方向盘、仪表盘、座椅框架和离合器支架等。新材料研发过程中，镁合金的强度在不断提升，应用范围也进一步扩大，并逐渐向发动机和外车身转变，应用于缸体、缸盖、发动机罩盖等[1]。镁合金回收容易，是典型的绿色结构材料，具有明显的资源优势。中国镁资源储量丰富，面对传统金属矿产日益枯竭和全球性技术革新、资源浪费和开采污染、固体废弃物污染的现状，加快研究镁合金在汽车工程中的使用具有重要意义。

1.3 钛合金的应用

钛合金主要应用于发动机配气系、曲轴连杆结构和底盘零件中，也可以用于消声器和车轮，钛合金材料主要应用于赛车，现在逐渐向批量生产的轿车扩展。但钛合金还没有应用于车身上，国外对于钛合金在车身上的应用还在研究和探索中。由于钛合金零件的出色性能，材料生产和加工成本在逐年降低，在汽车领域的应用范围将进一步扩大。

1.4 高强度钢的应用

高强度钢性能好，成本低，可应用于车身的大部分零件，满足车身的轻量化，并提高装机安全性。高强度钢的使用量越来越大，用户对于车辆的安全性能要求的提高也使高强度钢的应用效果越发明显。高强度钢的强度得到提高，而且车身减重比铝合金更有效，车辆的强度、碰撞安全等级也在提高，对于满足汽车轻量化和安全性能的要求有重要作用，增加了汽车的安全性，降低噪声和行驶中的振动，提高了燃油效率，减轻了汽车的总质量，使汽车的加速性和驾驶性能得到了有效改善[2]。高强度钢主要应用于加强板、固定板、发动机支架、悬架支架、油箱固定板以及底板横梁加强板等。

1.5 工程塑料和复合材料的应用

工程塑料密度小，塑性好，耐腐蚀，防震，隔音，隔热，在汽车制造上的应用非常广泛。复合材料由工程塑料和增强纤维复合而成，密度小，设计灵活，易成型，耐腐蚀，隔电，抗冲击，抗震，可以有效减轻汽车的质量。工程塑料在汽车工程上的应用范围正在向车身结构件扩展，工程塑料的复合材料、高性能树脂等的应用正在增加，工程塑料的可回收性也逐渐受到重视。复合材料可以应用于车身的覆盖件，比如车门、车顶板、导流罩、车厢后挡板等，甚至可以应用于全部车身。

1.6 其他材料的应用

在新型材料中精细陶瓷具有优良的力学和化学性能，具备耐热、耐腐蚀、耐磨等优势，广泛应用于汽车发动机燃烧室和热交换器，使燃油消耗大大降低。蜂窝夹层材料广泛应用于飞机，刚性高，强度高，密度低，在汽车上的应用研究正在不断的探索过程中。玻璃增强材料密度小，强度高，耐腐蚀，隔音，隔热，可以应用于复杂形状的零件，成本低，玻璃增强材料可以替代金属材料，应用于保险杠、防撞杆、前翼子板、后背门上。纺织复合材料可以与现代复合材料相结合，克服传统复合材料中力学性能不均匀、损伤容限低的缺点，比强度高，比模量高，抗疲劳性能高，柔软纺织复合材料可以应用于内外装饰以及车用管材，纺织混合材料可以应用于制造车身零件[3]。高强度结构发泡材料质量精，可以制作复杂形状的零件，加强效果明显，提高整车刚度，并且可以回收使用，主要应用于车辆的声音吸收罩和仪表薄板。

2 车身设计在汽车工程上的应用

2.1 优化结构设计

在满足汽车使用性能的基础上，减少零件数量，去除冗余，改变零件结构，实现汽车的轻量化，开发更适合的设计方法，优化造型设计，设计零件轻结构形状，根据实际的结构设计优化零件结构。

