汽车轻量化论文

摘要：汽车轻量化对于降低汽车燃油消耗和减少排放污染起着举足轻重的作用，采用轻质材料是实现汽车轻量化的重要途径。

文章详细分析了轻量化技术在现在汽车种的应用，包括铝合金镁合金钛合金3种轻合金的特点。

轻量化设计技术以及金属成型方法和连接技术，说明了汽车轻量化的意义，对汽车的轻量化技术发展有一定的指导作用。

关键词：汽车；轻量化；车身1轻量化技术在汽车上的应用目前，国内外应用于汽车的请炼化技术主要有：1）轻质材料技术的应用，如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）结构优化及计算机辅助设计和分析技术的应用；3）汽车制造中新的成型方法和连接技术的不断应用。

1.1.1基于材料的轻量化技术的应用1.11高强度钢在汽车上的应用高强度刚已成为颇具竞争力的汽车轻量化材料，它在抗碰撞性能，加工工艺和成本方面与其他材料相比具有较大的优势。

采用高强度钢板，首先能改善汽车的安全和碰撞性能，传统的碳素钢虽然可以吸收碰撞能量，但其缺点是质量大，影响燃油经济性；高强度钢板用于汽车车身，除了能减薄车身部件厚度降低自重之外还可以提高汽车表面件的抗凹陷性及抗破坏能力，在降低燃油消耗率的同时又可以提高汽车的安全性。

国外高强度钢在汽车上的应用以日本最为典型。

在日本，车身零件实际应用高强度钢始于20世纪70年代，最早应用于车身外表件，然后应用到内部零件和结构件。

目前，日本悬架结构和支撑件的强度已达到800-1000MPa。

抗拉强度410 MPa的高强度钢多用于内部件，即将采用590 MPa高强度钢用于内部件，有望进一步减薄零件厚度。

1.12铝合金在汽车上的应用铝具有高的导电性和导热性，密度小，塑性好，易成型，易回收利用。

可通过铸锻冲压工艺制造各类汽车零件。

自1991年使用高强度铝合金以来，北美汽车上铝的用量已增加2倍，运动多用途车皮卡和微型厢式车上的铝的用量呈3倍增长。

目前，铝合金已经广泛应用于汽车车身底盘零部件以及发动机的某些部件上。

现代轿车发动机活塞几乎都采用铸铝合金，这是因为活塞作为主要的往复运动件要靠减重来减小惯性，减轻曲轴配重，提高效率，并需要材料有良好的导热性，较小的热膨胀系数，以及在350度左右有良好的力学性能，而铸铝合金符合这些要求。

