汽车轻量化技术发展趋势

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汽车轻量化技术发展趋势

武万斌 年雪山

（北京汽车股份有限公司）

摘要：文章从轻量化材料的应用、车身结构优化设计和先进制造工艺3个方面对汽车轻量化技术的国内外现状和发展进行了研究和分析。介绍了汽车结构优化、新材料及新技术的应用，强调了高强度钢、铝合金、塑料和复合材料是目前汽车轻量化不可缺少的；热成形技术、辊压成形技术以及差厚板技术在汽车轻量化中得到了广泛的应用。汽车结构优化完善、多材料一体化、零部件的轻量化是未来汽车轻量化发展的方向。

关键词：汽车轻量化；先进制造工艺；复合材料

[size=1em]汽车轻量化是实现节能减排的重要措施之一,对汽车工业的可持续发展具有重要意义。目前汽车轻量化材料在车身上得到了广泛的应用，实现汽车轻量化主要通过采用轻量化材料及应用先进的工艺技术，轻量化材料不仅可以节能减排，也可以降低汽车研发成本。采用先进的工艺技术可以提高车身的安全性、耐久性。汽车轻量化材料成为汽车行业中替代钢材的一种趋势，先进的工艺技术为材料的不断更新提供稳定的发展基础。

1 汽车轻量化发展现状1.1 高强度钢板的应用

[size=1em]高强度钢板的真正优势是减薄钢板、减轻车身质量而又不降低车身安全性。无论从成本还是性能角度分析，高强度钢板是满足车身轻量化、提高碰撞安全性的首选材料，主要应用在AB柱、地板、门槛等车辆的关键结构件。宝马部分车型中的中通道、地板、B柱、车门防撞杆均采用高强钢，如图1所示。

[size=0.8em]图1 宝马采用高强度钢板的中通道、地板、B柱等关键部件

[size=1em]凯迪拉克的AB柱内板、地板中通道、横梁等关键部件均采用先进的高强钢，通过结构优化设计，使钢制下车体结构比铝制车体减重6 kg，如图2所示。

[size=0.8em]图2 凯迪拉克采用高强度钢板的AB柱内板、地板中通道、横梁等关键部件

1.2 铝合金的应用

[size=1em]铝合金作为轻质金属，是汽车轻量化的理想材料。铝合金在汽车领域的用量在逐步增加，且种类多样化，大有代替钢板、成为未来汽车车身主要材料的趋势。

[size=1em]1.2.1 铝合金的特点

[size=1em]铝合金的主要特点包括：密度小、比强度和比刚度高、弹性和抗冲击性能好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、良好的加工成形性及高的回收再生性等。

[size=1em]1.2.2 铝合金的分类

[size=1em]铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金，铸造铝合金用于重力铸造件、低压铸件和特种铸造件；变形铝合金主要用于空调系统零件、压缩机件、行驶系部分零件、发动机冷却系统散热器件、车身零件和装饰件等。铝基复合材料用于制造汽车活塞、气缸套、悬臂架、制动卡钳、驱动轴及车轮等汽车零件。

[size=1em]1.2.3 应用于汽车上的铝合金部件

[size=1em]马自达、奥迪等外覆盖件均采用铝合金板材。铝合金在车身上的应用是从发动机罩和行李箱盖开始，逐渐发展到全铝车身。在汽车上的应用材料为铝合金和铝复合材料，目前国外可达80%以上。60%以上的汽车用铝合金材料为再生铝，回收1 t铝合金要比加工制造1 t少耗能95%。汽车工业中加工铝合金所需的工装设备的投资要比钢铁少得多。同时，汽车铝制车身框架以铝挤压型材为主，焊点少，提高了装配效率，也减少了制造成本。

1.3 热塑性塑料的应用

[size=1em]热塑性塑料目前主要应用在后尾门，雷诺汽车的后尾门是市场上最大的塑料尾门之一，相比钢制后尾门，减重10%，提高了市场感知度，并且注塑、组装工艺简单，降低了生产成本，如图3所示。

[size=0.8em]图3 热塑性塑料后尾门

1.4 复合材料的应用

[size=1em]复合材料是由2种或2种以上不同性质的材料组成，其综合性能优于原组成材料，并满足不同的要求。其中，碳纤维复合材料（CFRP）因其质量轻、高强度（钢的5倍）、高模量和良好的耐热、耐腐蚀性等特点，已成为一种非常理想的汽车轻量化材料。

