轻量化技术在汽车工程中的应用探讨

轻量化技术在汽车工程中的应用探讨

李学民

清华大学苏州汽车研究院（吴江）  江苏省苏州市  215200

摘要：目前除了世界经济工业的整体快速稳定发展，汽车工业同样也已取得出了较长足阶段的稳定发展，汽车污染现象的长期存在同样也是促使着各国政府部门对工业废气污染物排放治理给予到了空前高度和关注，从而逐步使整车轻量化的技术研发成为当今汽车工业领域的下一个技术全新方向。汽车轻量化技术的设计。 从而使汽车的基本性能，如动力性、燃油消耗性、排放污染性等，本文将结合轻量化技术在汽车工程中的实际应用，根据轻量化技术的技术指标，选择结构材料，以期为汽车未来发展提供一定的辅助作用。

关键词：汽车；轻量化技术；结构材料；应用

引言

随着到当前的我国汽车经济总量规模的进一步而迅速地快速增长，汽车制造业领域中尽管它取得了的了其的巨大技术经济成就，但实际上它同样也将因此所付出着的了的极其的巨大的社会劳动力资源成本投入成本和能源环境成本。毫无疑问，节能和减排具有更大的全球意义。各国越来越重视控制车辆尾气排放。都出台了政策和法律减排，促进汽车制造商开发新材料、提高能源效率的新技术和长期排放目标、控制二氧化碳排放、积极领导汽车制造商、企业和投资机构的设备制造轻重量无疑是实现节能减排和提高范围的主要途径，无论是对于传统燃料车辆还是新型能源车辆。为了夺取市场，各大汽车公司正在投入资金开发用于研发的全轻型汽车。轻使用轻质超高磁强角钢、铝合金、镁合金板和高强碳纤维复合材料等超轻材质是一个关键因素。本文重点从这几个专业角度全面介绍阐述了城市轻轨技术，重点是介绍研究了国内主要的轻轨材料产品的材料性能特点结构和产品应用现状。

1 汽车轻量化发展现状

轻量化仍是中国目前对汽车的节能环保减排措施最有效直接的推进途径方法之一，为此，我国将在税收政策方面逐步加大公共财政对促进汽车行业轻型量化发展的税收政策支持措施和税收改革扶持力度，把政府部分社会效益优先转化表现为税收政策对发展轻型量化的企业政策的积极支持。只有通过这样政府才能有效发挥现有汽车企业加快提升车辆轻型量化生产水平工作的内生积极性，科学、规范运作的质量安全标准体系，全面和增强提升企业集团在内部安全和管理机制、产品质量、运行风险监测、售后服务、事故第一响应及处置、网络安全管控等诸方面工作的核心安全质量保障的能力，提升整个新能源汽车企业安全生产水平，推动全国新能源汽车发展产业高质量持续发展。

图1-1 2017-2022中国汽车和轻量化专利申请数量

作为能够顺应当前及整个中国汽车行业趋势的设计方法和现代制造领域主流技术，轻量化整车概念设计要在短期内想顺利落地应用则是非常复杂系统又复杂又严谨的一项复杂的系统工程，需同时考虑其在替代传统动力汽车领域中保证客户对其整车最基本安全性能方面的整体使用的性能要求、安全性要求和有效提高了其核心零部件成本效益与品质控制的性能要求等要求的基础前提下，应用了一系列的新产品设计、新材料、新技术手段来实现进一步地实现零部件制造商对其汽车整体质量结构的全面的减重，涉及到了其整车产业链系统内的所有其他的各个重要环节。

2 汽车轻量化的目的及其原理

2.1 汽车轻量化的目的

2.1.1 基于环保的考虑

百公里车型的实际油耗则大约可平均可降低到在0.3克以上-在大约为0.6微升，CO2与废气总排放的量则约可平均可减少到至在约在5公g/每km。由此可见，汽车整体采用的轻量化技术结构将可以进一步大幅的提高其整车燃油效率排放比性能和可以进一步大幅度降低汽车行业整体油耗，进而大大有利于实现环保理念及绿色节能。所以，汽车全面应用高性能轻量化环保材料结构已是渐近成为世界众多大汽车企业追求发展战略的最普遍和共识。

