汽车轻量化在整车开发中的应用

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  从2010年，中国的汽车产量已经位居世界首位，汽车在改善人们生活水平的同时，其燃油、排放也为能源供给、环境保护和道路交通安全带来巨大压力。因此，如何进行汽车节能减排，同时保证车辆安全性能等已成为现代汽车行业的热门话题，也成为汽车厂面临的一个重大挑战。汽车轻量化作为实现节能减排，同时满足性能要求的主要途径，已成为汽车业关注的焦点，同时也成为各个主机厂的核心竞争力之一。
实现汽车轻量化的途径
    实现汽车轻量化通常有三种途径：首先是结构设计的优化；其次是低密度高强度材料的应用；第三是采用先进轻量化工艺技术。实际上，汽车轻量化与汽车整车刚度、NVH等是一对矛盾体，一方面由于环保、能源及成本的因素，需要汽车满足轻量化目标，但是过度轻量化带了巨大的成本增加、刚度下降等。因此，轻量化中的一个重要环节是结构设计的优化，也是可以用最低成本实现性能最佳，且减重效果最明显的轻量化途径之一。但结构设计优化要求设计工程师必须有丰富的轻量化结构设计经验，并且需要长期的经验积累及反复的验证，也是一个正向开发的过程。而后两种轻量化途径在汽车轻量化设计过程中成本敏感性较大，作为大批量生产的汽车行业，成本的敏感特性迫使众多主机厂在使用新工艺、新材料时非常小心慎重。
    虽然汽车轻量化最终目标为重量的降低，但是不能以简单的减重多少进行衡量，必须结合设计车型的尺寸、性能等综合进行评价。汽车轻量化实际上是性能提升、质量降低、结构优化与成本合理的结合。如何在保证汽车重量目标降低实现的同时，将其成本也控制在合理的范围内并且满足设计性能要求成为汽车轻量化设计一大难题。因此，设定重量并制定适合新车型的轻量化技术路线作为汽车轻量化设计过程中不可缺少的环节，显得尤为重要，也是当前各主机厂迫切需要解决的问题。

轻量化技术路线的确定
    在整车开发过程中，轻量化技术路线受设计车型的市场定位、工厂规划、公司平台化及车型开发计划等因素的影响，在设计初期就需要进行新材料、新工艺应用的规划以满足轻量化目标的需求，即在车型设计初期就需要制定适合车型定位的轻量化技术路线，设定合理的成本与重量目标。以某车型为例，其轻量化技术路线制定思路如图1：


    1.轻量化设计
    概念阶段整备质量目标的设定合理与否直接影响后期的车型成本的变化及其目标可实现性。目前整车开发过程中的重量设定一般均为逆向过程，也就是在概念阶段，通过分析计算得到相关整备质量目标的重量范围。图2给出了从2008年到2012年的欧洲车身数据，以此为基础进行分析对比，并将车型的性能目标考虑进去(如图3)，并结合公司轻量化目标规划，从而推算出设计车型的整备质量目标。



    设计车整备质量目标确定后，需再次结合本公司内现有生产工艺水平及量产车型单位质量的成本分别推算当前工艺水平下的设计车型的整备质量及成本，与设计车型整备质量目标进行对比、分析，从而得出设计车型成本与技术路线的相应关系，作为选择合适的轻量化技术路线的依据。
    汽车轻量化不是简单的针对某个零件或者单个总成的减重，而是一个系统工程，局部的重量变化也会对整车其他部位产生影响，带来相关系统的重量变化，通常称为重量叠加效应，而相应的重量、性能分析则通称为灵敏度分析。



       如图4所示，当某些部位重量发生变化的时候，会对其他系统带来相应的重量变化。如车身的减重，由于重量叠加效应，会对燃油系统、动力系统等带来重量的降低等。总之，在进行整车轻量化设计的时候，轻量化的技术手段、技术路线及重量、性能灵敏度分析缺一不可。
   2. 轻量化材料
       轻量化材料指的是低密度、高强度，在整车上应用后可提升单位面积承载质量的材料，最常用的如高强钢、轻质合金(铝合金、镁合金等)、非金属材料等。目前国际上对轻量化材料也有了相关的法规要求，如回收性能及生命周期排放要求，因此新材料的应用不仅影响到车辆的节能减排、安全舒适等方面，而且对应对能源危机、环保回收等有重大意义，也是汽车材料发展的主导方向之一。但如何选择合适材料，在成本最低的情况下实现重量最小化、性能最优化则由成本与重量关系所决定，否则可能会造成材料性能过剩或者不能充分发挥材料性能。目前国际汽车材料应用趋势为多种材料组合的轻量化车身，并且朝着高强化、轻质化发展(图5)。



    3.轻量化制造工艺
    轻量化设计之后的重点工作之一是材料的合适选择，而轻量化制造工艺是将设计、材料变为产品的重要技术手段，也是衔接材料与结构的桥梁。轻量化制造工艺的应用代表着轻量化的水平。常用制造工艺有液压成型、热压成型、激光拼焊板工艺、高强钢辊压成型、先进连接技术、塑料微发泡工艺及纤维增强复合材料等。随着汽车轻量化设计要求的提升，在上述基础上不断地衍生出更先进的轻量化制造工艺，如变强度热成型技术、薄板热成型、低压液压成型、TRB(连续变厚度技术)等；同时在原有技术上的不断改进也使得可生产的材料强度越来越高，例如高强钢辊压已可生产强度达到1200MPa以上的超高强钢，可用在门槛、地板横梁等部位。但是先进制造工艺的应用受到成本、设备及设计等因素的影响(图6示意零件在不同设计条件下的制造工艺)，这些轻量化制造工艺的应用为汽车的节能减排带来巨大的贡献，不仅提高汽车性能并且可缩短产品周期，生产出传统工艺所不能实现的复杂结构与强度，其带来的轻量化效应也是巨大的(表1)。




结论
    1.材料、工艺与结构的关系
    轻量化材料与先进制造工艺的使用均受到成本的制约，并且需根据车身结构进行调整，并非轻质材料与工艺用量越多轻量化效果越好，如果没有合理的结构搭配，再好的材料与工艺也不能最大发挥作用。因此，决定车身安全的是结构设计而不是重量。
    随着各个主机厂轻量化结构设计经验的丰富，轻量化结构设计也将成为车型轻量化的主流。
    2.轻量化的影响
    轻量化设计及技术的应用不仅仅改善汽车的燃油经济性、减小排放，同时提高其舒适性、安全性；如某车型在保证其原设计目标的前提下，减重10kg，在其生命周期可以达到减少CO2排放376kg，油耗节省136L。因此，轻量化技术也必将成为未来主机厂的核心技术。

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写得真好

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熊飞老师写的

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熊飞老师写的