1、汽車輕量化技術(shù)分析一、汽車輕量化技術(shù)發(fā)展的背景及意義：現(xiàn)階段，汽車工業(yè)的發(fā)展面臨著三大嚴峻問題：即油耗、環(huán)保和安全，輕量化、環(huán)?；厥占肮?jié)約能源已成為全球汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢。針對此類問題，各國紛紛開始重視能源和環(huán)保議題制定了相應(yīng)的法規(guī)，并提出了有效的改進措施。輕量化技術(shù)通過降低自身質(zhì)量從而達到降低油耗、減少排放的目的。有關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，若汽車整車質(zhì)量降低10%,燃油效率可提高6%-8%;若滾動阻力減少10%,燃油效率可提高3%;若車橋、變速器等機構(gòu)的傳動效率提高10%,燃油效率可提高7%。止匕外，車輛每減重100kg,CO2非放量可減少約5g/km。由此可見，伴隨輕量化而來的突出優(yōu)點就是油耗顯著

2、降低，汽車輕量化對于節(jié)約能源、減少廢氣排放、實現(xiàn)我國汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展十分重要。汽車車身約占汽車總質(zhì)量的30%空載情況下，約70%的油耗用在車身質(zhì)量上，因此車身的輕量化對減輕汽車自重，提高整車燃料經(jīng)濟性至關(guān)重要。同時，輕量化還將在一定程度上帶來車輛操控穩(wěn)定性和一定意義上碰撞安全性的提升。車輛行駛時顛簸會因底盤重量減輕而減輕，整個車身會更加穩(wěn)定，輕量化材料對沖撞能量的吸收，又可以有效提高碰撞安全性。正是出于對減少能源消耗、減少污染物排放等目的，汽車輕量化技術(shù)一直以來成為科研、汽車生產(chǎn)制造等重點探索方向。無論是對于傳統(tǒng)動力汽車，還是新能源汽車，輕量化所帶來的經(jīng)濟效益和社會效益都相當可觀。目前，在汽

3、車輕量化領(lǐng)域，正呈現(xiàn)技術(shù)、工藝和材料等多方發(fā)力局面。二、汽車輕量化的含義：汽車輕量化是在滿足汽車使用要求、安全性和成本控制要求的條件下，將結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計技術(shù)與多種輕量化材料、輕量化制造技術(shù)集成應(yīng)用實現(xiàn)的產(chǎn)品減重。以上是世界汽車產(chǎn)業(yè)對汽車輕量化的普遍共識與認識。但在實現(xiàn)汽車輕量化的同時，一個非常重要的前提是：不能以犧牲車輛安全性和NVH(噪音、振動、平順性)為代價，汽車輕量化必須在預定整車減重目標、整車成本控制目標、安全性目標和NVH控制水平的全面約束下進行。汽車輕量化并不是簡單地以縮小汽車的體積或者減輕汽車的質(zhì)量來衡量。汽車的安全性、穩(wěn)定性、舒適性和耐撞性等與汽車的質(zhì)量有直接關(guān)系，所以，還需要

4、考慮其經(jīng)濟合理性，畢竟車屬于商品，要讓消費者接受它的價格。(1)對于已有的功能可滿足要求的汽車，輕量化的設(shè)計是降低重量而保持原功能不變，其輕量化的效果是直接的減重；(2)現(xiàn)有功能尚不能全部滿足要求或需要提升的汽車，輕量化設(shè)計是完善功能而保持質(zhì)量不變；(3)既要提高改進性能，同時也使汽車減重。正因如此，汽車輕量化設(shè)計實際上是功能改進，質(zhì)量降低，結(jié)構(gòu)優(yōu)化和合理價格的結(jié)合。三、汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀：汽車結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新化設(shè)計和特殊材料的使用是汽車輕量化技術(shù)的重要組成部分。如果汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，不僅可以減少材料的使用量，還能達到輕量化的目的。要想實現(xiàn)汽車輕量化，車身材料是非常重要的。相關(guān)研究表

