轻量化技术在汽车工程中的应用研究

王维 青萍

摘要：当前人们越来越重视汽车安全和环境保护，而将轻量化技术应用到汽车工程中，可以起到减轻车重、节能降耗、保障安全的作用，因此汽车轻量化技术得以广泛应用。本文重点对汽车工程中常用的轻量化技术进行了论述，主要包括开展结构优化、使用轻质材料、革新制造工艺、优化连接技术等四个方面，展望未来汽车工程轻量化技术的发展前景，以期能进一步助力汽车工程轻量化技术更新换代，促进车企高质量发展。

关键词：轻量化技术；结构优化；轻量化材料；汽车工程

DOI：10.12433/zgkjtz.20233604

汽车工业的发展，推动了汽车及相关配套产业的进步，我国在“碳达峰”“碳中和”背景下，开展汽车轻量化技术研究，不仅能够实现节能、减排、降耗的目的，还能大幅度提高汽车的安全性和使用经济性。随着现代科学技术进步，高强度钢、镁合金、铝合金、碳纤维材料等轻量化材料的大规模应用，为汽车开展结构优化、降本增效提供了可能，各大车企都在大力发展汽车轻量化技术，以便提高自家汽车产品的市场竞争力。

一、轻量化技术概述

（一）轻量化技术的概念

在现代汽车工业设计理念指导下，应用高强度材料强化车身刚性和安全性能，优化车身结构，尽可能地减少汽车不必要的材料，降低汽车的整备质量，提高燃油车的燃油经济性（新能源车的续航里程），降低污染和能量损耗。

目前，汽车轻量化技术主要包括四个方面：一是使用轻质材料，如高强度钢、铝合金、镁合金等；二是革新制造工艺，如采用热冲压成形工艺、一体化压铸工艺；三是进行结构优化，如有限元分析、局部强化设计；四是优化连接技术，如采取激光拼焊、锁铆与自锁铆技术等。由于汽车车身骨架及金属件重量较重，目前对汽车的轻量化设计主要靠采用轻量化材料，从而降低整车自重。

（二）轻量化技术在汽车工程中的应用现状

车企对汽车轻量化技术十分重视，纷纷投入资金开展研发，比如，沃尔沃的笼式车身，使用了19%的轻量化铝合金框架减重吸能，既减轻了车辆自重，还充分保证了驾乘人员的安全。由于我国的新能源汽车发展壮大，为了提高车辆的续航里程，一些汽车行业十分重视汽车轻量化技术，比如，比亚迪汽车的平台轻量化和模块化技术已经成熟。

（三）应用轻量化技术的意义

1.有助于提高汽车整体性能

通常，在汽车上应用的轻量化材料具有质量轻、性能好的特点，这样会提高车辆零部件的耐磨程度和使用寿命，结合现代汽车先进的装配工艺，能够大幅度提升车辆的整体稳定性。

2.有助于降低汽车各类成本

对于汽车行业而言，新车研发、车辆制造等会耗费其大量费用，通过增强车身结构刚性，可以减少某些非关键材料，避免车辆生产过程中的材料浪费，从而帮助车企节约成本。对于用户而言，车身自重更轻，所需的燃料（电量）更少，使车辆的行驶里程增加，从而使用车成本更低。

3.有助于减少生态环境污染

传统汽车尾气排放会对大气造成污染，即使是现在的新能源汽车也会产生污染，只不过新能源汽车的能源结构将污染端转移了出去。随着市场上的汽车保有量增加，为了降低汽车行驶对环境的污染程度，可以通过使用轻量化材料和技术减轻车辆自重，降低油耗，减少车辆尾气排放量。

二、汽车工程轻量化技术的技术路径

（一）结构优化技术

结构优化技术就是针对汽车原来的车辆结构，利用计算机辅助工程（CAE）进行仿真设计，进一步优化拓扑结构、车身尺寸、车身形状等，在不降低车身刚性的情况下，提高车身结构的承压能力，保证车辆的行驶安全。

