技術路線】汽車輕量化設計的技術路線分析
摘要：
汽車輕量化是節能減排的重要措施，對於汽車工業的長遠發展有著重要影響。目前汽車輕量化材料在車身上得到了廣泛的應用，實現汽車輕量化主要通過採用輕量化材料及應用先進的工藝技術，輕量化材料不僅可以節能減排，也可以降低汽車研發成本。採用先進的工藝技術可以提高車身的安全性、耐久性。對此，本文從多個角度分析汽車輕量化設計的多種技術路線。
1引言
輕量化設計的突出優勢體現在提高了汽車燃油經濟性，減少了尾氣排放量，也節約了材料。研究顯示，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6~8%；汽車每減少100kg，百公里油耗可降低0.3~0.6L。輕量化對環保也很有好處，車輛每減輕100kg，CO2排放量可減少約5g/km。輕量化對於製造企業和消費者都是有益的。輕量化設計技術路線較多，需要就工程實際進行選擇，減少成本，得到最大的輕量化效果。
2汽車輕量化現狀
我國的汽車技術發展路徑主要包括：新能源汽車技術、發動機減排技術和汽車輕量化技術，雖然目前汽車輕量化技術已經成為各國汽車發展的重要技術手段，但是我國汽車輕量化技術的使用暫時還並沒有被大規模普及，國內汽車輕量化相關產業暫時還未形成較為大型的規模。與世界大品牌的汽車企業相比，我國還存在著較大的差異，例如我國目前也還是使用鎂鋁合金，但是使用的比例卻比先進國家的水平相差1/2，尤其是與北美國家的汽車企業相比輕量化材質的使用僅僅是其的1/3，與歐洲的一些先進國家的汽車企業相比更是僅僅能達到其合金用量的1/10。因此我國還需要加大力度推廣汽車輕量化技術。但是想成功實現汽車減重並不是僅僅需要依賴於材質的改變，汽車輕量化設計包括輕量化製造工藝、輕量化結構設計和輕量化材料設計各種技術的集成。
3汽車輕量化設計的技術路線分析
3.1材料替代
3.1.1高強度鋼板的應用高強度鋼板的真正優勢是減薄鋼板、減輕車身質量而又不降低車身安全性。無論從成本還是性能角度分析，高強度鋼板是滿足車身輕量化、提高碰撞安全性的首選材料，主要應用在AB柱、地板、門檻等車輛的關鍵結構件。
3.1.2鋁合金的應用鋁合金作為輕質金屬，是汽車輕量化的理想材料。鋁合金在汽車領域的用量在逐步增加，且種類多樣化，大有代替鋼板、成為未來汽車車身主要材料的趨勢。鋁合金的主要特點包括：密度小、比強度和比剛度高、彈性和抗衝擊性能好、耐腐蝕、耐磨、高導電、高導熱、易表面著色、良好的加工成形性及高的回收再生性等。鋁合金分為鑄造鋁合金和變形鋁合金，鑄造鋁合金用於重力鑄造件、低壓鑄件和特種鑄造件；變形鋁合金主要用於空調系統零件、壓縮機件、行駛系部分零件、發動機冷卻系統散熱器件、車身零件和裝飾件等。鋁基複合材料用於製造汽車活塞、氣缸套、懸臂架、制動卡鉗、驅動軸及車輪等汽車零件。
3.1.3熱塑性塑料的應用熱塑性塑料目前主要應用在後尾門，雷諾汽車的後尾門是市場上最大的塑料尾門之一，相比鋼製後尾門，減重10%，提高了市場感知度，並且注塑、組裝工藝簡單，降低了生產成本。
3.1.4複合材料的應用複合材料是由2種或2種以上不同性質的材料組成，其綜合性能優於原組成材料，並滿足不同的要求。其中，碳纖維複合材料（CFRP）因其質量輕、高強度（鋼的5倍）、高模量和良好的耐熱、耐腐蝕性等特點，已成為一種非常理想的汽車輕量化材料。如果1輛乘用車採用10kg的複合材料，按照每年新車產量2300萬輛計算，車用複合材料產業將形成千億元的市場規模。由於碳纖維複合材料製造成本過高，在汽車中的應用有限，最初僅在F1賽車、超級跑車、小批量車型上應用，如蘭博基尼、柯尼塞格、雷克薩斯LFA、保時捷911GT3承載式車身上。但隨著碳纖維製造成本的下降，複合材料製造工藝的成熟，各大主機廠紛紛進行碳纖維零部件的開發，如今被廣泛地應用於高級轎車上。
3.2結構優化
