汽车轻量化技术

孙冠男

（中国汽车技术研究中心）

近年来，世界汽车工业持续快速发展，汽车保有量大幅增长，全球汽车已超过10亿辆。汽车已成为世界能源消耗和污染物排放的主要来源。各发达国家均制订了严格的法规来限制汽车燃油消耗和温室气体的排放，我国也发布了GB19578—2004《乘用车燃料消耗量限值》强制性国家标准。研究表明：汽车轻量化是降低能耗、减少排放的最有效措施之一。

1 汽车轻量化的意义

汽车轻量化技术内涵是基于现代设计方法和技术手段，在确保汽车综合性能指标不降低的前提下，对汽车结构进行优化设计。通过高强度、低密度材料的应用，尽可能减轻汽车产品自身质量，这样不仅对提高燃油经济性、减少尾气排放有利，而且可以提高行驶速度，改善汽车起动及制动性能，有效降低振动和噪声，提高汽车和公路使用寿命[1]。图1示出各类车型的燃油效率与整车质量的关系。总而言之，汽车的轻量化设计能有效提高汽车的多项性能，从而提高汽车产品的竞争力。

图1 各类车型的燃油效率与整车质量的关系

2 国内外汽车轻量化研究概况

近年来，汽车行业较为发达的美、欧、日、韩等国对汽车轻量化的发展都已经确定了明确的指标和路线。仅以美国为例，其汽车轻量化目标为：以2013年整车质量为基准，到2020年减重达到20%，2025年减重达到30%。与此同时，国外众多研究机构已从多角度入手，开始探索实现轻量化的新途径，其中，有政策上的倾斜、独特的科学研究以及材料制造等。我国汽车轻量化技术发展起步虽然较晚，但是随着政府各项节能减排政策、法规的出台，汽车轻量化这一设计理念开始逐步被中国各大主流汽车厂商作为设计重点越来越多地加入到产品中去。

我国轻量化技术的发展，最主要表现在：1）汽车材质的不断改进，许多汽车企业都开始使用镁合金、铝合金、高强度钢、塑料及复合材料，并且用量比例不断提高；2）提高汽车加工件及汽车相关模块的结构轻量化设计水平。目前在汽车结构轻量化设计方面，我国已经从仅仅依靠相关经验设计，发展为运用有限元分析等现代设计方法进行设计的阶段；3）许多高校联合国内汽车企业对汽车轻量化进行了深入的研究，大大促进了我国汽车轻量化技术的进步和发展。

3 汽车轻量化路径及关键技术

为了实现汽车减重的目的，研究人员在成本和现有技术条件允许的范围内，围绕汽车的整体设计和制造周期，通过多种途径，包括改善现有材料和工艺，使用新材料、新结构等实现汽车的轻量化设计。虽然轻量化的方法多种多样，但是综合国内主要汽车制造企业和研究机构的研究现状来看，分为以下几个途径来实施轻量化设计，如图2所示。

图2 汽车轻量化实施途径

3.1 采用轻量化制造工艺实现汽车轻量化

随着现代化的结构设计技术及材料技术的发展，旧的制造工艺已经不能满足新条件下的生产需求。目前，轻量化工艺主要有两方面的革新：零件成型性和零件制造工艺的革新。成型性革新主要是通过应用CAD/CAE/CAM技术，提高冲压模具的设计水平及成型后零件质量（如零件回弹量）的控制，目前比较新的成型技术，包括连续挤压变截面型材、激光焊接板、高强板热成型以及自钻铆接等[2]。图3示出热成型工艺原理。

图3 热成型工艺原理

3.2 通过改进车身结构实现车身轻量化

应用有限元分析，通过拓扑优化、形状及尺寸优化设计出既能满足使用要求又具有轻量化特点的最佳结构。汽车结构优化包括白车身结构和子系统零部件结构的优化。结构优化的主要任务是在满足工艺要求的前提下，进行结构形状和尺寸设计。汽车结构优化又可以分为尺寸优化及形状优化，尺寸优化主要针对截面及零件厚度进行尺寸优化，其约束条件一般在满足多种性能目标的要求下；形状优化则是在以零部件轻量化为目的的同时，达到零部件内部受力的均匀化。形状优化是在借鉴生物学增长规律的基础上形成的一种数值优化方法[3]。基本原理为:对零件进行受力分析时，零件主要受力处材料密度应逐渐增加，同时渐渐减少其他非主要受力处其材料的密度。在不同的位置采用不同的材料，不仅可以减少材料的浪费，使零件的材料分布更加合理，而且由于加强了受力位置的材料分布，从而避免了局部应力高峰值的产生，达到减轻零件质量的目的。

3.3 采用高强度和低密度的新型材料

在保证结构设计合理的基础上，通过材料替换来进一步实现轻量化，从而实现结构和材料的设计统一。目前，选用轻量化车身材料主要遵循以下原则：

1）选用低密度材料，通过材料本身的低密度优势实现轻量化，如铝合金、镁合金及塑料等；

2）选用高强度材料，通过结构减薄实现轻量化，如高强度钢；

3）选用低密度、高强度的复合材料，实现设计、结构及材料的有机统一，如碳纤维、玻璃纤维等；

4）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、金属基复合材料板及激光焊接板材等。

4 结语

综上所述，汽车轻量化是保证我国汽车产业可持续健康发展的迫切需要，对解决能源短缺及环境污染问题具有重要意义。无论从社会效益，还是经济效益来考虑，低油耗、低排放的轻量化汽车都是节约型社会发展的需要。