5、明，汽車輕量化技術(shù)主要可以分為以下四個方面：輕量化材料：實現(xiàn)汽車輕量化必須集成利用多種新材料和相關(guān)應(yīng)用技術(shù)。目前，汽車輕量化材料使用的主要是高強度鋼，其次是鋁鎂合金、復合材料及塑料。其中，高強材料主要用于降低鋼板厚度，保證汽車結(jié)構(gòu)和安全性能；低密度材料主要用于非結(jié)構(gòu)件替換和減輕汽車質(zhì)量。1)高強鋼是輕量化的關(guān)鍵材料，它的大量使用既實現(xiàn)了整車輕量化，又保證了汽車的安全性和可靠性，因此，高強鋼使用面廣且量大。1994年,為提高鋼鐵材料相比其它材料在車身上應(yīng)用的競爭地位，國際鋼鐵協(xié)會組織世界18個國家35家鋼鐵公司并委托Porche公司,持巨資開展了超輕質(zhì)鋼車ULSAB(UltralightStee

6、lAutoBody)項目。開發(fā)出的超輕質(zhì)鋼車身質(zhì)量為203kg，比同級別轎車車身質(zhì)量平均減輕25%與此同時車身扭轉(zhuǎn)剛度提高了80%,彎曲剛度提高52%,車身第一階固有頻率上升到60Hz,并且完全滿足碰撞安全性法規(guī)要求。1997年開始，又開展了超輕鋼汽車附件ULSAC（UltralightSteelAutoClosures）項目。通過將車門結(jié)構(gòu)改用無框架形式，同時車門外板和車門管件均采用高強度鋼制造，在滿足所有結(jié)構(gòu)性能要求的前提下減輕車門質(zhì)量36%,而制造成本僅為133美元。2）鋁合金是輕質(zhì)材料，具有良好的抗腐蝕性，應(yīng)用前景良好。近年來，鋁材在汽車上應(yīng)用量增加很快，主要是板材、擠壓材、鑄鋁及鍛鋁

7、，在車身結(jié)構(gòu)、空間框架、外覆蓋件和車輪等處均有大量應(yīng)用。HONDAH司1989年面市的NS濯一體式的鋁車身結(jié)（單體構(gòu)造車身），車身在融入輕量化設(shè)計理念之后，重量僅1270公斤。采用此種結(jié)構(gòu)的還有美洲豹新款“XJ”型轎車和福特公司的AIV轎車，AIV汽車總共使用鋁臺金270kg,比傳統(tǒng)鋼制汽車減輕200kg。綜合ASF與單體構(gòu)造車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，本田公司開發(fā)了Insight復合結(jié)構(gòu)全鋁車身，最大限度的發(fā)揮鋁合金的優(yōu)勢。與鋁合金單殼體車身（NSX車）相比，Insight鋁復合車身所用的零件少15%,焊點少24%。此外，與三門鋼車身Civic車相比，白車身的質(zhì)量減小47%而扭轉(zhuǎn)剛度提高38%,彎曲剛度

8、提高13%,同時具有很好的碰撞安全性。通用汽車公司開發(fā)的五座轎車Precept使用鋁合金制造車身。車身使用了49kg鋁擠壓型材、64kg鋁合金板及32kg鋁壓鑄件，與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)車身相比，Precept的車身質(zhì)量減輕45%3）鎂合金是比鋁更輕的材料，其體積質(zhì)量僅為1.8kg/m3,輕量化效果更明顯。起初是用于殼體類、氣缸蓋罩蓋和方向盤骨架等件，現(xiàn)在已經(jīng)擴展到座椅骨架、車門、車頂、儀表盤骨架和支架類零件。20世紀90年代，奔馳公司首先在SLRoadster中采用了鎂合金座椅，使車重明顯減輕。4）塑料及纖維復合材料在汽車工業(yè)的應(yīng)用也日趨增加，汽車上應(yīng)用塑料件已達數(shù)百個。在重型卡車上塑料和復合材料的應(yīng)

9、用已超過150kg,由普通的塑料到高強度復合材料均有應(yīng)用。其中尤以SMG口GMT勺應(yīng)用最為廣泛。5）金屬基復合材料是20世紀60年代發(fā)展的新材料，80年代之后進展很快。汽車工業(yè)應(yīng)用的MMC主要是纖維增強及顆料增強鋁基復合材料。應(yīng)用于發(fā)動機與剎車系統(tǒng)零部件。發(fā)動機零件有缸套、活塞、連桿、活塞銷、搖臂和氣門挺柱。在剎車系統(tǒng)應(yīng)用于剎車盤和剎車轂。復合材料在整車車身上有一些應(yīng)用，如通用公司的Johnson等研制成功一款復合材料白車身，在滿足包括靜剛度、耐久性、碰撞安全性等結(jié)構(gòu)性能要求前提下，比傳統(tǒng)鋼車身質(zhì)量減輕了60%。1994年,克萊斯勒推出了復合材料概念車CCV（CompositeConceptV

