汽車輕量化技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

作為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一，汽車新材料、先進(jìn)的設(shè)計(jì)和工藝制造技術(shù)，能促進(jìn)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。輕量化材料一方面節(jié)約汽車制造成本，另一方面還可以低碳環(huán)保循環(huán)利用。新材料和新技術(shù)之間相輔相成，先進(jìn)的工藝技術(shù)為輕量化材料更新提供基礎(chǔ)，新材料的廣泛應(yīng)用推動(dòng)工藝技術(shù)的發(fā)展。在未來汽車制造中，輕量化材料取代鋼材已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。
汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀
高強(qiáng)度鋼板
高強(qiáng)度鋼板性能大大優(yōu)于一般的鋼材，高強(qiáng)度鋼板具有厚度薄、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，同時(shí)具有更高的強(qiáng)度保證車身安全性。在當(dāng)前高科技新材料成本高、普及率低的背景下，并考慮綜合性能，高強(qiáng)度鋼板是車身輕量化的首材料，主要應(yīng)用于車輛的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，如地板、AB柱、門檻等。寶馬部分車型中的B柱、中通道、車門防撞桿、地板均采用高強(qiáng)度鋼。
凱迪拉克通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使鋼制下車體結(jié)構(gòu)比鋁制車體減重6 kg，其AB柱內(nèi)板、橫梁、地板中通道等關(guān)鍵部件均采用先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼。
鋁合金
輕質(zhì)金屬鋁合金在汽車領(lǐng)域的用量逐步增加，且種類多樣化，是汽車輕量化的理想材料。鋁合金擁有諸多優(yōu)良性能，不僅耐腐蝕而且強(qiáng)度和剛度高，加工成型性良好，回收利用率高。鋁合金一般分2種，以熔融金屬充填鑄型，獲得各種形狀零件毛坯的鋁合金就是鑄造鋁合金；還有一種是變形鋁合金，是將鋁合金通過沖壓、彎曲、軋、擠壓等工藝使其組織、形狀發(fā)生變化而成。鑄造鋁合金多用于重力鑄造件和特種鑄造件，變形鋁合金多用于空調(diào)系統(tǒng)零件、行駛系部分零件、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱器件等。制動(dòng)卡鉗、驅(qū)動(dòng)軸及車輪等汽車零件一般采用鋁基復(fù)合材料，這是一種由多種性質(zhì)不同材料組成的復(fù)合材料。
馬自達(dá)、奧迪等采用鋁合金板材制造外覆蓋件，發(fā)動(dòng)機(jī)罩和行李廂蓋是鋁合金在車身上應(yīng)用最早的部位，后面逐漸發(fā)展到全鋁車身，國(guó)外部分汽車鋁合金和鋁復(fù)合材料的比例可達(dá)80%以上。鋁合金材料作為性能優(yōu)異的新材料同時(shí)還具有很好的循環(huán)利用性，回收1 t鋁合金要比加工制造1 t少耗能95%，目前汽車用鋁合金材料中60%以上的都是再生鋁。另外，相比加工鋁合金，加工鋼鐵所需的工裝設(shè)備需要汽車制造商投資更多資本，以鋁擠壓型材為主的汽車鋁制車身框架，焊點(diǎn)少、裝配效率高。
熱塑性塑料
熱塑性塑料主要應(yīng)用在汽車的后尾門，市場(chǎng)上比較典型的應(yīng)用是雷諾汽車的后尾門，其比鋼制后尾門減重10%，不僅能降低生產(chǎn)成本，并且注塑、組裝工藝簡(jiǎn)單，裝配效率高。
復(fù)合材料
復(fù)合材料是由至少2種不同材料通過先進(jìn)的材料制備技術(shù)組合而成的新材料。組合優(yōu)化后，其綜合性能比單一的原組成材料更加優(yōu)異，能滿足不同的要求。如碳纖維復(fù)合材料是汽車輕量化應(yīng)用中比較典型的復(fù)合材料，耐腐蝕、質(zhì)量輕、高模量而且強(qiáng)度是鋼的5倍。由于該材料的優(yōu)良性能，其在汽車市場(chǎng)已經(jīng)得到了廣泛推廣，但是該材料成本較高，最初僅在超級(jí)跑車、F1賽車、小批量車型上應(yīng)用，在汽車中的應(yīng)用有限。隨著復(fù)合材料制造工藝的成熟，碳纖維制造成本有所下降，如今已推廣至高級(jí)轎車上。
熱沖壓成型技術(shù)
熱沖壓成型技術(shù)用于高強(qiáng)度鋼板沖壓件成型，成型后強(qiáng)度達(dá)到1500 MPa以上。熱成型件車身安全性高、舒適性好，能減輕車身質(zhì)量，提高零件尺寸精度，控制回彈。AB柱、前縱梁、車門防撞梁、地板橫梁、鉸鏈加強(qiáng)板等關(guān)鍵部件用熱成型件較多。
車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)思路
從多種輕量化材料的匹配及零部件的優(yōu)化等方面著手，再加上輥壓成型、差厚板等工藝技術(shù)，這可以大幅減少零部件數(shù)量實(shí)現(xiàn)車身輕量化。雷諾采用的差厚板設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了減重2 kg。在保證汽車整體性能不受影響的前提下，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還能減少制造工序，從而降低生產(chǎn)成本。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有汽車輕量化技術(shù)采用了結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)和分析，汽車設(shè)計(jì)的前期就已經(jīng)融入結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。國(guó)產(chǎn)歐寶的B柱就是采用熱成型與差厚板結(jié)合的方式，形成局部低強(qiáng)度區(qū)和局部高強(qiáng)度區(qū)，車身剛度及吸能性得到提高。
設(shè)計(jì)方法要實(shí)現(xiàn)汽車車身輕量化，在最開始的車身實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就要開始考慮，可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、差厚板等方式合理設(shè)計(jì)，具體方法有：
1.通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化車身強(qiáng)度和剛度的校核，減輕車身鋼板質(zhì)量，減小車身骨架，確保汽車在滿足性能要求下減輕自重；
2．主要功能部件在使用性能不變的情況下，縮小尺寸，通過結(jié)構(gòu)的小型化，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化；
3. 通過改變運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。如采取發(fā)動(dòng)機(jī)后置、后輪驅(qū)動(dòng)，使整車的局部變小，實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)?；虿捎棉I車發(fā)動(dòng)機(jī)前置、前輪驅(qū)動(dòng)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等，使結(jié)構(gòu)更緊湊。
結(jié)論
目前，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)汽車的需求會(huì)越來越強(qiáng)烈，但是考慮到環(huán)境環(huán)保問題日益嚴(yán)峻，汽車空氣污染不容忽視。試驗(yàn)表明，汽車車身質(zhì)量降低一半，汽車燃料消耗也能降低一半。從環(huán)保和節(jié)能的角度來看，未來，汽車輕量化設(shè)計(jì)將是汽車制造的潮流。本文從新材料、新技術(shù)方面著手分析汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，認(rèn)為目前材料、工藝、設(shè)計(jì)等方面在汽車輕量化技術(shù)中的應(yīng)用水平在不斷提高，未來汽車設(shè)計(jì)發(fā)展的方向是針對(duì)不同的產(chǎn)品、材料、工藝的混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)所用的材料與零件功能的組合。