汽車輕量化技術現狀及展望頭條網

2021-03-17 12:35:03 佚名

作者：王明建夏申琳潘恆沛

作者單位：中國船舶重工集團公司第725研究所

輕量化：綠色製造的必然

截止到目前，全球汽車保有量已接近12億輛，汽車造成的能源消耗與汙染物排放問題日益凸顯。低排放、低油耗已成為節約型社會長期發展所不可或缺的需要。汽車輕量化則是實現這一目標的關鍵技術，中外車企也爭相開發出了一系列輕量化新品。

相關文獻數據顯示，汽車的整車質量若減少10%，燃油利用效率可在原基礎上增加6%～8%；若滾動阻力減少10%，燃油效率可提高3%；若汽車車橋、變速器等機構的傳動效率增加10%，燃油利用效率可增加7%。可見，伴隨汽車輕量化而來的突出優勢就是降低燃油消耗，減少汙染物的排放。

汽車輕量化實現途徑

汽車輕量化技術可以分為三個主要方面：結構優化設計、輕量化材料應用和採用先進製造工藝。其中，結構優化設計方面包括汽車結構的尺寸優化、形狀優化、拓撲優化和多學科設計優化；輕量化材料包括高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、碳纖維、塑料和複合材料等；先進製造工藝方面包括，液壓成形和激光焊接等。

1.合理的結構設計

20世紀70年代，得益於計算力學和計算機技術的進步，美國通用汽車等公司率先採用了有限元法，目的是進行汽車設計探索。1990年後，大型計算機輔助工程軟件（CAE）漸漸成熟，開始在汽車零部件和整車開發中進行應用，並呈現逐年增加的趨勢。經過近十年的發展，CAE已普遍在汽車整車結構設計中得到了應用，同時也在汽車零部件的設計中得到應用。

（1）尺寸優化。結構尺寸優化要有設計參數，一般以汽車零部件的形狀尺寸為變量，以滿足各種工況下的剛度、振動、強度、吸能等為約束前提。有關汽車設計中的線性靜力學問題和線性振動問題，可以使用傳統的數值優化算法對輕量化直接進行設計。汽車設計中會面臨各種各樣的問題，線彈性問題就是設計首先要面對的，因此，以線彈性尺寸優化為基礎的設計方法在輕量化設計中得到普遍應用，包括對汽車上使用的零部件進行優化和對汽車進行減重。

汽車設計不僅僅要同時考慮振動、線性靜力問題，還需要對非線性問題進行考慮。因為汽車的碰撞過程非常複雜，它涵蓋了高速運動與碰撞、大變形以及非線性問題，往往很難得到有關碰撞響應的靈敏度信息，所以沒有好的辦法將傳統優化算法進行直接應用。為了解決這個難題，汽車設計師們以往採用近似模型法，或是將汽車發生的碰撞看成是一個過程，過程中的每一時間節點的載荷用線性載荷進行等效，隨後以線性載荷為基礎來對輕量化進行優化設計。

目前比較典型的近似方法有響應面函數法（response surfacemethod，RSM）、徑向基函數法（radial basis function，RBF）及Kriging模型法等。以近似模型方法為支撐，對汽車碰撞問題進行分析，可以實現汽車的輕量化、安全性設計。

（2）形狀優化。形狀優化即適當改變汽車的外形，目的是為了使結構更加均勻地受力，具體措施是對汽車結構的整體或者外部局部形狀進行優化，從而使材料能夠發揮出更大的潛力。形狀優化方法對於擁有規則幾何外形的形狀結構，可以對結構的幾何外形進行參數化，這樣就可以將形狀優化向尺寸優化問題進行轉變。但是從汽車本身的結構看，其中很多地方都是不規則的幾何外形，對於這樣的情況就難以採用參數方法來對汽車幾何外形進行描述，這是無法解決的一個難題。現階段對於這個問題人們想到了一種解決辦法：採用無參形狀優化方法，該方法的優點就是不需要對尺寸參數進行考慮。

