汽车轻量化设计探讨

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【汽车轻量化在线】汽车轻量化设计探讨

田丽云 孙媛

山东唐骏欧铃汽车制造有限公司 山东淄博 255100

[摘 要]目前，轻量化无疑是汽车行业发展的重中之重。近年来，无论是新材料的应用、制造工艺的更新还是结构设计的变革，轻量化可以说是为汽车制造业带来了翻天覆地的变化。

[关键词]汽车；轻量化；设计

1 汽车轻量化的意义

汽车轻量化是以保证汽车具有原本的强度与性能为基础，再减轻汽车各零部件的质量，那么汽车的动力性将会有一定的提高[1]。因此从以下方面提出改变方案：①从使用材料的质量入手，在保证汽车原有各种参数的基础上，尽量地减轻质量；②使用新材料代替，比如铝合金等密度尽量小的材料；③对各种零部件的构架进行一个整体的分析，寻找一种新的加强方法；④采用承载式车身可以取消车架的使用，从而大大减轻质量。

1.1 助力节能减排

“绿色环保”已成为时代主旋律，有研究表明，当汽车整车整备质量每减少100kg，百公里油耗可降低0.3L-0.6L，CO2 下降近1kg。为应对突出的能源问题和环境问题，当今世界各国汽车业正致力于汽车轻量化技术的研发。

1.2 提升动力性能

根据牛顿第二定律F=ma 可知，当发动机输出的力F 一定的前提下，汽车的质量m 越小，汽车获得的加速度a 越大，动力性越好。资料显示，汽车质量每减少100kg，加速性能可提升8%-10%。因此，汽车轻量化也是现代汽车追求动力性的要求。

1.3 提高安全性能

汽车轻量化还有利于提升汽车安全性能。汽车制动所消耗的能量与汽车质量成正相关，当汽车质量越小，以相同初速度进行制动时，质量较小的汽车所消耗的制动能量也越小；若汽车采用的制动器相同，则质量越轻的汽车，制动距离越短[2]。研究表明，汽车质量每减轻100kg，制动距离可缩短2m-7m。可见，汽车轻量化有助于改善制动性能，提高汽车主动安全性能。

2 轻量化设计在汽车生产中的应用2.1 轻量化在底盘零件上的应用

底盘零件的构造组成主要是有四部分，分别是制动系、装相系、行驶系统和制动系统。行驶系的功用是支持整车质量并且保证汽车平稳运行；为了保证汽车平稳转向，设置了转向系；传动系是由离合器、变速器、万向节等组成的，离合器可以保证汽车的换挡、起步等平稳实现，变速器可以用于汽车的变速；制动系统的主要作用就是使运动中的汽车实现减速或是停车，使下坡的汽车保持稳速下行，保证已经停止的汽车不产生运动。

2.2 车身结构的轻量化设计

2.2.1 对车身布局进行优化

布局优化就是根据实际使整体或者局部呈现最佳布局。例如采用后置后驱就可以多出一些传动系统零件的布置，而采用前置前驱就可以达到减轻质量的目的[3]。此外，为了明显减轻车身质量，还可以采用承载式车身，这一方法可以将车架取消。

2.2.2 对尺寸进行优化

在尺寸优化中，作为变量的是汽车零件的形状与尺寸，要满足不同情况下的车身性能。同时在考虑今后的尺寸设计时，学会运用数值的优化方法来对线性静力学和车体的整体振动进行模拟。为了优化汽车生产时所用的零部件以及减重，可以利用基于线弹性尺寸优化设计的方法。

2.2.3 对车身形状进行优化

改变零部件的外形是优化车身形状的目的，并使各部件的受力均匀。这里主要指的是对汽车整体结构或零部件局部形状优化，使能够最大化地发掘出材料各方面性能。在工程设计中，通过采用有限元的分析来设计降低应力集中的概率来实现受力的均匀分布。在现实制造工艺中就是在应力集中区加强材料，在低负荷区相应地减少使用材料。

2.3 汽车轻量化材料的应用

近年来，为了减少环境污染，达到节能减排的目的，我国开始积极向着绿色高效节能环保经济发展，在此背景下，新能源汽车获得了有效的发展。新能源汽车在发展上受到了严重的阻碍，不仅车身较重，且电池续航能力较差，受到这些因素影响，导致新能源汽车发展受到影响。在此背景下，积极应用铝合金、镁合金以及钛合金等轻量化材料，就能够有效减轻车身重量，促使新能源汽车获得更好的发展前景。在轻量化材料中，铝合金的碰撞形变能力以及综合力学性能较为突出，更适合用在新能源汽车的制造上。随着铝合金使用量的增多，未来新能源车辆的发展将向着全铝车身方向发展。目前阶段，欧美等一些发达国家开始积极使用铝合金制造汽车，铝合金含量达到了80%之高，例如，奥迪 A8 车身铝合金含量达到了80%，而特斯拉 Model S 含量达到了95%。相关学者研究指出，奥迪 A8 自实现了全铝车身后，在新能源汽车领域开始应用全铝车身，例如全新捷豹 XFL 以及上海通用汽车生产的凯迪拉克 CT6。我国铝资源相对较为丰富，但是在汽车领域的发展却远不及欧美发展水平。据相关统计分析，欧洲用于汽车制造的铝合金达到了每辆300kg，而我国仅为115kg/辆，相信随着我国汽车行业研发力度的加大，未来铝合金在新能源汽车上的应用会更为广阔。相比于其他材料，镁合金的消震性能以及力学性能相对较好，在汽车部分支架以及壳体类汽车零件上应用较多，同时也开始积极应用于电动客车的研究中，取得了良好的效果。在第五代奥迪 A8 汽车的制造中，镁合金首次应用于车架缓冲支架材料，有效减轻了车身的重量[4]。而山东汽车公司制造的电动大客车中使用了镁合金，促使车重整体减轻了70%。

3 结语

汽车轻量化不仅可以提升燃油经济性，减少排放，还可改善汽车整车的综合性能。汽车轻量化势在必行，这也将进一步促进汽车工业领域的变革。当前一些新兴技术在汽车设计制造中的应用还不够成熟，无论是轻量化结构的设计、轻量化材料的研发，还是先进制造工艺的改进和升级，都将成为今后汽车轻量化设计制造领域的重要研究方向。