汽車輕量化技術(shù)的應(yīng)用

1、    汽車輕量化技術(shù)的應(yīng)用    屈光洪 尚珍摘 要：汽車輕量化是一種產(chǎn)品發(fā)展戰(zhàn)略的思想，旨在通過一個(gè)系統(tǒng)的最小質(zhì)量，在給定的技術(shù)邊界條件下實(shí)現(xiàn)所需要的功能。文章列舉了汽車輕量化的一些例子，介紹了一些輕量化的系列方法，為汽車輕量化的實(shí)施提供一定的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：輕量化;應(yīng)用;方法：u462.2  ：a  ：1671-7988（2020）10-64-03application of automotive lightweight technologyqu guanghong， shang zhen（beijing polytechnic

2、automotive engineering college， beijing 100176）abstract： automobile lightweight is an idea of product development strategy， which aims to realize the required functions under the given technical boundary conditions through the minimum quality of a system. this paper enumerates some example

3、s of automobile lightweight， and introduces some series of lightweight methods， which provides a certain basis for the implementation of automobile lightweight.keywords： lightweight; apply; methodclc no.： u462.2  document code： a  article id： 1671-7988（2020）10-64-03前言汽車輕量化技術(shù)，旨在保證汽車的強(qiáng)度和安全等性

4、能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的的基本性能如動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染等2。實(shí)驗(yàn)證明，汽車輕量化有著重要的意義如圖1。我國(guó)制定了汽車輕量化的階段目標(biāo)如表1：1 結(jié)構(gòu)模塊化集成優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化部分對(duì)汽車車身很重要，它既能實(shí)現(xiàn)零部件減重，也能夠達(dá)到增加扭轉(zhuǎn)剛度的目的1。一般汽車輕量化技術(shù)的應(yīng)用是在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新材料及工藝上進(jìn)行。通過反復(fù)試驗(yàn)得出方案。應(yīng)用途徑如圖2開發(fā)流程的那個(gè)如圖3。隨著新材料的出現(xiàn)，科技的發(fā)展，汽車零部件的輕量化發(fā)展就不會(huì)停滯。1.1 外形或結(jié)構(gòu)輕量化外形輕量化有時(shí)也由于其所描述的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)調(diào)整而被稱為形狀或結(jié)構(gòu)輕量化。通過零部件造型和優(yōu)化力的分布

5、，使其成為具有最小重量的結(jié)構(gòu)。除了重量之外，最重要的要求是安裝空間、負(fù)載、制造技術(shù)和負(fù)載引入元件的功能集成。這樣輕量化設(shè)計(jì)與方案和材料是息息相關(guān)的。在形狀輕量化中，在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)零件的幾何形狀、數(shù)量和布置的同時(shí)，還應(yīng)考慮到實(shí)際的要求，特別是對(duì)負(fù)載的要求。在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，除了應(yīng)該用各種成型和設(shè)計(jì)規(guī)范之外，同樣還會(huì)應(yīng)用到像拓?fù)鋬?yōu)化法和成型優(yōu)化法這樣的優(yōu)化方法。1.2 集成輕量化集成輕量化，就是將許多功能性零部件或者功能集成在一個(gè)零部件上。這種生產(chǎn)出來(lái)的零部件為一個(gè)整體或者一個(gè)系統(tǒng)，省去了安裝和大部分零部件。例如將前保險(xiǎn)杠、散熱器總成、前防撞梁及前大燈安裝點(diǎn)四個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集成，集成在一個(gè)整體的零部件上。

6、如圖4。2 連接方式輕量化汽車上常用的連接方式是螺紋接和點(diǎn)焊接。輕量化連接技術(shù)，就是通過連接方式的改變來(lái)降低重量，這也是一個(gè)行之有效的方法。例如奧迪汽車（如圖5）有14種鏈接。3有限元輔助設(shè)計(jì)輕量化通過計(jì)算機(jī)輔助工程（cae）方法，建立輕量化數(shù)據(jù)庫(kù)。例如：汽車零部件性能數(shù)據(jù)庫(kù)、成型工藝咨詢庫(kù)、常用車型材料在成型前、后以及不同使用時(shí)間的參數(shù)庫(kù)等;建立吸能部件優(yōu)化設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，開發(fā)汽車cae軟件系統(tǒng)。通過專家數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，大幅度提高我國(guó)汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，為快速進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供有力的手段和有效的工具。4 系統(tǒng)輕量化系統(tǒng)輕量化有時(shí)候也可以被稱為方案輕量化，其特點(diǎn)是從整個(gè)系統(tǒng)或部分系統(tǒng)來(lái)考慮輕