10、ehicle）,在節(jié)省加工時間約70%的同時，CC頒量減輕2050%。新型的奔馳S級車上總共使用了180kg塑料及復合材料，其中有36kg的車身外零部件。優(yōu)化設(shè)計：隨著汽車工業(yè)設(shè)計水平的不斷提高，很多汽車開始采用超輕懸架結(jié)構(gòu)、高剛性結(jié)構(gòu)來減輕其質(zhì)量，常采用優(yōu)化并排焊點、加強筋、減重孔等方式來達到輕量化目的；1）結(jié)構(gòu)構(gòu)建：汽車的優(yōu)化設(shè)計主要針對車身與關(guān)鍵零部件總成2個方面。優(yōu)化設(shè)計中可以：1優(yōu)化車身的空間結(jié)構(gòu)，滿足各種工作載荷；2減小或減少車身多余的尺寸、零件數(shù)量和零部件厚度；3優(yōu)化零部件形貌，減少不必要的結(jié)構(gòu)或用于增強的加強件數(shù)目。2）材料選擇：優(yōu)化設(shè)計的核心是通過對汽車產(chǎn)品的合理設(shè)計，在滿足

11、整車使用性和經(jīng)濟性各項要求的情況下，選擇并使用適當?shù)妮p量化材料，需要利用設(shè)計者的經(jīng)驗和CAE技術(shù)。前者的實質(zhì)是輕量化數(shù)據(jù)庫建設(shè)，設(shè)計者的經(jīng)驗可以通過積累獲得轉(zhuǎn)化，成為輕量化數(shù)據(jù)庫專家系統(tǒng)的一環(huán)。同時，從設(shè)計的靜動力學分析，到關(guān)重件生產(chǎn)工藝模擬，再到整車性能研究，CAE技術(shù)的利用可以給出材料選擇的合理預判。3）工藝預置：汽車結(jié)構(gòu)復雜，它的工藝實現(xiàn)對整車能否達到輕量化目標有著至關(guān)重要的影響。汽車業(yè)的發(fā)展，使高強鋼、鋁鎂合金和復合材料不斷推出，也對應(yīng)用工藝提出了新要求。如：界別越高的高強鋼，在成形性上要求越高，熱成形技術(shù)是個好辦法；有的部件如轎車的副車架，形狀復雜且生產(chǎn)困難，液壓成形能提供一個解決途

12、徑。而通過CAE技術(shù)可以分析出這些工藝的可行性和路徑。4）試驗仿真：一切車輛的好壞，免不了試驗的驗證。在輕量化的發(fā)展中，國外的汽車檢測法規(guī)甚至已經(jīng)用CAE分析替代部分試驗測試，其結(jié)果得到各界確認而成為標準要求。對汽車輕量化影響最大的幾項總體和零部件的試驗包括：白車身彎扭試驗、白車身NVH試驗、白車碰撞試驗及保險杠碰撞試驗等，都可以通過CAE技術(shù)得到良好的仿真結(jié)果。制造工藝：成形方法和聯(lián)接技術(shù)不斷創(chuàng)新，如柔性化板材輻軋、剪拼焊接工藝技術(shù)、薄壁制造技術(shù)等，大大減輕了整車的重量。1）熱成形技術(shù)的應(yīng)用：既要輕量化又要提高汽車性能的一個手段就是采用高強度的輕量化材料。具優(yōu)點有：通過快速冷卻淬火，熱成形后

13、制件強度得到大幅提高；成形性優(yōu)良；降低壓機噸位；尺寸精度較高；零件表面硬度、抗凹性和剛度好。目前，乘用車達到Uncap碰撞4星和5星級水平的車型，在主要的安全件中（A,B,C3柱和保險杠防撞梁、門防撞桿及保險杠防沖柱等）普遍采用了抗拉強度為1500MPa,屈服強度為1200MPa的馬氏體鋼，如此高的強度之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，在于熱成形鋼材與工藝技術(shù)的發(fā)展，。材料的加工成形性與屈服強度和延伸率有密切關(guān)系，而材料的斷裂應(yīng)變和屈服強度與材料的溫度有密切關(guān)系。在900C時，熱成形鋼屈服強度下降至150MPa,斷裂應(yīng)變達到50艱上，具有良好成形性和可加工性，在熱成形之后，隨之進行冷卻淬火達到高的強度，并固定了

