汽車(chē)輕量化技術(shù)的應用發(fā)展趨勢

作為實(shí)現節能減排的重要措施之一，汽車(chē)新材料、先進(jìn)的設計和工藝制造技術(shù)，能促進(jìn)汽車(chē)工業(yè)可持續發(fā)展。輕量化材料一方面節約汽車(chē)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，新材料的廣泛應用推動(dòng)工藝技術(shù)的發(fā)展。在未來(lái)汽車(chē)制造中，輕量化材料取代鋼材已經(jīng)成為一種趨勢。
汽車(chē)輕量化發(fā)展現狀
高強度鋼板
高強度鋼板性能大大優(yōu)于一般的鋼材，高強度鋼板具有厚度薄、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，同時(shí)具有更高的強度保證車(chē)身安全性。在當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，高強度鋼板是車(chē)身輕量化的首材料，主要應用于車(chē)輛的關(guān)鍵結構件，如地板、AB柱、門(mén)檻等。寶馬部分車(chē)型中的B柱、中通道、車(chē)門(mén)防撞桿、地板均采用高強度鋼。
凱迪拉克通過(guò)結構優(yōu)化設計，使鋼制下車(chē)體結構比鋁制車(chē)體減重6 kg，其AB柱內板、橫梁、地板中通道等關(guān)鍵部件均采用先進(jìn)的高強度鋼。
鋁合金
輕質(zhì)金屬鋁合金在汽車(chē)領(lǐng)域的用量逐步增加，且種類(lèi)多樣化，是汽車(chē)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(guò)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系統零件、行駛系部分零件、發(fā)動(dòng)機冷卻系統散熱器件等。制動(dòng)卡鉗、驅動(dòng)軸及車(chē)輪等汽車(chē)零件一般采用鋁基復合材料，這是一種由多種性質(zhì)不同材料組成的復合材料。
馬自達、奧迪等采用鋁合金板材制造外覆蓋件，發(fā)動(dòng)機罩和行李廂蓋是鋁合金在車(chē)身上應用早的部位，后面逐漸發(fā)展到全鋁車(chē)身，國外部分汽車(chē)鋁合金和鋁復合材料的比例可達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(chē)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備需要汽車(chē)制造商投資更多資本，以鋁擠壓型材為主的汽車(chē)鋁制車(chē)身框架，焊點(diǎn)少、裝配效率高。
熱塑性塑料
熱塑性塑料主要應用在汽車(chē)的后尾門(mén)，市場(chǎng)上比較典型的應用是雷諾汽車(chē)的后尾門(mén)，其比鋼制后尾門(mén)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。
復合材料
復合材料是由至少2種不同材料通過(guò)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(mǎn)足不同的要求。如碳纖維復合材料是汽車(chē)輕量化應用中比較典型的復合材料，耐腐蝕、質(zhì)量輕、高模量而且強度是鋼的5倍。由于該材料的優(yōu)良性能，其在汽車(chē)市場(chǎng)已經(jīng)得到了廣泛推廣，但是該材料成本較高，初僅在超級跑車(chē)、F1賽車(chē)、小批量車(chē)型上應用，在汽車(chē)中的應用有限。隨著(zhù)復合材料制造工藝的成熟，碳纖維制造成本有所下降，如今已推廣至轎車(chē)上。
熱沖壓成型技術(shù)
熱沖壓成型技術(shù)用于高強度鋼板沖壓件成型，成型后強度達到1500 MPa以上。熱成型件車(chē)身安全性高、舒適性好，能減輕車(chē)身質(zhì)量，提高零件尺寸精度，控制回彈。AB柱、前縱梁、車(chē)門(mén)防撞梁、地板橫梁、鉸鏈加強板等關(guān)鍵部件用熱成型件較多。
車(chē)身結構優(yōu)化設計
設計思路
從多種輕量化材料的匹配及零部件的優(yōu)化等方面著(zhù)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量實(shí)現車(chē)身輕量化。雷諾采用的差厚板設計，實(shí)現了減重2 kg。在保證汽車(chē)整體性能不受影響的前提下，優(yōu)化的結構設計還能減少制造工序，從而降低生產(chǎn)成本。目前國內已經(jīng)有汽車(chē)輕量化技術(shù)采用了結構的輕量化設計和分析，汽車(chē)設計的前期就已經(jīng)融入結構輕量化設計。國產(chǎn)歐寶的B柱就是采用熱成型與差厚板結合的方式，形成局部低強度區和局部高強度區，車(chē)身剛度及吸能性得到提高。
設計方法要實(shí)現汽車(chē)車(chē)身輕量化，在開(kāi)始的車(chē)身實(shí)體結構設計時(shí)就要開(kāi)始考慮，可以通過(guò)優(yōu)化結構、差厚板等方式合理設計，具體方法有：
1.通過(guò)結構優(yōu)化設計，優(yōu)化車(chē)身強度和剛度的校核，減輕車(chē)身鋼板質(zhì)量，減小車(chē)身骨架，確保汽車(chē)在滿(mǎn)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(guò)結構的小型化，實(shí)現汽車(chē)輕量化；
3. 通過(guò)改變運動(dòng)結構方式實(shí)現汽車(chē)輕量化。如采取發(fā)動(dòng)機后置、后輪驅動(dòng)，使整車(chē)的局部變小，實(shí)現輕量化的目標?；虿捎棉I車(chē)發(fā)動(dòng)機前置、前輪驅動(dòng)和超輕懸架結構等，使結構更緊湊。
結論
目前，隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，對汽車(chē)的需求會(huì )越來(lái)越強烈，但是考慮到環(huán)境環(huán)保問(wèn)題日益嚴峻，汽車(chē)空氣污染不容忽視。試驗表明，汽車(chē)車(chē)身質(zhì)量降低一半，汽車(chē)燃料消耗也能降低一半。從環(huán)保和節能的角度來(lái)看，未來(lái)，汽車(chē)輕量化設計將是汽車(chē)制造的潮流。本文從新材料、新技術(shù)方面著(zhù)手分析汽車(chē)輕量化技術(shù)的發(fā)展現狀，認為目前材料、工藝、設計等方面在汽車(chē)輕量化技術(shù)中的應用水平在不斷提高，未來(lái)汽車(chē)設計發(fā)展的方向是針對不同的產(chǎn)品、材料、工藝的混合結構設計，以實(shí)現所用的材料與零件功能的組合。