汽车轻量化设计探讨

阮帅帅 常亮 苏依顺

摘 要：“绿色环保”已成为时代主旋律，汽车轻量化势在必行，这将促进汽车工业领域的变革。当前一些新兴技术，如汽车结构轻量化设计、汽车材料轻量化技术、先进制造工艺等不断应用于汽车设计和制造。在此背景下，研究汽车轻量化发展方向显得尤为重要，这也是汽车业低碳可持续发展的必然需求。

关键词：汽车;轻量化;结构;材料;先进制造工艺

1 前言

随着国VI排放法规和双积分管理办法等政策的陆续出台，国家对汽车业提出了更为严苛的要求，汽车企业技术升级已不可避免。在此背景下，汽车轻量化设计成为未来汽车业的重要发展方向。汽车轻量化是指在保证汽车刚度、强度以及安全性的前提下，尽可能减少整车质量，进而提高汽车工作性能，实现低碳可持续发展[1-3]。

2 汽车轻量化的意义

2.1 助力节能减排

“绿色环保”已成为时代主旋律，有研究表明，当汽车整车整备质量每减少100kg，百公里油耗可降低0.3L～0.6 L，CO2下降近1kg。为应对突出的能源问题和环境问题，当今世界各国汽车业正致力于汽车轻量化技术的研发。

2.2 提升动力性能

根据牛顿第二定律F=ma可知，当发动机输出的力F一定的前提下，汽车的质量m越小，汽车获得的加速度a越大，动力性越好。资料显示，汽车质量每减少100kg，加速性能可提升8%～10%。因此，汽车轻量化也是现代汽车追求动力性的要求。

2.3 提高安全性能

汽车轻量化还有利于提升汽车安全性能。汽车制动所消耗的能量与汽车质量成正相关，当汽车质量越小，以相同初速度进行制动时，质量较小的汽车所消耗的制动能量也越小;若汽车采用的制动器相同，则质量越轻的汽车，制动距离越短。研究表明，汽车质量每减轻100kg，制动距离可缩短2m～7m。可见，汽车轻量化有助于改善制动性能，提高汽车主动安全性能。

3 汽车轻量化设计方向

3.1 结构轻量化

随着计算机辅助设计技术的发展，汽车工业迎来了新的发展契机。将CAD、CAE等先进的结构优化和设计方法应用于汽车轻量化设计，可以降低成本、缩短设计周期，又可通过对汽车车身、车上零部件模拟仿真计算，使得各零部件的结构在满足使用要求的同时，更轻、更薄、更紧凑。

同时，设计理念要更新，在保证汽车产品刚度强度的同时，可采用中空设计来减轻质量。比如对发动机曲轴进行设计时，在其主轴颈与连杆轴颈位置可采用空心结构设计、优化平衡重的数量、曲柄形状等方式达到轻量化设计的目的。

此外，可对车上部件进行模块化设计，形成车辆集成技术。例如在增压发动机中，可对发动机缸盖和排气歧管进行集成，不仅可以对排气歧管进行冷却，同时可以减小排气管法兰等联结零件的尺寸，从而减小整机尺寸和质量。据数据显示，采用此设计方法，一台排量为2L的增压发动机可减小质量2kg～3kg。

3.2 材料轻量化

汽车轻量化不仅要求对汽车产品现有结构进行改进，对汽车材料也提出了一定的要求。根据汽车轻量化技术路线图可知，汽车产业将从三个阶段逐步实现轻量化制造，并指出到2020年，汽车整车质量较之2015年需减重10%;到2025年减重20%;到2030年减重35%。根据规划要求，现阶段发展应以高强度钢和先进高强度钢技术为主，如在发动机曲轴制造时，可采用高强度球墨铸铁代替锻钢材料，使曲轴变轻;2021年-2025年将开发以钢铝合金为主线的轻型材料，同时加大对铝合金技术、镁合金技术、工程塑料技术、碳纤维复合材料技术的研发[4];2026年-2030年重点发展镁合金、工程塑料、碳纤维技术在汽车上的应用及其循环利用。在今后的一段时间内，研发高强度、轻质材料是汽車轻量化研究领域的一个重要方向。