2.1.2 倒闭汽车制造技术的升级换代

目前的车辆总体轻量化趋势虽然一个主要的原因也是整车能够相对减少某一部分汽车自重，但是，车身却仍将作为现代载货汽车设计中使用的这一类型主要的刚性承载件，需要使整车可以保证能够拥有足够较多的高抗扭刚度、强度比和较低疲劳强度等安全耐久方面的良好性能，从而同时也会使到其整车还能保持具有相对更加的良好而稳定可靠的车身结构安全、振动及噪音安全性能和耐久安全的性能，而整车的轻量化的设计思路无疑都已是对所有这些上述的关键要素也是提出来有了一个更高了的技术性能要求，这无疑势必是对倒闭的传统汽车零部件生产制造工艺进行新技术更新和产品升级换代与改造也无疑也都是一大刺激。
2.2 汽车轻量化的基本原理
2.2.1 保证足够的刚度

刚度性主要是指的一般都是特指汽车材料及其本身能抵抗一切自然的外力的扭曲及变形等作用产生的良好弹性能力，通常也是指在现代车身结构和开发的应用设计中特指了车身材料或本身具有在遇到外力和屈服的作用条件前可以保持的一种最佳车身弹性特性，良好稳定可靠稳定的车身刚度性能也是汽车提高其整车动态的NVH性能、车辆动力性能指标和提高车身静态疲劳耐久性与静态耐久的综合安全性能指标等的一项主要设计基础，常见车辆的动态刚性评判主要强度指标主要包括指标有车身强度抗弯扭转抗弯曲刚度等。

2.2.2 保证足够的强度
车身如何受力来保证整车具有的足够强度好的车身强度强度能力通常是指整车材料零件结构当长期受到各种外力及冲击变形等各种载荷损伤后在发生应力形变等屈服变形损伤处理后对其变形仍完好还能保持完好状态维持所使用各种功能部件状态的技术极限能力，常用取之于人们对其车身强度耐各种碰撞载荷及使用安全性、耐冲击极限能力值等各技术性能参数指标的一种全面评估。
2.2.3 保持良好的疲劳耐久性能
车身构件要能够保持使其功能良好与稳定运行的能力耐疲劳性与疲劳耐久性能疲劳性能耐久疲劳性能主要指是指在汽车零件材料结构受车辆长期交变载荷或磨损变形后使其满足维持车体固有使用功能时需要保持的一个极限能力，车子部件整体的使用安全及可靠性、耐用性能力也就是完全可以是基于此理论而通过进行的定量分析评估后得出的。

3 轻量化技术在汽车中的应用

3.1 结构轻量化

3.1.1 结构优化技术

整车制造开发工艺流程图中一般也会要求对车辆初始部件设计时进行连续多轮的拓扑结构的优化。拓扑优化一般是说在原始零部件概念和设计研究阶段，基于初始零部件材料的主要工作载荷状态，使这些材料结构在初始设计的空间区域内进行拓扑优化与分布，以实现获得最优状态的材料拓扑结构。尺寸几何优化结构及结构形状设计优化主要是建立在几何拓扑优化模型的建立基础模型上，进一步地调整结构局部空间的各种材料进行分布、形状、形貌变化等一系列详细结构设计，以实现获得一个最终有效的优化结构方案。各种尺寸结构设计优化基本原理图如下图3-1 所示。

图3-1 结构优化图

结构优化技术已在汽车结构设计中有了较多应用。庄海涛等对某车型转向节进行了优化设计，转向节的材质为40Cr，质量为4.29 kg，优化后质量为3.9 kg，减重0.39 kg，减重比例为9%。

图3-2 控制臂结构优化过程

在现代汽车零部件开发设计应用过程中，结构的优化在设计整车的设计同时，一般还会注重结合一些轻量化新材料等的开发合理设计使用，可以获得整车更好的节能减重环保效果。

3.1.2 轻量化结构材料

目前，汽车轻量化材料主要包括超高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料、碳纤维复合材料等，典型材料的强度对比如表3-1所示。

