轻量化技术在汽车工程中的应用

摘 要：由于能源危机和环境问题的日益凸显，汽车工业面临着严峻的市场形势，轻量化技术作为先行技术对于提高汽车燃油经济性和减少排放污染重要的作用。本文分析了轻量化技术的研究现状，并从材料、结构、制造工艺方面论述了轻量化技术的应用，在此基础上对轻量化技术未来的发展趋势进行了展望。

关键词：轻量化技术；汽车；应用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.085

0 前言

现阶段，汽车工业的发展面临着三大严峻问题：即油耗、环保和安全，轻量化、环保回收及节约能源已成为全球汽车工业的发展趋势。针对此类问题，各国纷纷开始重视能源和环保议题制定了相应的法规，并提出了有效的改进措施。轻量化技术通过降低自身质量，从而达到降低油耗、减少排放的目的。

汽车轻量化技术是在保证整车品质和性能的前提下，通过合理的结构设计及使用轻质材料来降低自身重量。轻量化技术可以改善汽车的转向、加速、制动等行驶性能，降低部件振动和噪声，提高舒适性及耐久性。据统计，若整车质量降低10%则油耗降低6%—8%；若滚动阻力降低10%则燃油效率提高3%；若车桥、变速器等机构效率提高10%则燃油效率提高7%[1]。可见，轻量化技术对于提高整车燃油经济性具有重要的作用。

1 轻量化技术概述

轻量化技术是采用现代设计方法和理论对汽车产品进行设计，通过使用轻质材料，尽可能降低汽车的自身重量，并达到减重、降耗、环保、安全的目标。轻量化技术并非将原有设计小型化，而是保持汽车原有性能不受影响，有目标的减轻汽车重量，又能保证汽车行驶的安全性、舒适性和耐碰撞性。

汽车轻量化技术主要包括三个方面：合理的结构设计、轻量化材料和先进的制造工艺。在结构设计方面，常采用优化并排焊点、加强筋、减重孔等方式来达到轻量化目的，目前国内汽车结构设计已从最初仅依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等现代设计方法上来；在轻量化材料使用上，铝镁合金、塑料、复合材料等材料的运用进一步降低了汽车的质量；在制造工艺方面，成形方法和联接技术不断创新，如柔性化板材辊轧、剪拼焊接工艺技术、薄壁制造技术等，大大减轻了整车的重量。

2 轻量化技术在汽车中的应用

2.1 结构设计的轻量化技术应用

结构轻量化技术需对汽车总体结构进行分析和优化，从而实现汽车零部件的轻量化和整体化。结构轻量化技术需协调整车与系统、系统与系统之间的各种问题，利用CAD技术对各构件的形状、配置及板材厚度变化进行分析，利用CAE技术对各构件进行布局干涉分析和运动干涉分析[2]。形状优化法也是降低零件质量的一种先进方法，该技术可借助形状的变异来降低峰值或使应力分布均匀化。通过向承受高负荷的部位贮存材料，将承受低负荷的部位去除材料，零件的形状将按照避免出现应力高峰并使应力分布均匀来设计。这种基于生物学增长规律的形状优化方法，既可减轻零件质量，又可避免局部应力高峰。

2.2 材料的轻量化技术应用

轻质材料技术的应用大大减轻了汽车整车的重量，如高强度钢、铝镁合金、钛合金、工程塑料、玻璃增强材料、结构发泡材料等。与其他材料相比，高强度钢在抗碰撞性能、成本、工艺可行性方面具有较大优势，能改善汽车的安全和碰撞性能，减薄部件厚度、降低自身重量还可提高零部件表面的抗凹陷性和抗破坏能力，既能降低油耗还可提高安全性能。铝镁合金因其质量轻、比强度高、塑性好及易成型等诸多优点，广泛应用于汽车车身、底盘零部件等部位，随着材料及成型技术的进一步发展，其应用范围将进一步扩大。工程塑料和玻璃增强材料具有密度小、成型性好、耐腐蚀、隔振、隔音、隔热，普遍应用于汽车的内外饰件上。精密陶瓷材料是继金属和塑料发展起来的第三大类材料，具有良好的力学和化学性能，目前在飞机上应用较广汽车上应用并不多，但随着研究的不断深入未来将得到广泛应用。

2.3 制造工艺的轻量化技术应用

为了达到进一步减轻质量及降低成本的目的，除了开发高强度钢、铝镁合金材料外，还开发了一系列适应于这些材料的制造工艺，如激光焊接、液压成型、半固态金属加工、注射成型和喷射成型技术等。

激光焊接工艺采用各种复合板进行拼焊，改善了零部件的使用性能，降低了汽车自身重量，提高了汽车结构可靠性及安全性能[3]。液压成型工艺是将待加工管件或板料置于密闭模具中，通过流体介质使管件或板料在模具中变形成型，该工艺取代了传统的加工模式，提高了产品品质，降低了汽车重量和成本，广泛应用于汽车零部件如排气系统、后桥、发动机支架等。半固态铸造技术是将金属或合金材料在固态与液态温度区间内进行加工，主要分为流变铸造和触变铸造两种工艺类型，因成本较高应用较少。喷射成型技术采用高压惰性气体将金属液流雾化成大量细小的液滴，并使其沿喷嘴轴线方向高速飞行，并将其沉淀收集到具有一定形状的接收基体上凝固成沉积坯件。

3 轻量化技术展望

近年来，我国对环保、安全、节能方面的要求不断提高，出台了一系列的法规和实施方案。为此，汽车制造厂家和研究机构都致力于研究轻量化技术，从技术、成本角度分析和改善汽车材料和工艺，探索应用新材料、新工艺的可行性。同时，加快轻量化的设计和应用对提升我国汽车整体水平、行业国际竞争力、振兴民族工业都具有非常深远的意义。

现阶段，汽车小型化和轻量化是近、中期汽车排放目标控制的基础，汽车轻量化成为新能源汽车开发的重要课题，从可持续发展要求出发，研究和评估汽车轻量化技术成为重要方向。

4 结论

汽车工业作为国家经济发展的支柱产业，目前正处于高速发展的时期，轻量化技术的运用并不成熟。面对新的能源危机和环境污染问题，对汽车轻量化的要求显得越来越迫切。实现轻量化是衡量汽车工业技术成就的重要标志之一，现阶段我国轻量化技术的应用与国际先进水平尚有差距，通过制定政策、目标、措施，轻量化技术将取得重大创新成果。

参考文献：

[1]刘文华，何天明.高强度钢在汽车轻量化中的应用[D].武汉：武汉理工大学，2008.

[2]杜明义.用铝合金材料实现汽车轻量化[J].轻合金加工技术，2007（02）：11.

[3]王镝.现代车身设计的轻量化技术[J].上海汽车，2008（01）：15-19.

作者简介：曹学涛（1986-），男，河北衡水人，研究方向：汽车振动与噪声控制。