汽车及零部件轻量化技术现状及研究方向

聂采顺

（四川建安工业有限责任公司，四川 雅安 625000）

汽车及零部件轻量化技术现状及研究方向

聂采顺

（四川建安工业有限责任公司，四川 雅安 625000）

文章简要介绍了目前汽车轻量化技术的发展状况，包括轻量化设计内容、各种轻量化材料的性能及运用，从而阐述了汽车轻量化的实施途径及方法。

汽车轻量化；实施途径

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.011

CLC NO.: U465.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-29-04

引言

随着我国汽车保有量不断攀升，能源短缺、雾霾污染等等问题日益凸显，“节能减排”成为每个车企以及汽车零部件企业的最求目标，这使得轻量化技术受到越来越多的重视。轻量化技术的发展，为中国汽车材料的发展提供了机遇，因为轻量化是优化设计、合理选材、先进的成形技术以及加工技术等各种专业优势的集成。汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。汽车轻量化是汽车产业的发展方向之一，也是一个汽车厂商和国家技术先进程度的重要标志。

1、轻量化技术及其发展现状

根据工信部1月23日发布的最新统计数据显示，2014年我国汽车产销量分别为2372.29万辆和2349.19万辆，同比增长7.3%和6.9%，产销量保持世界第一，如图1所示。随着汽车产量和销量的增加，汽车在给人们的出行带来方便的同时，也产生了油耗、安全和环保三大问题。如何应对三大问题，各国政府都提出了相应的措施。包括制定条令法规，如油耗法规，安全法规以及排放法规。各国汽车工业界一致认为，汽车轻量化是满足上述三个法规的有效手段和方法。实验证明，若汽车整车重量降低 10%，燃油消耗可降低6%～8%，排放降低 5%～6%。而燃油消耗每减少 1升，CO2排放量减少2.45kg。

汽车轻量化的技术是采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计，或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下，尽可能降低汽车产品自身重量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标。然而，汽车轻量化绝非是简单地将其小型化。首先应保持汽车原有的性能不受影响，既要有目标地减轻汽车自身的重量，又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性，同时汽车本身的造价不被提高，以免给客户造成经济上的压力。汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用两大方面。一方面汽车轻量化与材料密切相关；另一方面，优化汽车结构设计也是实现汽车轻量化的有效途径。与汽车自身质量下降相对应，汽车轻量化技术不断发展，主要表现在：

（1）轻质材料的使用量不断攀升，铝合金、镁合金、钛合金、高强度钢、塑料、粉末冶金、生态复合材料及陶瓷等的应用越来越多；

（2）结构优化和零部件的模块化设计水平不断提高，如采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的，计算机辅助集成技术和结构分析等技术也有所发展；

（3）汽车轻量化促使汽车制造业在成形方法和联接技术上不断创新。

目前，国内汽车轻量化材料正在加速发展，新型智能材料逐渐在汽车制造中得到应用。车用高性能钢板、镁合金已在汽车上有所应用。如上海大众桑塔纳轿车变速器壳体采用镁合金。随着镁合金材料的技术进步及其抗蠕变性能的进一步改善，自动变速器壳体以及发动机曲轴箱亦适合改用镁材料制造。若曲轴箱由铝改为镁，则可减轻30%左右。传统的轿车车身结构是钢车身，现今也越来越多地采用高强度钢、精练钢、铝合金和夹层钢车身结构，其制造工艺有柔性化板材辊轧、剪拼焊接工艺技术、薄壁制造技术等。不锈钢与强度较高的碳钢相比，表现出不少优点,例如延展性更好、强度更高、更适合形状复杂的覆盖件成形。上世纪80年代，重庆汽车研究所就开展了双相钢研究，一汽轿车、奇瑞汽车公司也在轿车车身上进行了高强度钢板的初步应用试验。在结构设计方面可以采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化目的，国内已从主要依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等现代设计方法进行静强度计算和分析阶段。目前出现了一批拥有自主知识产权的汽车车身模具开发技术，如湖南大学与上汽通用五菱在薄板冲压工艺与模具设计理论方面开展了较深入的研究，北京航空航天大学开发了 CAD系统CAXA，并已经开展了客车轻量化技术的研究，利用有限元方法和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计，以减少车身骨架、发动机和车身蒙皮的重量等。