（3）拓撲優化。拓撲優化要有進行優化的對象，一般是指事先就已經指定好的設計空間的材料分佈，然後採用拓撲優化算法進行優化，自動得到最優化的動力傳遞路徑，以達到儘可能多節省材料的目標。拓撲優化被廣泛承認是一種最具有應用價值的方法，拓撲優化也有其侷限性，主要應用在汽車開發前期的結構概念設計階段。現在已經出現了很多種拓撲優化方法，Bendsoe等研究人員開發出的變密度法就是其中最主要的拓撲優化方法之一。但是變密度方法也存在著侷限性，它的計算結果僅是提供汽車結構主要的材料分佈情況，同時還需汽車設計師再次進行設計。所以為了得到效果明顯的質量減輕的可行性結構方案，設計人員可謂費勁心思，就是要綜合利用拓撲優化、形狀優化和尺寸優化等多種優化方法。

（4）多學科設計優化。汽車輕量化不是簡單的問題，它涉及到多門學科綜合設計優化的問題。舉例來說，對車身進行輕量化設計時就不能單單考慮一個方面，需要對如強度、剛度、碰撞安全性、舒適性、疲勞等多個學科性能進行同時考慮。但因為目前存在的種種問題，還不能夠在一次優化中對它們進行全面綜合的考慮。在輕量化設計中開發人員找到了一種可行方法，即採用“分解—協調”的方案，這是一種多學科優化方法。這種方法稱為多級優化方法，目前典型的方法有並行子空間方法（concurrent subspaceoptimization，CSSO）、協同優化方法（collaborative optimization，CO）、解析目標遞傳法（analyticaltarget cascading，ATC）等。

2.新材料應用

對汽車車身減重是車企進行輕量化的一大途徑，具體有以下多種方案：

（1）採用高強度鋼。相比於其他的材料，高強度鋼可以在同密度、同彈性模量而且工藝性能好的情況下，達到截面厚度減薄的效果。由於鋁、鎂合金等輕量化材料本身的侷限性，在現階段汽車製造中鋼的使用量還是佔主要地位，將來汽車材料中使用最多的仍是高強度鋼。高強度鋼因為其自身的優點，可以實現汽車結構的薄壁化，適當採用高強度鋼可以降低整車質量。

據JDDRG統計，1980年高強度鋼板採用的比例是8.7%，時隔12年後的1992年就已經上升到23.3%，如今ULSABAVC項目研製的概念車中高強度鋼材料的使用量已經佔到了97%。瑞典SSAB公司已經研製出材料屈服強度達到00MPa的超高強度冷軋薄鋼板；韓國浦項鋼鐵公司也成功研製了成形很好的輕量化汽車鋼板；我國在開發超細晶粒鋼方面也取得了一些成績，寶鋼、攀鋼、珠鋼和武鋼都開發出了一系列新型細晶化低碳高強度鋼板。但目前我國在這方面還比較落後於國際先進水平。

（2）採用鋁合金。國際鋁協統計數據表明，2006年鋁合金在單個轎車中的平均用量為121kg，2015年為150kg，預計2020年會達到180k g。現階段汽車用鋁合金中，佔主要部分的是鑄鋁，在汽車用鋁量中約佔80%。鍛造鋁的力學性能更好，在汽車上也得到了應用，如橫向轉向叉、鍛造鋁車輪已在Audi A8、A4等車型上進行應用。

變形鋁合金中的鋁型材、鋁板從20世紀80年代在前翼子板、車身發罩外板、頂蓋開始進行應用，後來在行李箱蓋板、車門、車廂底板結構件、保險槓、熱交換器甚至全鋁車身等也得到了應用。此外，鋁合金泡沫是一種超輕多孔隙結構材料，是鋁合金經發泡後得到的，

具有很好的隔振、吸能、吸聲等特性，同樣可以作為輕量化材料應用於汽車上。

（3）鎂合金。在汽車輕量化材料中，鎂合金目前被公認為最有發展前景的材料。最早能夠追溯到80年前，大眾生產的甲殼蟲上就採用了鎂合金材料構件。1982年，隨著鎂合金價格的下降和防腐性能的提高，福特汽車公司再次將鎂合金應用於變速器、離合器、制動系統和轉向柱等各類殼體零件上。我國“十五規劃”中對鎂合金進行重大專項攻關，在部分車型上已開始採用進行應用，例如課題立項取得的成果中可以採用鎂合金製造的變速器、方向盤的心部骨架等部件。轎車上鎂鑄件的應用現在已經比較廣泛，在汽車上合金零部件的應用已有近70種，如變速器箱體、轉向盤骨架等。