表3-1 典型材料的密度、抗拉强度和比强度

在汽车设计及制造中，从成本、工艺成熟度、性价比等角度考虑，钢铁材料仍会在一段时间内占据车用材料的很大比例，从3-1中也可以看出，先进高强度钢的比强度已不低于甚至高于某些铝合金和镁合金。

3-2 轻量化工艺技术

汽车轻量化相关的工艺技术主要有热冲压成形、激光焊接、液压成形、结构胶粘接等，热成形和液压成形零部件应用较为广泛。在汽车制造中，热冲压成形工艺主要用于钢铁材料的加工，Mn-B系钢应用最为广泛，如22MnB5、38MnB5等；液压成形主要应用于管类零件的生产加工。

热冲压成形工艺是将热冲压成形用钢加热至奥氏体化，在奥氏体温度区间保温一段时间后，快速转移至热冲压模具中进行成形和淬火，工艺过程如图3-3所示。

图3-3 热冲压成形工艺过程及其演变

目前，热成形件主要应用在汽车安全件上，如车门防撞梁、B柱加强板、地板纵梁、门槛梁等零部件。汽车车身典型热冲压零件如图3-4所示。

图3-4 汽车车身典型热冲压零件

液压气动注塑模具成形液压系统主要通过使用压缩式空气喷嘴对模具管等异形注塑件模内腔材料均匀施加喷塑液压力，使料材其内部表面组织在整个模具型腔范围内均逐步均匀发生热塑性膨胀及弯曲变形，从而完成最后工序得到的成品模所需之几何形状，其成型整个的工艺过程可大致为如图中第3步骤-第5个步骤所示。与传统直接冲压加工成形出的焊接零部件数量相比，液压成形件就形成可以完全通过机械直接成形锻压后得到成品的一个具有几乎完全半封闭成型的内腔结构特点的薄壁零部件，减少多了另一个焊接及装配等工序，可以比较轻松的达到了大幅度地减少了焊接零部件数量带来的焊接质量效果，同时它更显著能地明显的提高到了焊接零件强度性能要求和抗弯曲刚度，轻量化制造技术效果就更明显。

图3-5 管件液压成形工艺过程

3.3 主要轻量化结构材料

3.3.1 高强度钢

钢材自身的可拉伸弯曲强度数值和可屈服的塑性值之间所存在着的相互对应的关系一般来说也是会呈现出相互抵消的矛盾显示出来的，强度值之间的关系相对数值升过高一般就只会是显著地降低钢材了的塑性系数值和提高钢材韧性。传统牌号主要特征是汽车冲压零件用钢其极限抗拉强度值及与断裂时伸长率曲线间的大致比例配合的关系图形如下图3-6中所示。不同质量等级的高强钢种的具体生产或用途也均不同。烘烤后硬化钢片特别是适合广泛用于冲压和成型各种汽车结构用的钢板外覆盖件，具有钢板在进行冲压后或进行成形时烘烤定型前表面塑性应较平整柔软、形状和稳定等性能比较好和对变形钢烘烤后成形处理后产品的抗热变形或凹陷变形处理性能要求也较高等一些优良特点。双相钢和高温相变诱导塑性钢等尤其较适合地用于快速冲压快速成形精密结构件和大型结构安全件焊接等，具有较高强度、高塑性的耐碰撞及变形冲击吸收的综合变形性能表现良好和同时具有更高耐磨性的抗疲劳及弯曲强度性能的优异稳定性等特点。

图3-6 主要汽车用钢抗拉强度和伸长率的关系

3.3.2 铝合金

铝合金材本身重量的相对总质量密度通常也约等同为同类优质铝合金钢质重度的约至少有1个/3，且也因为它具有的超高的比强度特性和因为其自身优秀且良好耐用的表面加工与防腐及保温绝热性能，在当今各类大型车辆结构件及制作过程上所获得的许多新材质应用价值已得到逐渐大幅度的显著增多。汽车部件生产制造安装工程材料中曾经主要大量使用生产过的特种高强度铝合金材质的主要金属品种包括有铸造铝合金和可变形高强度的铝合金。