2.2 分析优化汽车实体结构布局设计

要实现汽车结构的优化，就要对汽车总体结构进行分析优化，实现汽车零部件的轻量化，在汽车轻量化过程中要协调设计与整车之间出现的矛盾，准确实现车身实体结构和布局设计之间的结合，采用轻质材料零部件，满足车身设计的各项要求[4]。

2.3 优化拓扑设计

在汽车概念设计早期优化结构材料布局，决定产品的最终形状，从而决定产品的基本性能，在车身轻量化设计中大量使用拓扑优化，可以保证车身结构设计后续形状和尺寸优化，从而极大地提升材料利用率，改变传统的设计观念，提供给设计人员更加充分和精确的设计依据，避免内部复杂零件设计的盲目性，减少设计缺陷，提高材料利用率，减轻车身质量，从而提升零件的总体性能，保证零件最佳性能，减少支撑整体的不必要的复杂结构，降低生产成本。

2.4 实现形状优化

实现形状优化，可以减轻零件质量，延长零件寿命，根据经验模拟生物学增长规律，避免应力集中，使其在标准荷载作用下表面均匀应力，利用形状的变异，来使应力分布均匀化，向承受高负荷的部位贮存材料，承受低负荷的部位则去除材料，避免出现应力高峰，使应力分布均匀。

3 制作工艺在汽车工程上的应用

3.1 激光焊接

激光焊接工艺可以用于复合拼焊板，用于制造轿车零件，改善零件的使用性能，降低汽车总质量，提高了汽车的安全性，减少结构质量和材料消耗，减少总体的零件质量，加强元件，提高车身质量的稳定性，使车身在冲击下可以保证强度均衡[4]。

3.2 液压成型

液压成型是将要成型的管件放在密闭模具中，再将流体介质引入管件内腔，增加水的压力，使得管件在模具内变形，成为所需要的汽车零部件形状。液压成型技术逐渐取代传统的生产工艺，零件品质提高，数量减少，可以减轻汽车质量，降低制作成本，用于生产T型接头、排放系统、发动机支架以及各种结构样件等。

3.3 半固态铸造

半固态阶段是由液态向固态的转变过程，金属材料在此阶段既存在固态又存在液态，在这一温度区间内加工，形成最终的成品形状，称为半固态铸造技术。半固态成型技术包括流变和触变铸造两种，工艺简单，消耗能源少，成本低，但对于流变铸造中的金属输送要求比较严格且困难，因此实际应用比较少，触变铸造为半固态铸造技术的主体，但触变铸造成本高，消耗能源多，工艺复杂，其应用也受条件限制。

3.4 喷射成型

喷射成型是一种成型加工技术，起源于传统的快速凝固粉末冶金工艺，其原理为采用高压惰性气体将金属溶液雾化成大量细小的液滴，使其根据轴线方向高速飞行，在液滴未完全凝固之前，将其沉淀收集到一定形状的接收基体上，并通过合理设计控制其运动方向，从液态金属中直接制取具有快速凝固特征的管坯、盘坯、圆盘等形状的坯件，主要应用于制造发动机中的一些关键零部件。

4 轻量化技术在汽车工程中的应用前景

汽车工程的轻量化是汽车未来设计发展的趋势，在动力驱动、节能降耗和节能减排等方面都有重要的应用意义。中国的汽车轻量化技术还面临着更多难题，与国外具有较大的差距。轻量化技术涉及多个领域，是由多学科交叉形成的综合性体系，在目前的研发体系中还多为单科的研究，很少实现各学科间的交叉融合。轻量化技术的核心技术不可能由单科或科研机构独立完成，必须进行多种学科的战略性部署和融合研究，但是目前此类科研机构还没有建立，产学研结合不紧密，缺乏明确的定位和分工，研究与开发方面的衔接不足，企业规模较小，科研开发能力弱，缺乏充足的研发人员。目前的趋势是结合全国轻量化技术优势，开展产学研一条龙，实现技术资源共享，积极推进多学科间的合作交流，实现科研成果转化，建立一定的检测规范和标准，建立起相关产业人才培训基地和科研机构。