汽车工程中轻量化技术的应用研究

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【汽车轻量化在线】汽车工程中轻量化技术的应用研究

杜洋 李士迁 华晨汽车集团控股有限公司

摘要：汽车工程的轻量化发展是一种必然趋势，在保证汽车综合性能的基础上实现材料使用最小化、车身质量最小化。随着技术水平的不断提高，还可以在现有的基础上提高汽车的安全性和稳定性。推动轻量化技术在汽车设计和制造过程的应用，探索轻量化技术的新应用，是降低汽车消耗、保护资源和环境的必要措施。也是满足人们日益增长的出行需求，为人们提供交通便利的必然选择。

关键词：汽车工程；轻量化技术；应用

在可持续发展战略的背景下，推进汽车工程轻量化技术的应用成为汽车行业的重要任务，以实现在市场竞争中占据优势地位。汽车在社会生活中的地位不容忽视，汽车行业的发展建设水平关系到人民生活品质，也关系到自然环境的保护和优化，是一项综合性的、影响深远的系统性工程。

一、轻量化技术简介轻量化技术是汽车领域应用最为广泛的新型技术，是时代发展的产物，是传统的汽车制造技术的优化和升级。轻量化技术应用在汽车领域，主要体现在能解决能源消耗问题和环境保护问题，即在节能减排方面表现出明显的优势。轻量化技术在汽车领域的应用以汽车车身应用材料为切入，表现出对汽车的核心控制，根本上提升了汽车的整体性能。此外，通过对汽车车身使用材料的合理选择，能实现材料节约的最大化和汽车效率提升的最大化，是实现汽车工程节能效率提升的有效措施。

轻量化技术在汽车工程中主要体现为以下几个方面：第一，轻量化技术的广泛运用，影响了汽车结构优化和性能优化，由于在设计环节加强了对结构合理性的关注，汽车的结构与性能之间的联系也更加紧密，对于保证结构完整性的同时实现预期性能有重要作用。目前我国汽车工程中的轻量化技术指导结构优化有增加强筋、减少重孔等，随着对汽车的性能要求逐渐提高，结构优化的方式和技术也在不断丰富完善。第二，轻量化技术的应用对于汽车的维修与养护造成了一定的便利，在保证了结构的完整性的前提下，之后的行驶过程中进行速度控制就更加精确化，材料选择的合理性也决定了面对损耗问题，有了更多的有效预防和控制的机会。第三，轻量化技术还包括减轻汽车自重，通过选用轻量化的材料在合理范围内对汽车材料和技术进行调节，实现汽车自重的降低。这要求使用轻量化材料的同时结合新工艺使用轻量化技术，有效实现汽车材料轻量化，使其更加符合可持续发展的原则和节能减排的目标。

二、轻量化技术在汽车工程中的应用

(一)新型材料在汽车工程中的应用以合金材料为主，新型材料在完成传统汽车材料功能的基础上，又有着其各自的应用优势，在轻量化技术中占据重要的一部分，如铝合金、镁合金、钛合金等。其中铝合金因其具有良好的导电性、导热性、塑性，主要作用是提高汽车车身和底盘的性能。由于铝合金造价较高，在实现汽车功能的同时还需要解决成本控制问题。镁合金主要包括非结构铸件与结构铸件两部分，非结构铸件对于强度有较高的要求，作为变速器、离合器壳等要求能够应对一定的冲击力。结构铸件在较高强度的基础上还需要能够承受一定荷载，如方向盘、座椅、离合器支架等。镁合金的回收再利用技术相对成熟，在我国属于储量丰富的资源，加大镁合金材料在汽车工程中的应用对于促进汽车工程的可持续发展有重要意义。

除合金材料，高强度钢作为轻量化技术的一种重要材料，也广泛应用于汽车的大部分零件中。高强度钢能提高车辆安全性，在减轻汽车自重方面比铝合金更具优势。高强度钢可以应用于发动机支架、加强板、固定板、悬架支架等，降低了行驶中的震动和噪声，对于改善汽车的加速性能和综合性能起到了至关重要的作用。

复合材料即工程塑料和增强纤维相复合，防震、隔热、隔音、密度小，是一种良好的设计材料。不仅可以减轻汽车自重，还能广泛应用于汽车几乎全身的零件，并且随着回收技术的发展，在汽车工程中越来越受到重视。

(二)车身设计在汽车工程中的应用
结构轻量化技术是对汽车总体结构的分析和优化，以实现汽车零部件的轻量化和整体化，并协调、有效解决车与系统、系统与系统之间的各种问题。轻量化技术中对于车身设计的主要作用通过CAD和CAE技术来实现，CAD技术主要是精细化分析汽车零件的配置、材料、形状问题，CAE技术是研究运动干涉和布局干涉的整体性分析方法。结合形状优化法的应用，可以对汽车的整体结构进行必要的分析并实现有效的优化。

在车身轻量化设计中优化拓扑结构是非常必要的，拓扑结构是早期优化材料的基础，也是提高车身材料利用率和实现设计理念优化的必要措施。优化拓扑结构可实现更加充分、精确的设计依据，减少设计中的被动性和盲目性，在使用最少材料以保证最低自重的基础上，最大限度提升零件性能。

实现形状优化是车身设计轻量化的另一方面，形状优化既可以保证零件质量轻，又可以延长使用寿命，根据应力分布均匀化可以实现避免应力高峰的出现，是统计学和生物学规律共同作用的结果。

(三)制作工艺在汽车工程中的应用
实现汽车工程轻量化是一个综合性、系统性的过程，除了减轻汽车质量、保证车身强度的设计环节优化，还可以通过高效的制作工艺进行进一步的完善。激光焊接技术对各种复合板进行拼焊，能改善零部件的使用性能，实现降低汽车自重和保证汽车性能兼顾。提高了汽车结构的合理性和可靠性。液压成型技术的引进，改变了传统的加工模式，通过流体介质使管件或板料自模具中变形成型，零件品质提高而数量减少，可以减轻汽车质量并降低生产成本。

半固态铸造是指在金属材料由液态向固态进行转化的这一过程中进行的加工，最终影响成品的形状，其中流变铸造对于工艺要求不高，耗能少、成本低。但以触变铸造应用更为广泛，触变铸造作为半固态铸造技术的主要部分，对制作工艺有更高的要求，且耗能更高。

三、小结
随着我国对环保、节能减排、安全出行的要求不断提高，许多相关的法规和政策陆续出现，对于营造汽车制造企业和科研单位努力实现汽车轻量化的氛围起到了巨大的推动作用。汽车轻量化也是新能源汽车所面临的重要课题，在新的能源危机和环境污染问题前，加强汽车轻量化技术发展，也是工业技术发展的基本要求。

参考文献：
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[3]张安刚.汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径[J].丝路视野，2017 (17)：190.