2、实现汽车轻量化的主要途径

实现汽车轻量化主要有三种途径：一是对汽车底盘、发动机等零部件进行结构优化，在结构设计上主要采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等方法；二是在使用材料方面通过材料替代或采用新材料来使汽车轻量化。在替代材料方面，可使用铝、镁轻合金等有色金属材料、塑料聚合物材料、陶瓷材料等密度小、强度高的轻质材料，或者使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；三是采用先进的制造工艺，使用基于新材料加工技术而成的轻量化结构用材，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等，也可以达到轻量化目的。

2.1合理的结构设计

目前国内外汽车轻量化技术发展迅速，主要的轻量化措施是轻量化的结构设计和分析，设计已经融合到了汽车设计的前期。轻质材料在汽车上的应用，包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等，与结构设计以及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的研究应用融为一体。在现代汽车工业中，利用CAD/CAE/CAM一体化技术起着非常重要的作用，涵盖了汽车设计和制造的各个环节。运用这些技术可以实现汽车的轻量化设计、制造。轻量化的手段之一就是对汽车总体结构进行分析和优化，实现对汽车零部件的精简、整体化和轻质化。利用CAD/CAE/CAM一体化技术，可以准确实现车身实体结构设计和布局设计，对各构件的开头配置、板材厚度的变化进行分析，并可从数据库中提取由系统直接生成的有关该车的相关数据进行工程分析和刚度、强度计算。对于采用轻质材料的零部件，还可以进行布局分析和运动干涉分析等，使轻量化材料能够满足车身设计的各项要求。此外利用CAD/CAE/CAM技术可以用仿真模拟代替实车进行试验，对轻量化设计的车身进行振动、疲劳和碰撞分析。通过开发汽车车身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技术和相关的模块化设计和制造技术，使节能型汽车从制造到使用各个环节都真正实现节能、环保。通过结合参数反演技术、多目标全局优化等现代车身设计方法，研究汽车轻量化结构优化设计技术，包括多种轻量化材料的匹配、零部件的优化分块等。从结构上减少零部件数量，确保在汽车整车性能不变的前提下达到减轻自重的目的。

具体结构合理设计有以下3个方面：

（1）通过结构优化设计，减小车身骨架及车身钢板的质量，对车身强度和刚度进行校核，确保汽车在满足性能的前提下减轻自重。如采用优化设计除去零部件的冗余部分（使零部件薄壁化、中空化），部件零件化、复合化以减少零件数量，设计全新的结构等；

（2）通过结构的小型化，促进汽车轻量化，主要通过其主要功能部件在同等使用性能不变的情况下，缩小尺寸；

（3）采取运动结构方式的变化来达到目的。比如采用轿车发动机前置、前轮驱动和超轻悬架结构等，使结构更紧凑，或采取发动机后置、后轮驱动的方式，达到使整车局部变小，实现轻量化的目标。

2.2使用新型材料

据统计，汽车车身、底盘（含悬架系统）、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65%以上。其中车身内外覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车白车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应。为此，首先应该在白车身制造材料方面寻找突破口。具体可以有如下几种方案：

（1）使用密度小、强度高的轻质材料，像铝镁合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；

（2）使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；

（3）使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。

2.2.1有色合金材料

铝具有良好的机械性能，其密度只有钢铁的1.8/3，机械加工性能比铁高4.5倍，耐腐蚀性、导热性好。其合金还具有高强度、易回收、吸能性好等特点。汽车工业运用最多的是铸造铝合金和形变铝合金。运用形变铝材制造车身面板的技术已经比较成熟，包括发动机罩、行李箱罩、车门、翼子板等。保险杠、轮毂和汽车结构零件也广泛使用铝合金材料。运用铝合金也面临不少问题，比如，铝合金加工难度比钢材高，成型性还需继续改善；由于铝导热性好，导致铝合金的焊接性能差；铝铸件中不可避免地存在缺陷，压铸件还不能热处理，因此在用铝合金来生产要求较高强度铸件时受到限制，为此在铸件生产工艺上作了改进，铸造锻造法和半固态成型法将是未来较多采用的工艺；不能像钢板那样采用磁力搬运等。其中，关键是成本问题，目前铝价还比较高，成本控制对铝合金的运用非常重要。