3.3 先进制造工艺

伴随着轻量化材料的研发，相应的制造工艺也需要进一步升级。如何突破复杂零部件成型技术、异种零件之间连接技术，以及形成先进的产品测试评价体系等技术难点成为迫在眉睫的重中之重[5]。

3.3.1 汽车轻量化成型技术

目前，在汽车上应用的先进成型技术主要包括不等厚度轧制板技术、内高压成型技术、超高强度钢热冲压成型技术、低压差压铸造成型技术、辊压成型技术、高压铸造成型技术等。不等厚度轧制板是指通过计算机控制和调整轧辊间距，而轧制获得的连续变化的变截面薄板，适用于汽车纵梁、顶盖横梁、仪表支架等零件。内高压成型技术主要应用于加工车上沿构件轴线变化的规则形状截面或异形截面空心件。超高强度钢热冲压成型技术可通过热处理和高温成形相结合的方式实现零件的高强度。低压差压铸造技术的工艺品质较高，且可用于生产一体化设计的薄壁、中空、复杂的构件，如车轮、缸盖等。辊压成型技术应用于加工截面形状复杂多变的零部件。高压铸造成型技术用于高效生产集成复杂的薄壁构件，车上A柱、B柱等部位均采用了该技术。

3.3.2 汽车轻量化连接技术

汽车轻量化连接技术主要包括激光拼焊技术、锁铆技术、自锁铆技术、搅拌摩擦焊技术、热熔自攻螺钉技术、胶粘连接技术等。激光拼焊技术可将不同厚度、不同材质的金属薄板拼焊在一起，然后进行冲压成型，适用于车身、车门内板、轮罩板、车内地板等结构件，技术瓶颈为 解决大功率激光器技术难点。锁铆技术和自锁铆技术优势在于铆接点处具有较高的抗拉强度和抗剪强度，无需钻孔，一次成型，尤其是对于金属和非金属材料或多层材料组合的连接，具有明显的优势等。搅拌摩擦焊技术可应用在汽车覆盖件、发动机罩、车门等零部件的加工，难点是制造高效可靠低成本的装备，解决异种材料焊接头的稳定性和耐腐蚀性问题。胶粘连接技术是通过胶黏剂使两个部件之间形成不渗漏连接的技术，可应用于粘接顶棚、地板、车门密封条等处。热熔自攻螺钉技术可应用于车门内板、车身底板、行李箱盖等部位，该技术需要解决热熔自攻螺钉材料、连接工艺、接头防腐性能等难点。

4 结语

汽车轻量化不仅可以提升燃油经济性，减少排放，还可改善汽车整车的综合性能。汽车轻量化势在必行，这也将进一步促进汽车工业领域的变革。当前一些新兴技术在汽车设计制造中的应用还不够成熟，无论是轻量化结构的设计、轻量化材料的研发，还是先进制造工艺的改进和升级，都将成为今后汽车轻量化设计制造领域的重要研究方向。

高校访工项目资助：基于拓扑优化方法的汽车内燃机连杆轻量化设计

参考文献：

[1]王帅. 汽车轻量化现状和发展趋势分析[J].汽车实用技术，2019，11：242-245.

[2]王宇萌.汽车轻量化材料及制造工艺研究现状[J]. 内燃机与配件，2019，1：95-96.

[3]周伟等.汽车轻量化研究[J].汽车工程师，2019，1：21-24.

[4]李春晓.碳纤维及其复合材料在汽车领域的应用[J].新材料产业，2019，1：5-7.

[5]张琪等.汽车轻量化连接技术的应用现状与发展趋势[J]. 有色金属加工，2019，48：1-9.