（4）鈦合金。隨著90年代跑車、豪華汽車、賽車市場規模的逐年擴大，鈦合金制零部件得到了快速發展。鈦合金零部件目前主要有以下應用：發動機連桿、氣門彈簧座、發動機氣門、鈦合金彈簧、排氣系統及消音器、渦輪增壓器、車體框架等。但其高成本制約了鈦合

金在汽車上的應用，同時鈦合金的成形及焊接問題也未得到解決。

（5）碳纖維複合材料。早在1992年美國通用汽車公司就研製了超輕概念車，該車身使用了碳纖維複合材料，車身的整體質量僅為191kg。福特汽車公司為了進一步降低汽車質量，2008年為燃料電池汽車研製出一款碳纖維複合材料行李箱蓋。歐盟開發新能源汽車與一

家德國大絲束碳纖維廠家及日本三大碳纖維廠家合作開發全CFRP汽車。國內車企也已經開始在碳纖維複合材料方面開展研究，如上汽集團技術中心與同濟大學合作，探索了碳纖維複合材料在汽車上應用的可行性，尤其是在車身外覆蓋件上。

（6）塑料。塑料是汽車上採用最多的非金屬材料。世界汽車在2000年塑料平均用量每輛就已達105kg，在汽車總質量中約佔8%～12%。最近幾年，我國汽車塑料件佔整車質量的比例達到12%～18%。近年來塑料在發動機周圍和車身板的零部件上的使用量在持續增加，佔車身總質量的10%～15%，尤以美歐和德國的車企採用為多。例如奔馳Smart汽車、蓮花Elise汽車和雷諾Espace均採用了塑料車身；1998年戴一克公司開發的CCV概念車採用了四塊熱塑車身板，算上板材連接件，白車身板總質量僅為95kg，在全熱塑車身方面開創了里程碑，前大燈和尾燈的玻璃也將摒棄傳統的天然材料，轉而使用一般性熱固性塑料。

（7）其他輕量化材料。精細陶瓷材料是繼金屬、塑料之後發展起來的第3大類材料，其發展歷史僅有短短的20年。陶瓷材料不僅直接起到減重的效果，更因其傑出的耐腐蝕性、耐熱性和耐磨性，用於汽車發動機熱交換器及燃燒室等零部件，增大功率，極大降低燃油消耗。蜂窩夾層材料在飛機上是早已普遍採用的新型材料，其最大特點是比強度高、剛性高、密度低。目前在汽車上應用的實例還較少，但在不斷進行應用研究，相信將來會得到較多應用。

3.輕量化製造工藝

除了採用以上所述輕量化材料和結構來達到汽車輕量化，與之相應的製造工藝也獲得了應用，如用於車身結構連接的膠接和膠焊工藝等，還有其他一些新型成形和連接工藝，如激光焊接、液壓成形和激光拼焊等。

（1）液壓成形。德國奔馳與寶馬是最早在汽車上採用液壓成形零件的車企，奔馳在1993年成立了管材液壓成形加工車間，“ULSAB計劃”於1994年啟動，促進了液壓成形技術的發展。美國相關的機構與車企強強聯合組成了“液壓成形技術研究開發協會”，加快該技術的應用與開發。2000年，中國一汽集團和哈爾濱工業大學強強聯合開發成功國內首臺液壓成形設備，該設備不能生產大型零件，只能用於生產形狀不大的零件，如Audi A6轎車後軸縱臂。中國一汽2001年探索應用液壓成形技術生產M6轎車副車架。目前，液壓成形產品已經廣泛的在汽車上進行應用，已在超過50%的汽車底盤上進行裝配應用。

（2）激光焊接。激光焊接可以將不同材質、不同厚度、不同衝壓性能、不同強度和不同表面處理狀況的板坯往一起拼焊，用來進行大型覆蓋件壓制。這種拼接板坯的使用不但可使衝壓件強度合理又可使質量減輕，並能使零件和模具數量減少，使尺寸精度提高，提高結構強度和剛度；進而提高設計和開發的效率，縮短週期，避免材料浪費，達到成本降低的目的。最早於1985年德國大眾將激光拼焊在Audi車型的底盤上應用。目前，幾乎全部車企都應用了激光拼焊技術。在汽車製造中激光焊接的另一個重要應用是激光焊接車身框架。激光焊接屬於連續連接，可以使得車身的強度和剛度提高；同時，採用激光焊接技術可以減少鋼板使用量，達到降低車身質量的目的。例如，德國大眾2004年的第5代Golf車身，激光焊達到了70m。