镁合金具有与铝合金相似的性能，但是镁的密度更低，它们的密度之比为1.8:3，是当前最理想、重量最轻的金属结构材料，因而成为汽车减轻自重、以提高其节能性和环保性的首选材料。但其铸造性差，后处理工艺复杂，成本高。我国的镁资源非常丰富，储量占世界首位。但是国内用量很少，尤其汽车行业用量极少，因此前景非常广阔。而西方工业发达国家对铝基、镁基的金属基复合材料的开发与应用，已达到了产业化阶段，如表1。

表1 欧美采用镁合金制造的零部件

2.2.2高强度钢

用高强度钢替代原使用材料，能适当减小零件尺寸。世界上广泛通过进一步提高合金钢、弹簧钢、不锈钢等钢种的比强度和比刚度，以及粉末冶金配件具有的多孔密度低、精度高、成本低等特点，来作为汽车轻量化的措施。采用高强度钢板在等强度设计条件下可以减少板厚，但是车身零件选定钢板厚度大都以元件刚度为基准，因此实际板厚减少率不一定能达到钢板强度的增加率，不可能大幅度地减轻车重。高强度钢板在汽车上应用的目的主要有3点，增加构件的变形抗力、提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。由于运用高强度钢板的经济性和相对容易性，因此应大力提倡在汽车上运用高强度钢板。现在各国都在加速高强度钢和超高强度钢在汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上的运用。

2.3塑料和复合材料

与相同结构性能的钢材相比，塑料和复合材料一般可减轻部件的重量在35%左右。低密度与超低密度片状成型复合材料的发展提供了更多的潜力，在重量减轻与强度方面达到甚至超过了铝材，整体成本通常更低。塑料是由非金属为主的有机物组成的，具有密度小、成型性好、耐腐蚀、防振、隔音隔热等性能，同时又具有金属钢板不具备的外观色泽和触感。目前，塑料大都使用在汽车的内外饰件上，如仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各类护板、侧围内衬板、车门防撞条、扶手、车窗、散热器罩、座椅支架等。而后逐渐向结构件和功能件扩展。例如发电机及其相关系统、冷却系统等。塑料也在向制作车身覆盖件方向发展。复合材料即纤维增强塑料，是一种增强纤维和塑料复合而成的材料。常用的是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料。增强用的纤维除玻璃外，还有高级的碳纤维、合成纤维。复合材料作为汽车材料具有很多优点：密度小、设计灵活美观、易设计成整体结构、耐腐蚀、隔热隔电、耐冲击、抗振等。目前玻璃钢复合材料的应用非常广泛，尤其在欧美车系中。其中尤以SMC和GMT的应用最为广泛。欧曼、雷诺、沃尔沃、奔驰、依维柯等欧洲重型卡车制造商的驾驶室材料中，都大量选用了SMC。在国内，SMC材料在汽车领域也得到了广泛的应用，尤其是商用汽车领域。中国重汽、陕西重汽、福田欧曼、重庆红岩等主要重型卡车制造商，其驾驶室的制造都不同程度地采用了SMC材料。

2.4其他轻量化材料

精细陶瓷是继金属、塑料之后发展起来的第3大类材料。其发展史只有20年左右，但具有优良的力学性能（高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损等）和化学性能（耐热冲击、耐氧化、蠕变等）。作为轻量化材料用于汽车零件，不仅直接起到轻量化的作用，更因其优良的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性，用于汽车发动机燃烧室及热交换器等零件，使功率提高，油耗大大下降，从节能角度看则间接地起到轻量化效果。蜂窝夹层材料是早已在飞机上采用的材料，其最大特点是刚性高、比强度高、密度低。目前应用在汽车上的实例还不多，但应用研究在不断前进，将来会较多地得到运用。