表3-2 我国铝合金牌号和对应的合金系列

3.3.3镁合金

镁合金密度仅约只为一般钢重的近2/9、铝比重的约2/3，轻量化改造效果较显著。镁合金材料在室温状态是密排六方孔结构，滑移钢系比较少，塑性与变形塑性能力普遍较差，汽车制造业上所应用得到的镁合金产品主要也是铸造型镁合金。镁合金材料按照工艺体系主要是分为Mg-Zn、Mg-Al系列和Mg-RE系合金，镁合金原材料的设计生产以及加工装配成本相对过高和与同行业技术水平较大的产品差距仍是发展镁合金技术所需要面临着的其中一大现实难题，但近几年各项的研究也进展也较快，在民用汽车产品上得到的开发应用材料逐步得到增多，主要应用有电子仪表板和管桥梁、变速器壳体、座椅骨架等。

图3-7 镁合金在汽车零部件上的应用

3.3.4 碳纤维复合材料

目前，碳纤维复合材料车的汽车零部件应用生产技术中还存在尚存在或其他有诸多生产瓶颈技术限制技术和管理因素，如材料制造设备成本要求普遍较高、工艺与操作条件复杂、难控制降解或回收率快低等，制约影响到决定了在将来难其能获得较大规模的产业化应用。随着该材料技术结构方面的得到日益深入进步及发展水平及材料生产成本的逐年的得到持续地降低，未来几年它也必将能继续应用在各种汽车用途材料上且能够逐渐得到越来越多地成功地的商业化应用。

4 结语

汽车整体轻量化整车技术体系涉及零部件结构、材料、制造设备等多个关键环节。在现代汽车制造开发生产过程系统中，结构材料和设计制造开发工艺技术的设计优化理论已相对日趋接近成熟，进一步结构优化尚需通过大幅投入提升研发技术平台和技术工艺，导致技术成本费用的显著增加和生产研发投入周期持续的大幅度延长等；而新材料研发的规模化应用也成为未来汽车产品轻批量化开发的一项有效新技术路线，汽车整车厂、零部件厂等及其他相关汽车材料开发生产加工企业已经加大产品了化研发生产和规模化推广生产的力度。汽车的轻量化的材料可谓多种多样，每一个种子材料也都是有他各自的优势点和不足，多种的材料需要混合一起使用，将这些合适自己的材料组合用好在自己恰当使用的位置，是汽车未来白色车身材料轻量化应用发展未来的主流方向。

参考文献

[1]伍杰, 李理, 毛祖莉,等. 轻量化汽车用拼焊板冲压成形性能研究现状与展望[J]. 焊接技术, 2019(10):5.

[2]林远长, 王锐, 石珍,等. 轻量化汽车焊接机器人视觉测量及焊接轨迹跟踪[J]. 机械设计与研究, 2018, 34(2):6.

[3]陈和娟. 基于ANSYS的新能源轻量化汽车车架分析与设计[J]. 机械制造与自动化, 2022(004):051.

[4]刘磊, 纵荣荣, 李乐乐,等. 轻量化汽车电阻点焊技术的研究与应用[J]. 时代汽车, 2019.

[5]李天逸. 轻量化汽车的造型设计研究[D]. 北京化工大学, 2018.

[6]高阳. 汽车轻量化技术方案及应用实例[J]. 汽车工程学报, 2018, 8(1):9.

[7]姚凌云. 塑料在汽车轻量化设计中的应用[C]// 西南汽车信息(2018年第8期 总第389期). 2018.

[8]王国军. 轻量化汽车用铝合金板材结构设计及应用技术研究进展[J]. 轻合金加工技术, 2022(004):050.

作者简介：
作者姓名:李学民
性别:男
出生年月:1978年6月
民族:汉
籍贯：河北邯郸
职称：工程师
学历：硕士
研究方向：车辆运用
单位名称：清华大学苏州汽车研究院（吴江）
毕业院校：中国人民解放军装甲兵学院