同时由于活塞连杆采用了铸铝合金件，减轻了质量，从而降低了发动机的振动，降低了噪声，使发动机的油耗下降，这也符合汽车的发展趋势。

近年来，一些新型铝合金材料也开始在汽车上应用，如快速凝固铝合金TiAi金属间化合物泡沫铝材铝复合材料铝基粉末冶金材料和铝拼焊冲压坯材料。

1.13 镁合金在汽车上的应用镁合金的基本特性如下：1）质量轻。

镁合金比铝合金轻33%，比钢轻77%，为常用结构金属材料中最轻的材料。

同时，镁能制造出与铝同样复杂的零件而质量则较后者轻1/3.镁合金用于车辆，将显著地降低其起动惯性，降低燃油消耗，减少环境污染。

2）比强度高，刚性强。

同等形状下，镁合金制品的刚性为塑料的10倍以上。

如用镁合金代替ABS塑料，则制品的质量可以减少36%，厚度可以降低64%。

3）耐冲撞，阻尼吸震性能极佳。

镁合金抵抗振动及降低噪声的性能极佳，一般为铝合金的6-30倍。

4）尺寸稳定，收缩率小。

镁合金制品不易因环境温度变化而改变。

出模时产品只有很小的残余铸造应力，因此，它无需退火和去应力处理。

5）可自动化生产，模具寿命高。

由于熔融的镁不会与钢起反应，这使得它更容易实现在热室压铸机中进行自动化生产操作，同时也延长了钢制模具的寿命。

6）压铸成型性优良。

可压铸制造形状复杂的零部件和很薄的外壳件。

7）资源丰富，易于回收再利用。

镁在地壳中的含量约2.5%，也可以从海水中提炼。

另外，镁合金可完全回收再利用，复合环保的要求。

8）散热性好。

镁合金有高散热性能，热传导性比一般结构金属的好，尤其适用于电子产品。

9）良好的切削性能。

镁比铝和锌有更好的加工切削特性。

从1990年开始，镁压铸件在北美汽车工业中的用量一直以每年约15%的速度增长。

尽管如此，目前，北美平均每辆车中镁的用量仅为3.5kg，预计2010年可达10kg。

德国平均每辆车用镁量为2kg。

镁铸件在汽车上的应用大致分为2类：1）非结构铸件，这类镁铸件不需承受巨大的冲击；2）结构铸件，这类镁铸件需承受特定的载荷，且能满足一定的抗冲击要求。

随着材料及成型技术的进一步发展，镁合金的强度得到提高，应用范围将进一步扩大，镁合金在汽车上的应用正从内饰件转向发动机罩盖和后行李箱盖板等部件。

1.14 钛合金在汽车上的应用钛合金因其质量轻，耐腐蚀性好等优点而获得广泛应用，尤其是作为高强度材料，钛是继钢和铝之后崛起的“第三金属”。

近年来，钛及钛合金正逐步应用于汽车材料的研发，国外汽车工业研发非常重视利用钛合金材料来实现汽车的轻量化，以提高强度降低油耗保护环境。

1.15工程塑料及复合材料在汽车上的应用工程塑料具有密度小成型性好耐腐蚀防振隔音隔热等优点，在汽车上的应用越来用广泛。

目前，塑料主要用于汽车的内部饰件。

复合材料由增强纤维和塑料复合而成，作为汽车材料，具有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及抗振等优点，但存在生产效率偏低可靠性差耐热和耐燃性差不能无损探伤等缺点，目前在汽车上应用较少。

1.16玻璃增强材料玻璃增强材料与金属相比具有比重小，比强度高，耐腐蚀和隔音，隔热等特点，可以成型复杂形状的零件且制作成本低。

因此汽车厂家越来越多的选用玻璃增强材料来代替金属，主要有SMC和GMT2种材料。

一般这2种材料主要应用在保险杠防撞杆，前翼子板，后备胎罩和后背门上。

1.17 结构发泡材料车身接头对整车的安全，刚度，强度有着至关重要的影响，如何加强接头是重点考虑的问题。

应用预埋在接头处的高强度的结构发泡材料来提高整车刚度是一种有效方法。

高强度结构发泡材料具有质量轻，可以制作复杂形状，加强效果明显等优点，已经逐渐被汽车厂商接受并使用。

1.18 其他轻量化材料在汽车上的应用精细陶瓷是继金属和塑料之后发展起来的第3大类材料，具有优良的力学和化学性能，因其优良的耐热性，耐腐蚀性和耐磨性而用于汽车发动机燃烧室及热交换器等部件，使功率提高，油耗大大降低。

2基于设计的轻量化技术的应用2.1优化结构设计国外设计轻量结构的研究开发主要有2方面，一是开发新的更实用的设计方法，以优化零件的造型设计；二是设计轻结构形状，力图按照实际工况来优化零件的形状。