7、量化。通過從系統(tǒng)的角度對(duì)結(jié)構(gòu)件、組件、和模塊進(jìn)行分析并加以調(diào)整，使其適合整個(gè)系統(tǒng)或部分系統(tǒng)，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的重量。其應(yīng)用實(shí)例是具有較高部件和功能集成度的新負(fù)載路徑整合或結(jié)構(gòu)開發(fā)。例如：福特的應(yīng)用實(shí)例b柱一般由內(nèi)板和外板組成，福特通過變厚度trb板技術(shù)設(shè)計(jì)改造，將b柱和其加強(qiáng)板合并成為一個(gè)零件，減重1.4kg，達(dá)10%，同時(shí)省略了內(nèi)板的模具、沖壓和焊裝費(fèi)用，降低了制造成本。再如奔馳e級(jí)車有10多個(gè)零件應(yīng)用差厚板，減重效果明顯。據(jù)報(bào)道，車身因應(yīng)用差厚板減重6kg，每輛車降低成本產(chǎn)生的效益折合人民幣80至130元。5 材料輕量化5.1 鎂合金在汽車上的應(yīng)用在力學(xué)性能方面鎂、鋁合金較為相似，然其密度

8、為鋁的2/3，鎂合金具有穩(wěn)定性強(qiáng)、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、并且鎂合金有較好的阻尼系數(shù)和彈性模量，散熱性和減振性良好，是汽車輕量化效果最好的金屬材料。在汽車領(lǐng)域多應(yīng)用壓鑄鎂合金件，主要應(yīng)用在儀表盤橫梁、方向盤、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、座椅支架、車內(nèi)門板、變速器外殼等方面如圖6。將來(lái)，鎂合金生產(chǎn)成本下降，使得鎂合金具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，汽車產(chǎn)業(yè)使用鎂合金替代鋁合金部件在減輕重量的同時(shí)也獲得了成本的降低，這將有助于進(jìn)一步打開了鎂合金應(yīng)用的空間。我國(guó)有著豐富的鎂礦資源能為發(fā)展鎂合金提供物質(zhì)基礎(chǔ)。5.2 碳纖維復(fù)合材料外覆蓋件的應(yīng)用碳纖維（增強(qiáng)聚合物基）復(fù)合材料有足夠的強(qiáng)度和剛度，抗拉強(qiáng)度一般在3500mpa以上是鋼結(jié)構(gòu)的79倍

9、，抗拉彈性模量在2000mpa，質(zhì)量比鋁合金輕，具有耐腐性、高模量的特性，其適用于制造汽車車身、底盤等主要 結(jié)構(gòu)件的最輕材料，碳纖維可使汽車車身、底盤減輕40%60%的重量，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)重的1/31/6，碳纖維具有良好的減重效果。5.3 輕量化鋁合金骨架式車身將原型車鋼制型材全部替換為鋁合金擠壓型材。在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行加強(qiáng)，優(yōu)化前防撞系統(tǒng)時(shí)增加后防撞梁;應(yīng)用籠式設(shè)計(jì)的鋁合金框架式車身，它能夠有效吸收碰撞能量的鋁合金前端框架，為乘員提供全面保護(hù)。鋁合金骨架式車身總體結(jié)構(gòu)造型，車身框架主結(jié)構(gòu)由擠壓型材搭建，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部位采用鑄鋁連接，關(guān)鍵承力安裝部位使用鑄鋁。接頭部位通過高壓鑄鋁實(shí)現(xiàn)鏈接，保證了接頭處的強(qiáng)

10、度3。白車身較傳統(tǒng)鋼制車身減重30%。單車用鋁量超過160kg，占車身重量的54%，多材料應(yīng)用實(shí)現(xiàn)輕量化15%。6 制造工藝方案輕量化將車身的零部件沖壓工藝改為熱成型工藝，對(duì)通過熱成型件的合理位置布置和使用，來(lái)達(dá)到降低車身開發(fā)成本、提升車身碰撞性能，從而提高車身輕量化水平。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，不同車型有26個(gè)部位應(yīng)用了熱成型零件，如圖7所示。其中b柱加強(qiáng)板有37款車型應(yīng)用了熱成型，為應(yīng)用最多的零部件;其次a柱上加強(qiáng)板、上邊梁加強(qiáng)板均有不低于20款的車型應(yīng)用了熱成型;此外車門防撞梁、前后縱梁等部位也都有所應(yīng)用。工藝的改進(jìn)，鋁合金車門采用門模塊或激光拼接內(nèi)板，鋁合金沖壓窗框的連接采用激光熔焊技術(shù)，其他部位采用鉚接、mig焊、螺接、包邊、鋁合金電阻點(diǎn)焊等。7 結(jié)束語(yǔ)實(shí)現(xiàn)整車輕量化主要通過新材料的運(yùn)用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化等方法進(jìn)行實(shí)踐。隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，不斷出現(xiàn)新材料，新工藝，對(duì)汽車的輕量化方法就會(huì)有新的更新。無(wú)論用哪個(gè)方法進(jìn)行，對(duì)于結(jié)果，要通過仿真分析和實(shí)車試驗(yàn)對(duì)減重優(yōu)化方案進(jìn)行了驗(yàn)證