[size=1em]如果1辆乘用车采用10 kg的复合材料，按照每年新车产量2 300万辆计算，车用复合材料产业将形成千亿元的市场规模。由于碳纤维复合材料制造成本过高，在汽车中的应用有限，最初仅在F1赛车、超级跑车、小批量车型上应用，如兰博基尼、柯尼塞格、雷克萨斯LFA、保时捷911 GT3承载式车身上。但随着碳纤维制造成本的下降，复合材料制造工艺的成熟，各大主机厂纷纷进行碳纤维零部件的开发，如今被广泛地应用于高级轿车上。

2 热冲压成形技术

[size=1em]热冲压成形技术是一项专门用于高强度钢板冲压件成形的新技术。通过这种方法制得的冲压件强度可以达到1 500 MPa以上，目前这项技术在国外发展迅速。热成型件可提高车身安全性、舒适性，有效减轻车身质量，控制回弹，提高零件尺寸精度。热成型件广泛应用于A，B柱、车门防撞梁、前纵梁、地板横梁、铰链加强板等关键部件。

[size=1em]凯迪拉克的A，B柱、车门防撞梁，如图4a所示，雷诺的前纵梁，地板横梁及后纵梁，如图4b所示，采用热成型件，可减重10 kg。中通道由热成形钢与铝合金材料的复合材料制成。可实现“强韧有度”，与钢材相比，可减重7 kg。

[size=0.8em]图4 热冲压成形技术在轿车上的应用

3 车身结构优化设计

[size=1em]实现汽车轻量化不仅涉及轻量化材料的应用，而且与汽车结构的合理设计密切相关，优化汽车结构是实现汽车轻量化的有效途径。

3.1 车身结构优化设计

[size=1em]实现快速有效的车身刚度、强度和疲劳强度分析方法，结合参数反演技术、多目标优化和不确定性优化等现代车身设计方法，研发车身基本特性参数匹配及优化的关键技术，为车身结构优化设计提供有力支持。车辆轻量化结构设计技术包括多种轻量化材料的匹配、零部件的优化分块及结构设计，部分车型在结构件上也采用了辊压成形，差厚板等工艺技术，可减少零部件数量，减少工序，减轻质量，降低成本，在保证汽车整体性能不受影响的前提下，达到轻量化的目的，雷诺采用差厚板设计，实现减重2 kg，如图5所示。

[size=0.8em]图5 雷诺采用差厚板设计

[size=1em]目前，国内汽车轻量化技术发展迅速，实现轻量化的主要措施是结构的轻量化设计和分析，结构轻量化设计已经融于汽车设计的前期。轻质材料包括铝、镁、高强度钢、复合材料及塑料在设计前期与结构设计及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺融为一体。例如：欧宝的B柱采用热成形与差厚板结合，形成局部高强度区和局部低强度区，提高了车身刚度及吸能性，如图6所示。

[size=0.8em]图6 热成形与差厚板结合方法

3.2 CAD/CAE/CAM应用

[size=1em]在现代汽车工业中，CAD/CAE/CAM一体化技术起着非常重要的作用，涵盖了汽车设计和制造的各个环节，运用这些技术可以实现轻量化设计和制造。

[size=1em]利用CAD/CAE/CAM一体化技术，可以准确实现车身实体结构设计和布局设计，对各构件的开头配置，板材厚度的变化进行分析，并可从数据库中提取由系统直接生成的有关该车的相关数据，进行工程分析及刚度、强度计算。对于轻质材料零部件，还可以做进一步分析和运动干涉分析，使轻量化材料能够满足车身设计的各项要求。通过开发汽车车身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技术，以及相关的模块化设计和制造技术，使节能型汽车从制造到使用的各个环节都真正实现节能环保。

3.3 车身结构合理设计方法

[size=1em]车身实体结构设计对车身轻量化起着关键性的作用，可以通过优化结构、差厚板等方式实现轻量化的目的。结构合理设计的具体方法有：

[size=1em]1）通过结构优化设计，减小车身骨架，减轻车身钢板质量，优化车身强度和刚度的校核，确保汽车在满足性能要求下减轻自重；

[size=1em]2）通过结构的小型化，实现汽车轻量化。主要功能部件在使用性能不变的情况下，缩小尺寸；

[size=1em]3）通过运动结构方式的变化实现汽车轻量化。如采用轿车发动机前置、前轮驱动和超轻悬架结构等，使结构更紧凑；或采取发动机后置、后轮驱动，使整车的局部变小，实现轻量化的目标。

4 结论

[size=1em]汽车轻量化推动了汽车制造业在成形加工和连接技术上不断创新。随着轻量化技术的发展，在材料、工艺、设计等方面已逐渐成熟。针对不同的产品，材料、工艺的混合结构设计，即同一总成的零件可由不同材料制造，以实现所用的材料与零件功能最佳组合，成为未来汽车设计发展的方向。