1）优化并排焊点。

布置两排或者多排焊点的翻边肯定比布置单排焊点的翻边宽，因此在设计中应该充分利用模拟分析来优化焊点的布置形式和数量以减轻车身质量。

2）避免用增加零件整体料厚的方法来解决零件本身局部刚度或模态问题。

一般可以采用优化加强筋的形状和位置，局部增加加强板的方法来解决。

3）减重孔的优化设计。

通过减重孔的设计去掉不必要的质量，达到减重的目的。

2.2实体结构设计和布局汽车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，轻量化。

因而在考虑轻量化时，要协调总成和整车，总成与总成之间可能出现的各种矛盾。

利用CAD技术，可以准确地实现车身实体结构设计和布局设计，对各构件的形状，配置及板材厚度的变化进行分析。

对于采用轻质材料的零部件，可利用CAE技术作零件的布局干涉分析和运动干涉分析，使轻量化材料能满足车身设计的各项要求。

2.3用形状优化实现轻量化形状优化法能达到既减小零件的质量又延长零件寿命的目的。

这种方法采用一种建立在生物学增长规律基础上的数值计算方法。

它的基础是模拟一种凭借经验确定的生物学增长规律，用有限元法研究生物增长载体的力学特性。

研究发现，生物增长载体会避免应力集中，并始终试图增长在一种标准载荷作用下表现为均匀表面应力的形状。

这给设计师以启发，即可借助于形状的变异来降低峰值或使应力分布均匀化。

具体做法是向承受高负荷的部位储存材料，而将承受低负荷的部位去除材料，零件的形状将按照避免出现应力高峰并使应力分布均匀来设计。

这种结构设计方法已应用于汽车后轴差速器壳体，半轴等零件上。

这种基于生物学增长规律的形状优化方法，可收到既减轻零件质量，又避免局部应力高峰的效果。

3基于新制造工艺的轻量化技术的应用为了达到进一步减轻质量及降低成本的目的，除了开发高强度钢，铝，镁轻合金材料外，近年来，还开发了一系列适用于这些新材料的新制造工艺，如激光焊接，液压成型，半固态金属加工，注射成型和喷射成型技术。

3.1激光焊接20世纪90年代中期，世界汽车工业使用的激光加工系统已超过5000台套，在激光焊接领域硕果累累。

激光焊接工艺采用各种复合拼焊板生成轿车零件成为可能。

激光拼焊工艺改善了车身零部件的使用性能，降低了汽车质量，提高了汽车结构可靠性及安全性。

车身激光拼焊工艺具有下列优点：减小结构件质量及材料消耗，减少零件数量，特别是减少垫板及其他一些加强元件；提高车身质量稳定性及结构可靠性，因为这种车身能轻松的在静态负荷，冲击负荷及变负荷下保持强度均衡。

3.2液压成型技术液压成型主要是指把要成型的管件或者板料放在密闭的模具种，再把流体介质引入到管件内腔，增加水的压力，使管件或者板料在常温下在模具内变形，最终成为所需要的汽车部件形状。

液压成型技术是一种先进的生产工艺，目前在欧洲和北美的汽车工业界得到广泛的应用。

3.3半固态铸造技术金属材料从固态向液态或者由液态向固态的转变过程，都要经历半固态阶段。

在此阶段，合金内既存在固相又存在液相。

半固态加工是将金属或合金在固相线和液相线温度区间进行加工，形成近终形产品的一种新方法。

半固态成型的工艺路线有2种，分别是流变铸造和触变铸造。

流变铸造的工艺简单，能耗低，铸造成本低，但由于流变铸造中半固态金属浆料的保持及输送要求严格且困难，流变铸造的实际应用较少。

目前，半固态铸造多以触变铸造为主。

但由于触变铸造首先需要生产半固态金属坯料，成本高，二次加热能耗大，工艺过程较复杂，其应用也受到限制。

3.4喷射成型喷射成型又称雾化沉积或者喷射铸造，是20世纪80年代以来在传统快速凝固/粉末冶金工艺基础上发展起来的一种全新的成型加工技术。

其原理是采用高压惰性气体将金属液流雾化破碎成大量细小的液滴，并使其沿喷嘴轴线方向高速飞行，在这些液滴尚未完全凝固之前，将其沉淀收集到具有一定形状的接收机体上并积累，通过合理设计接收机体的形状及控制其运动方式，便可以从液态金属直接制取具有快速凝固组织特征和整体致密的圆锭，管坯，板坯及圆盘等形状的沉积坯件。

3.5激光拼焊技术拼焊板是将2块或者2块以上具有不同机械性能，镀层和厚度的板料焊接在一起，从而得到具有理想强度和刚度的板料。

通过拼焊板技术的应用，可以实现同一个零件在需要加强处采用厚的材料，不需加强处采用薄的材料从而减少零件数量，优化板厚，达到减重目的。