汽车轻量化技术的应用
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质， 使坯料在施力介质作用下， 贴合凸模或凹模面成 形。 它是一种柔性成形技术，可以为一些形状复杂、强 度高和成形性差的材料提供理想成形工艺， 如图 3 所 示。 液压成形分为板材液压成形和管材液压成形，在汽 车工业中，应用较多的是管材内高压成形。 与冲压焊接
2第0152（ 期5）
APPLICATION 技术应用
汽车轻量化技术的发展， 一个重要目的就是解决 汽车产量和保有量不断增多对社会和经济带来的能 耗、安全和环保 3 大问题。 LCA 是一种对产品的生产工 艺及活动的环境负荷进行评价的客观过程， 它通过对 能量和物质消耗以及由此造成的废弃物排放进行辨识 和量化，来评估能量和物质利用对环境的影响，以寻求 改善产品或其工艺的途径 ， [4-5，7] 是工艺评价的重要方 法。 轻量化固然要减轻汽车的质量，但也要以不与汽车
实现汽车轻量化必须集成利用多种新材料和相关 应用技术。 目前，汽车轻量化材料使用的主要是高强度 钢，其次是铝镁合金、复合材料及塑料。 其中，高强材料 主要用于降低钢板厚度，保证汽车结构和安全性能；低 密度材料主要用于非结构件替换和减轻汽车质量。
1） 高强钢是轻量化的关键材料[2]，它的大量使用 既实现了整车轻量化， 又保证了汽车的安全性和可靠 性，因此，高强钢使用面广且量大，如图 1 所示。
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技术应用 APPLICATION
2012 年 5 月
1．1．3 工艺预置 汽车结构复杂， 它的工艺实现对整车能否达到轻
量化目标有着至关重要的影响。 汽车业的发展，使高强 钢、铝镁合金和复合材料不断推出，也对应用工艺提出 了新要求。 如：界别越高的高强钢，在成形性上要求越 高， 热成形技术是个好办法； 有的部件如轿车的副车 架，形状复杂且生产困难，液压成形能提供一个解决途 径。 而通过 CAE 技术可以分析出这些工艺的可行性和 路径[2-3]。 1．1．4 试验仿真
中汽协《汽车轻量化意义》面向未来，要求对汽车 总体结构进行分析和优化， 在 6 个方面落实整车轻量 化：汽车零部件的精简与整体化和轻量化以及发动机、 变速器、悬架、车身和附件轻量化。 我国自主品牌汽车 的轻量化技术水平与发达国家相比仍存在较大差距， 但国内厂家也在追求轻量化材料的扩大使用， 部分工 作也已开展。 目前，国内厂家正在就典型轿车、商用车 和客车轻量化材料的应用技术和使用性能进行研究， 如：一汽、吉利某型轿车、东风公司重型卡车及奇瑞某 款轿车轻量化材料应用的关键技术研究等。 其中，对高 强钢和铝的使用结果最值得期待[1]。
件相比，管材液压成形的优点是：1）节约材料；2）减少 后续工作量；3）由于焊接减少，可提高构件的强度与刚 度；4）与冲焊件相比，材料利用率为 95%～98%；5）降低 生产成本和模具费用达 30%[6]。
图 3 液压成形技术在汽车上的应用
1．3．3 激光拼焊板技术的应用 由于激光焊接技术的特殊性，焊接速度快，热影响
优化设计的核心是通过对汽车产品的合理设计， 在满足整车使用性和经济性各项要求的情况下， 选择 并使用适当的轻量化材料， 需要利用设计者的经验和 CAE 技术。 前者的实质是轻量化数据库建设，设计者的 经验可以通过积累获得转化， 成为轻量化数据库专家 系统的一环。 同时，从设计的静动力学分析，到关重件 生产工艺模拟，再到整车性能研究，CAE 技术的利用可 以给出材料选择的合理预判[3]。
1．1 优化设计在轻量化技术上的作用 1．1．1 结构构建
汽车的优化设计主要针对车身与关键零部件总成 2 个方面。优化设计中可以：1）优化车身的空间结构，满 足各种工作载荷；2）减小或减少车身多余的尺寸、零件 数量和零部件厚度；3）优化零部件形貌，减少不必要的 结构或用于增强的加强件数目[2-3]。 1．1．2 材料选择
4） 塑料及纤维复合材料在汽车工业的应用也日 趋增加，汽车上应用塑料件已达数百个。 在重型卡车上 塑料和复合材料的应用已超过 150 kg， 由普通的塑料 到高强度复合材料均有应用[5]。
5） 金属基复合材料是 20 世纪 60 年代发展的新 材料，80 年代之后进展很快。 汽车工业应用的 MMC 主 要是纤维增强及颗料增强铝基复合材料。 应用于发动 机与刹车系统零部件。 发动机零件有缸套、活塞、连杆、 活塞销、摇臂和气门挺柱。 在刹车系统应用于刹车盘和 刹车毂。 1．3 新工艺在轻量化技术上的作用 1．3．1 热成形技术的应用
2012（5）
APPLICATION 技术应用
汽车轻量化技术的应用
向晓峰 魏丽霞 马鸣图 （中国汽车工程研究院股份有限公司）
摘要：应用汽车轻量化技术可实现减轻汽车质量，解决节能与环保问题。 文章通过轻量化对促进汽车工业健康发展重要 性的论述，阐明轻量化技术在汽车结构优化设计、轻量化材料开发应用及新工艺上实现的方法和主要作用，以及产品全 生命周期评价列为轻量化技术之一的考虑，揭示汽车轻量化技术的主要应用方向和应用现状，强调轻量化技术在汽车 轻量化中的重要作用与前景。 关键词：汽车轻量化；优化设计；新材料；新工艺；LCA