車身結構優化設計：車身結構優化設計方法主要有車身剛度、強度和疲勞強度分析法、反演技術、多目標優化、不確定性優化等，均為研發車身基本特性參數匹配及優化的關鍵技術，為車身結構優化設計提供有力支持。車輛輕量化結構設計技術包括多種輕量化材料的匹配、零部件的優化分塊及結構設計，部分車型在結構件上也採用了輥壓成形，差厚板等工藝技術，可減少零部件數量，減少工序，減輕質量，降低成本，在保證汽車整體性能不受影響的前提下，達到輕量化的目的，雷諾採用差厚板設計，實現減重2kg。例如EXO的概念車又稱為「網格曲面結構」，設計師的目的是希望用直線製作出車身曲面的效果。在車身和前大燈造型方面類似於歐洲許多建築物頂部半圓的穹頂的球體被劈成兩半的形狀，造型來源是由於想像從許多距離相等的點，並且將其連接起來則會形成一個網格狀的結構球體。並且對於車身結構來說，利用網格狀的結構不盡強度可以提高，而且在車架外部覆蓋這樣一個網格狀的結構可以減少材質的使用，該車的發動機罩及擋風玻璃採用複合材質，更有效的降低汽車的重量。
3.3性能優化設計
當前汽車是人類生活必不可少的交通工具，對於汽車的使用要求轉提出，而保證汽車性能的穩定性，提高汽車行駛的安全性是首要考慮的話題。影響汽車安全性的因素為變形吸能的零部件，如耐撞盒、前縱梁等。這些零部件在運行的過程中，會對汽車碰撞時的加速度或力構成很大的影響，可見，保證薄壁吸能部件的質量是關鍵，也是汽車開展輕量化設計的關鍵所在。僅僅依靠優化設計薄壁吸能零部件是不夠的，還要深度研究汽車的高強度鋼板在吸能上的特徵表現。
3.3.1汽車板材的選擇
當前汽車領域的材料發展速度較快，研發力度較大，諸多新型的汽車製造材料被挖掘出來，但是仍舊無法全面代替汽車製造過程中所需的鋼材，因此，鋼材仍舊是現代汽車車身設計的主要結構材料。高強度鋼板的出現，能適度的減少汽車在鋼材上的使用量，進而會減輕汽車本身的重量，實現汽車的輕量化設計，且材料成本較低，值得被應用到的汽車設計領域。CAE技術、數值優化技術的出現，能及時對車輛在碰撞上的安全係數、雜訊與振動情況進行分析，能通過各項數據的羅列，能在汽車設計中做到智能化選材。為此，就汽車板材、耐撞吸能性進行分析，就板材的質量、特點等內容予以深度闡述。汽車板屬於薄鋼板，且很多零部件都是採取衝壓的方式而成形的。蓋板、車門屬於車身的覆蓋件，而內部的構件主要為支撐的筋板、梁等。一般情況下，汽車衝壓板的尺寸較大，形狀比較複雜，材料較薄，對整個部件表面要求很高，若部分區域遭受外力干擾極易發生變形，會對部件構成嚴重的威脅，最終形成廢件。現如今，常見的汽車製造所需鋼板有深沖鋼板、高強度鋼板、鍍層鋼板、超低碳超深沖鋼板以及複合型鋼板五種。其中，高強度鋼板在汽車的輕量化設計中佔據著優勢。
3.3.2車體側面碰撞優化設計模型
為了深度開展汽車的輕量化設計工作，本文選取了整輛車的側面碰撞有限元模型來開展優化設計實驗。選材的零部件準備好模擬車後，應保證小車以55km/h的速度進行撞擊，保證撞擊在規定時間內完成。藉助計算機系統對的碰撞有限元的相關數據與信息進行分析，選取車體的側面為研究對象，進行數值優化設計，從中選擇最優的材料匹配對象，旨在提升汽車側面碰撞的安全性。通過研究與實踐，最終獲得側面碰撞選材的數學模型：
在該模型的關係式中，xim表現零件，其屬於一個變數，取值主要為幾種鋼種，而P1d、P2d、P3d則分別是P1、P2、P3滲透量的最大值，而P1v、P2v、P3v則為三個點的滲透速度。P1、P2、P3三點為模型響應測驗時所選擇的點。
4結束語
綜上所述，汽車強量化設計與材料、結構設計等緊密結合，在實際設計過程中，可著重從車輕量化材料的使用與汽車結構的輕量化設計入手，盡量使用輕量化材料，並結合合理的結構設計實現在整車剛度、性能不降低的前提下的輕量化。技術的不斷發展也會促進汽車輕量化設計的發展，需設計人員注重自身素養和理論知識的提升，依據實際需求進行優化設計。
參考文獻
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