1.汽车拓扑设计优化

在汽车工程轻量化技术研究中，汽车拓扑结构设计是最重要的一环。因为后续的结构设计都要在此基础上展开，汽车企业在汽车设计时就会对其结构进行多轮优化，去除冗余的结构，对车辆空间、零部件等进行结构优化，从而得到拓扑结构的最优解。然后在此基础上，调整车身的材料分布、结构形状和整体外形等，经过模拟试验后，设计出符合车辆行驶安全的车身结构。所以在车身轻量化设计上，必须在开展拓扑设计时引入特定算法，精心设计汽车结构，既要保证汽车的结构安全，又要有效降低汽车覆盖车身之后的风阻，让汽车发动机发挥出最大效能。比如，某汽车对控制臂进行拓扑设计优化，优化前的汽车前控制臂质量约7.5kg，拓扑设计优化后减重2kg。再如，某汽车对车辆前门进行拓扑设计优化，将钢制车门内板换为多材料分块式车门内板，减重比例可达22.8%。

2.汽车外形优化设计

在汽车拓扑设计优化的基础上，优化设计汽车外形，可以进一步提高汽车的经济性（续航里程）。通常，汽车外形优化设计需要考虑最终成形的产品外观是否优美，外观漂亮的车身更容易引起消费者的购买欲。同时，还要考虑汽车整体结构的受力状态，通过应用轻量化材料，或者应用有限元法、参数形状优化法等对车身几何结构进行重组，减少低负荷部位的材料使用量，不仅能减轻车辆自重，还能让汽车的车身整体均衡、协调、好看，降低行驶过程中的风阻。

3.汽车布局优化设计

汽车布局优化设计，优化汽车的整体结构或局部结构，强化汽车保留的重要结构部位，从而保证车身的刚性。所以汽车布局优化设计是要在整体框架下，优化重组部分冗余结构，强化主体框架结构，比如，在汽车上取消车架，采用承载式车身，可以有效减轻汽车自重。再如，针对价格敏感的消费者，可以使用前置前驱布局的汽车，减少传动系统部件和发动机的能量损耗，降低汽车自重。

4.汽车尺寸优化设计

尺寸优化是对汽车的板厚、梁截面等尺寸优化，应用轻量化材料，使应力均匀分布，减少耗材使用量，降低汽车的整体车身重量。一般来说，使用线性弹性尺寸优化方法可以优化汽车零部件，应用数值优化算法则可以优化车身结构，保证车身的刚性、韧性和吸能性等。比如，对汽车保险杠进行薄壁化开发，传统保险杠的壁厚约为3mm，重量约为4～5kg，使用改性PP材料后，保险杆壁厚为2.5mm乃至更薄，可以减重15%～20%，保险杠的重量将降低到3.2～4.25kg。

（二）应用轻量化材料

不管采取哪种汽车轻量化技术，都必须与轻量化材料搭配，才能达到“1+1>2”的效果。现阶段，刚强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料等轻量化材料在汽车上应用较为广泛，这些轻量化材料不仅能提高车辆的整体性能，还能降低汽车的生产成本。

1.高强度钢的应用分析

国内外对高强度钢的定义和划分标准并不统一，但是通常将屈服强度在210～550MPa的钢材称为刚强度钢，在210MPa以下的钢材称为软钢，高于550MPa的钢材被称为超高强度钢。与普通钢材相比，高强度钢具有价格便宜、吸能性好、结构强度高等特点，将其运用到汽车的关键结构中，可以大幅度提高汽车车身结构的强度，如底板梁、顶盖横梁等地方通常会使用超高强度钢。高强度钢还具有韧性较好的特质，容易冲压成型，焊接和涂装非常方便，可以利用汽车现有的生产线对其进行加工生产，不用增加额外的投资，高强度钢通常会被用在车门板、顶盖等地，用于提升车辆的刚性强度。

2.铝合金的应用分析

相比刚强度钢，铝合金在汽车上的应用更广泛。这是因为铝合金的密度只有钢的1/3，可以降低汽车的自重，而且铝合金的吸能性是钢的2倍，万一发生碰撞，能够很好地吸能，保证驾乘人员的安全，部分豪车甚至将全铝车身作为自身的卖点之一，如奥迪A8、捷豹XJ等。同时，铝合金的具有弹性好、耐腐蚀等特点，车辆报废之后可以有效回收车身，回收利用率可以保持在90%以上。虽然在汽车上使用铝合金，可以大幅度减轻车辆自重，提升车辆安全性，但是铝合金的价格比钢材价格高3倍，焊接工艺复杂，一旦发生碰撞就需要整体更换，从而使得车辆的整体用车成本增加。