14、熱成形狀態(tài)下的零件形狀。2）液壓成形技術(shù)的應(yīng)用：液壓（內(nèi)高壓）成形是指采用液態(tài)物質(zhì)作為施力介質(zhì)，使坯料在施力介質(zhì)作用下，貼合凸?；虬寄Ｃ娉尚巍Ｋ且环N柔性成形技術(shù)，可以為一些形狀復雜、強度高和成形性差的材料提供理想成形工藝。液壓成形分為板材液壓成形和管材液壓成形，在汽車工業(yè)中，應(yīng)用較多的是管材內(nèi)高壓成形。與沖壓焊接件相比，管材液壓成形的優(yōu)點是：1節(jié)約材料；2減少后續(xù)工作量；3由于焊接減少，可提高構(gòu)件的強度與剛度；4與沖焊件相比，材料利用率為95%98%5降低生產(chǎn)成本和模具費用達30%。3）激光拼焊板技術(shù)的應(yīng)用：由于激光焊接技術(shù)的特殊性，焊接速度快，熱影響區(qū)小，因此，激光拼焊板材的成形性良好。激

15、光拼焊板技術(shù)將不同厚度、不同強度或不同表面處理狀態(tài)的板材通過激光拼焊集成一個大的板坯進行沖制，這樣可使模具的數(shù)量和后續(xù)生產(chǎn)工序減少，從而降低了生產(chǎn)成本，并提高了零部件的質(zhì)量，優(yōu)化了零件結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了不同強度和不同厚度板材的特性。在汽車中采用激光拼焊板材后，可使零件質(zhì)量減輕24%,零件數(shù)量減少19%,焊點數(shù)下降49%,生產(chǎn)時間縮短21%,其典型構(gòu)件為：車門內(nèi)板、側(cè)圍板、地板和一些車身高強度結(jié)構(gòu)件。4）金屬半固態(tài)成形技術(shù)的應(yīng)用：金屬半固態(tài)成形技術(shù)的特點是高效、高性能、低成本與節(jié)能環(huán)保，該技術(shù)經(jīng)過多年不斷發(fā)展，日趨成熟。20世紀90年代，西方國家就已進入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段，并對鋁合金在汽車結(jié)構(gòu)零件中的

16、推廣起到重要作用。目前，德國EFU,法國Pechiney,美國Alunax公司，瑞士Alusuisse公司和意大利Stampal公司等，均已形成相當規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，大量用于汽車零部件的制備。鋁合金半固態(tài)成形件單件尺寸與質(zhì)量也不斷加大，意大利Stampal和Fiat公司生產(chǎn)的半固態(tài)鋁合金零件重達7kg。5）連續(xù)變截面輯軋板：續(xù)變截面輯軋板（TRB）軋制屬柔性軋制技術(shù)，其原理是在軋制過程中通過計算機實時控制和調(diào)整軋輻間距，獲得沿軋制方向上按預定的厚度連續(xù)變化的板材，以取代應(yīng)用日益廣泛的激光拼焊板。這樣的變截面薄板經(jīng)加工后制成的汽車零部件具有更好的承載能力，且能明顯減輕車重。TRBU制輯縫連續(xù)調(diào)整的關(guān)鍵

17、是TR琳厚綜合系統(tǒng)數(shù)學模型的建立。6）內(nèi)離壓成形技術(shù)：內(nèi)高壓成形是一種復雜的加工工藝，涉及到物理非線性和幾何非線性等大變形過程，對其進行細致的理論解析分析比較困難，因此需要采用有限元模擬方法，分析缺陷產(chǎn)生的原因。目前研究的熱點集中在利用大型工程有限元分析軟件如DEFORMLS-DynaD等進行數(shù)值分析計算，模擬調(diào)整各個控制成形參數(shù)的匹配關(guān)系，研究成形極限圖，確定液體壓力和軸向進給量的匹配對內(nèi)高壓成形質(zhì)量的影響以準確反映成形過程，預報成形缺陷，獲得最佳控制工藝參數(shù)，從而對實際生產(chǎn)有重要指導意義。LCA在輕量化技術(shù)上的作用：汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，一個重要目的就是解決汽車產(chǎn)量和保有量不斷增多對社會和