3、先进的制造工艺

世界主流工艺技术主要有三种：一是激光拼焊板技术；二是液压成形技术；三是高强度钢热成形技术。激光拼焊毛坯是新近开发并应用的钢板轻量化技术。如ULSAB白车身以及四门两盖中有16个零件采用激光拼焊板坯。热冲压和液压成形技术是实现汽车轻量化的重要技术途径。宝钢目前在关键技术的掌握、装备和配置及产品开发上在国际上处于领先地位，打破了该类技术以及零部件产品长期由国外垄断的局面。宝钢热冲压和液压成形项目的顺利投产，标志着宝钢汽车零部件产业化发展进入了一个崭新的起点，成为宝钢为汽车用户提供全方面、系统化解决方案的重要支撑。

4、汽车轻量化发展面临的问题

轻量化的方法、技术、替代材料这么多，各有各的优势和缺点，那么使用现有技术和材料，汽车到底能做到多轻呢？美国通用汽车公司设计了一辆超轻型概念汽车，这辆汽车完全由手工制造，并且使用了多种减轻重量和提高燃油效率的技术，结果该超轻型概念汽车只有140Kg重，相当于美国家用汽车平均重量的12%，用1L汽油可行驶45km，仅为美国家用汽车平均耗油量的 1/4。不过必须看到，这还只是一种概念车，它的数据可能具有一定的指导意义，但现实意义有限，因此不能因此对轻量化前景产生盲目的乐观。如果把眼光拉近到现实中，可以看到，汽车轻量化虽然已成为未来潮流，但目前要在全行业广泛应用轻量化技术还为时尚早,主要原因就在于技术还不完善、成本仍然太高。以取得巨大轻量化成果的奥迪A8车型为例，使用ASF技术的全铝车身减重200Kg，以每减重100Kg油耗减少0.6L/100Km计算，一辆A8车在其行驶寿命10万公里期间可省油1200L，以欧洲市场油价1.198欧元/L,2014年11月价格计算，可为车主省下1437.6欧元，但是相比全铝车身带来的昂贵价格，消费者仍然是得不偿失。虽然对整个社会来说，轻量化将为能源、环境带来巨大的好处，但是具体到每一个消费者，他们却不得不在购车时为自己的钱包作打算，需要认真衡量一下轻质汽车的额外高价与省下的油钱相比哪一项更多。图2是汽车轻量化与设计成本、制造成本、材料成本之间关系的研究结果。研究结果清楚地表明，轻量化必须以昂贵的设计与制造成本为代价。汽车设计人员的任务就是兼顾重量与成本，争取将两者关系控制在图中阴影范围内的轻量化最优区域。

湖南大学中国汽车技术与产业发展研究中心杨沿平曾指出，我国汽车轻量化技术的研发除了成本问题外还面临两大困难。一方面，轻量化技术的发展设计众多学科，需要运用多学科交叉融合所形成的综合性、系统性知识体系，而在目前国内研发体系下，各研发机构往往只注重单个技术的研发，很少开展各技术间的交叉与融合；另一方面，汽车轻量化涉及的多学科核心技术突破，不可能由单个企业或科研机构独立完成，必须要由国家级的研究机构或政府有关部门作出战略性和前瞻性的超前部署。

5、结论

尽管面临种种障碍，人们仍然没有放弃努力，设计、分析专业软件的开发成果越来越多，新材料、新结构、新技术、新工艺和新设计方法不断进步，铝、镁、复合材料和特种钢等新材料在汽车制造中的使用比例正逐步加大。虽然在目前看来汽车工业短期内不会在减重方面出现革命性突破，但是由于我们在不断地努力，人们实际上正在一步步接近制造出轻量廉价的新一代汽车的目标。轻量化技术是一项涉及基础理论、工程设计、工厂制造、实践验证、回收利用等内容丰富、涉及广泛的课题，必将经历一个努力的探索过程。经过努力，汽车将在不远的将来，必以清洁、强大、轻量的崭新形象引导新一代的潮流。

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Automobile industry of hubei province college institute of automotive engineering

Nie Caishun
( Sichuan Jian’an Industry Co., Ltd., Sichuan Ya’an 625000 )

This article introduced development of automobile lightweight technique, include lightweight design overview, material performance and application, elucidated implement ways and methods of automobile lightweight.

automobile lightweight; implement way

U465.6

A

1671-7988（2015）09-29-04

聂采顺，工程师，就职于四川建安工业有限责任公司研发中心，主要从事轻、微型汽车底盘零部件设计、开发工作。