3.镁合金的应用分析

镁合金作为质量最轻的金属材料，其密度只有钢的2/9，具有吸能性强、减震性好、安全性高等特点。20世纪30年代，这种材料被应用到车辆上，在关键结构部件使用镁合金，可以改善车辆的NVH性能。当前，德国是全球镁合金领域的龙头企业，汽车中常用的镁合金零件超过100种，如变速箱壳、仪表盘等。不过，镁合金材料并不非理想的轻量化材料。因为镁合金的化学活性强，在生产加工过程中可能会出现燃烧或爆炸，存在一定的安全隐患。

4.钛合金的应用分析

钛合金在汽车制造中可以用作曲轴连杆、底盘、刹车盘等部件，用以提高汽车刚性。虽然目前这种材料主要应用于赛车，但随着时代的发展，材料价格降低，在汽车领域有着广阔的发展前景。

5.碳纤维复合材料的应用分析

碳纤维复合材料融合碳纤维的稳定性或树脂材料的耐久性，将碳纤维复合材料应用到汽车上，可以降低车身的重量，提高车辆的耐磨性，故而复合材料主要应用于挡泥板、遮阳板等地方。碳纤维复合材料的成本高、周期长、工艺繁，导致碳纤维的总体成本居高不下，但是随着碳纤维复合材料成本下降和制造工艺改进，碳纤维复合材料具有广阔的应用前景。

6.工程塑料的应用分析

工程塑料，如PP、PVC、PA等，弹性好，成形十分容易，吸能及缓冲效果好，而且质量非常轻，很多汽车企业将工程塑料应用于车辆中，如翼子板、内外饰件等。随着模块化技术和连接技术的进步，工程塑料在汽车行业将得到更多的应用，比如，采取模块化和集成化技术，工程塑料能够作为局部框架或嵌件，减少零件使用量，提高装配工作效率，可以在原金属件的基础上减重30%以上。

（三）革新制造工艺

随着轻量化材料和结构优化技术的应用，在汽车生产上应用热冲压成形、喷射成形、液压成形等制造新工艺、新技术，进一步降低车辆自重，提升车辆的安全性。

1.热冲压成形工艺

热冲压成形工艺将热冲压成形用钢加热至奥氏体化，让钢材在这个温度持续一段时间，然后快速转移到热冲压模具中进行成形、淬火、修边等。通过热冲压成形的钢材，抗拉强度超过1500 MPa，将这种工艺用于生产汽车的防撞梁、加强板，可以减少焊接工序，有效增强车辆的可靠性和稳定性。

2.喷射成形工艺

喷射成形工艺主要用在各种合金材料成形上，喷射成形既能减少制造工艺，又能提升成形材料的质量，还可以提高汽车企业的生产效率。喷射成形工艺，需要用高压惰性气体将合金液流雾化成细小熔滴，在高速气流下飞行并冷却，在尚未完全凝固前沉积成坯件。喷射成形工艺一般用于汽车发动机缸体、传动系统零部件等制造。

3.一体化压铸

一体化压铸采用大吨位压铸机将多个零部件一次压铸成型。这种新工艺，不需要复杂的焊接（连接）工艺，将地板、纵梁等压铸成型，可以节约焊点（缝），降低成本费用，减轻车身重量。

（四）优化连接技术

随着轻量化材料和技术的应用，汽车企业将各种材料紧密结合是一项重大挑战。例如，焊点技术无法将金属材料、合金材料、非金属材料、复合材料连接起来，这就必须采用新的连接方式，保证汽车车身、框架结构等紧密相连。在汽车生产过程中，经常会用到各种连接技术，主要由热连接技术（如MIG焊、激光焊等）和冷连接技术（包括冲铆连接、卷边连接等）组成，采用新的连接技术，不仅可以将各种材料紧密相连，还能减少焊点或零部件的使用量，提升汽车的整体性能。但是很多连接技术还要不断优化，才能将各种材料结合，如塑料与金属之间的黏连，很可能由于温差而生产应力和应变，这就要求胶黏剂一定要能契合塑料和金属的特性，不能因热胀冷缩造成金属与塑料脱落。

三、 结语

汽车工程轻量化技术不是对某项技术或材料的简单拼接，而是综合运用轻量化材料、优化结构布局、成形工艺、连接方法等，明确划分车辆的各部件材料，在保证车辆安全的前提下，降低车身自重，增强车辆的操作性能，提升车辆的经济性。在节能环保理念的支持下，当前的新能源汽车对轻量化材料和技术的应用更为广泛，随着科学技术的进步，新能源汽车行业将迎来黄金发展期。

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