18、經(jīng)濟帶來的能耗、安全和環(huán)保3大問題。LCA是一種對產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝及活動的環(huán)境負荷進行評價的客觀過程，它通過對能量和物質(zhì)消耗以及由此造成的廢棄物排放進行辨識和量化，來評估能量和物質(zhì)利用對環(huán)境的影響，以尋求改善產(chǎn)品或其工藝的途徑，是工藝評價的重要方法。輕量化固然要減輕汽車的質(zhì)量，但也要以不與汽車的LCA相違為前提，畢竟LCA追求的是產(chǎn)品全生命周期面向環(huán)境的設(shè)計，可以最大限度地提高可耗竭資源的使用效率，減少材料與能量使用量；最大限度地使用可再生能源；排除或最大限度地降低對能耗與環(huán)境不利的工藝的使用。自上世紀70年代以來，隨著材料技術(shù)和制造技術(shù)的進步，汽車自身重量在逐年減少，以美國為例，上世紀80年代

19、初，中型轎車的平均質(zhì)量為1520kg;90年代下降至1230kg。20世紀90年代，奇瑞等汽車公司就開始進行相關(guān)試驗。20世紀末和21世紀初，世界各國先后出現(xiàn)過百公里油耗3L的汽車。1998年德國大眾推出路波3LTDI,汽車自身質(zhì)量只有800kg。奧迪公司開發(fā)全鋁型轎車AudiA2,汽車自身質(zhì)量約900kg。目前，很多汽車的變速箱殼體采用的都是鎂合金材料，例如上海大眾桑塔納轎車。隨著鎂合金材料性能的提升，如果曲軸的箱體材料由鋁合金變?yōu)殒V合金，那么，其質(zhì)量將會減輕30%;如果能進一步改善鎂合金材料的抗蠕變性能，那么，自動變速箱的箱體也可以使用鎂合金材料制造。美國政府2009年5月公布一項汽車節(jié)能

20、減排計劃，目標是2016年，美國國內(nèi)生產(chǎn)的客車和輕型卡車百公里耗油不超過6.62L,CO2非放量也比現(xiàn)有車輛減少1/3。隨著時間的推移，我國在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計方面也取得了較大的進步，已經(jīng)從依靠經(jīng)驗設(shè)計逐漸發(fā)展為應(yīng)用有限元等現(xiàn)代設(shè)計方法實行靜強度計算和分析的階段。在薄板沖壓工藝方面，上海通用、五菱與湖南大學合作，開展了深入的研究，而北京航空航天大學則利用開發(fā)的CAXA系統(tǒng)研究客車輕量化技術(shù)。中國汽車工程學會，一汽集團，東風汽車，吉利汽車，奇瑞汽車，長安汽車，上汽集團，北汽集團，長城汽車，中國汽車工程研究院，吉林大學，哈爾濱工業(yè)大學，華東理工大學，湖南大學，寶鋼，西南鋁業(yè)等15家，以及42家伙伴單位成

21、員也已經(jīng)組成聯(lián)盟。致力于在汽車企業(yè)與科研機構(gòu)、高等學校之間、上下游產(chǎn)業(yè)之間建立有效運行的產(chǎn)學研合作新機制，實現(xiàn)聯(lián)盟成員的共同發(fā)展。近年來，我國在汽車輕量化方面取得了不少成果?！熬盼濉焙汀笆濉奔啊笆濉逼陂g，一批汽車新材料項目被列為國家“863”、“973”、“585”高新技術(shù)項目和國家科技攻關(guān)重大項目。此外我國政府也公布了汽車節(jié)能減排計劃，2016年1月1日起執(zhí)行，每年將設(shè)置油耗達標值，直至到2020乘用車平均油耗降至5.0升/100公里,這些都促進了汽車輕量化技術(shù)的進步。四、汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展方向：汽車工業(yè)作為國家經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，目前正處于高速發(fā)展的時期，輕量化技術(shù)的運用并不成熟。面對新的能源危機和環(huán)境污染問題，對汽車輕量化的要求顯得越來越迫切。實現(xiàn)輕量化是衡量汽車工業(yè)技術(shù)成就的重要標志之一，目前汽車輕量化技術(shù)還處于不成熟的階段，未來將有很大發(fā)展前景。汽車輕量化的研發(fā)，一是要打破輕量化技術(shù)發(fā)展所涉及的眾多學科之間的壁壘，形成綜合性、系統(tǒng)性知識體系；二是國家應(yīng)該發(fā)揮作用，作出戰(zhàn)略性和前瞻性的超前部署。汽車輕量化技術(shù)要以創(chuàng)新需求為紐帶，以獲取汽車輕量化核