既要轻量化又要提高汽车性能的一个手段就是采 用高强度的轻量化材料。 目前，乘用车达到 Uncap 碰撞 4 星和 5 星级水平的车型， 在主要的安全件中（A，B，C 3 柱和保险杠防撞梁、 门防撞杆及保险杠防冲柱等）普 遍采用了抗拉强度为 1 500 MPa，屈服强度为 1 200 MPa 的马氏体钢，如此高的强度之所以能够实现，在于热成 形钢材与工艺技术的发展，如图 2 所示。 材料的加工成 形性与屈服强度和延伸率有密切关系， 而材料的断裂 应变和屈服强度与材料的温度有密切关系。 在 900 ℃ 时，热成形钢屈服强度下降至 150 MPa，断裂应变达到 50%以上，具有良好成形性和可加工性，在热成形之后， 随之进行冷却淬火达到高的强度， 并固定了热成形状 态下的零件形状[6]。
1 汽车轻量化技术的实现途径
轻量化技术的应用是一个完整的系统， 涵盖行业 多、学科多、产业链长，必须从轻量化的概念入手，通 过： 产品的优化采用轻量化设计→材料的选择实现轻 量化应用→工艺的处理得到轻量化结果→产品的试验 与产品全生命周期评价（LCA）给出轻量化评价。 因此， 轻量化概念就目前研究的现状，集中体现在优化设计、 新材料、工艺和 LCA 技术 4 个方面[1]。
一切车辆的好坏，免不了试验的验证。 在轻量化的 发展中，国外的汽车检测法规甚至已经用 CAE 分析替 代部分试验测试， 其结果得到各界确认而成为标准要 求。 对汽车轻量化影响最大的几项总体和零部件的试 验包括：白车身弯扭试验、白车身 NVH 试验、白车身碰 撞试验及保险杠碰撞试验等，都可以通过 CAE 技术得 到良好的仿真结果[3]。 1．2 新材料在轻量化技术上的作用
The Application of Automotive Lightweight Technology
Abstract： Applying auto lightweight technology can achieve weight reduction of automobiles and solve the problems of energy saving and environmental protection. The importance of lightweight technology promoting good development of auto industry is discussed. Lightweight technology in auto structure optimization design, lightweight material development, implementation methods and main functions of new process is illustrated as well as the assessment of life cycle of product is considered. The main application and status of auto lightweight technology is revealed. The important function and prospect of lightweight technology is emphasized. Key words： Automotive lightweight; Optimization design; New material; New process; LCA
3） 镁合金是比铝更轻的材料， 其体积质量仅为 1.8 kg/m3，轻量化效果更明显。 起初是用于壳体类、气 缸盖罩盖和方向盘骨架等件， 现在已经扩展到座椅骨 架、仪表盘骨架和支架类零件。
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地板通道
门槛
源自文库
前保险杠
前立柱（A 柱） 纵向承载梁
图 2 热成形钢在车身上的使用
1．3．2 液压成形技术的应用 液压（内高压）成形是指采用液态物质作为施力介
区小，因此，激光拼焊板材的成形性良好。 激光拼焊板技 术将不同厚度、不同强度或不同表面处理状态的板材通 过激光拼焊集成一个大的板坯进行冲制，这样可使模具 的数量和后续生产工序减少， 从而降低了生产成本，并 提高了零部件的质量，优化了零件结构，充分发挥了不 同强度和不同厚度板材的特性。 在汽车中采用激光拼焊 板材后，可使零件质量减轻 24%，零件数量减少 19%，焊 点数下降 49%，生产时间缩短 21%，其典型构件为：车门 内板、侧围板、地板和一些车身高强度结构件[6]。 1．3．4 金属半固态成形技术的应用
门板加强筋 横向支撑梁
车顶侧梁
车窗加强筋
后保险杠
悬置固定架
中立柱（B 柱）
MPa 1 500
980 780 590
图 1 高强钢在白车身的使用
2） 铝合金是轻质材料， 具有良好的抗腐蚀性，应
用前景良好。 近年来，铝材在汽车上应用量增加很快， 主要是板材、挤压材、铸铝及锻铝，在车身结构、空间框 架、外覆盖件和车轮等处均有大量应用[1，4]。
金属半固态成形技术的特点是高效、高性能、低成 本与节能环保，该技术经过多年不断发展，日趋成熟。 20 世纪 90 年代， 西方国家就已进入产业化应用阶段， 并对铝合金在汽车结构零件中的推广起到重要作用。 目前，德国 EFU，法国 Pechiney，美国 Alunax 公司，瑞士 Alusuisse 公司和意大利 Stampal 公司等，均已形成相当 规模的产业，大量用于汽车零部件的制备。 铝合金半固 态成形件单件尺寸与质量也不断加大，意大利 Stampal 和 Fiat 公司生产的半固态铝合金零件重达 7 kg[6]。 1．4 LCA 在轻量化技术上的作用
的 LCA 相违为前提，毕竟 LCA 追求的是产品全生命周 期面向环境的设计， 可以最大限度地提高可耗竭资源 的使用效率，减少材料与能量使用量；最大限度地使用 可再生能源； 排除或最大限度地降低对能耗与环境不 利的工艺的使用[7-9]。
2 汽车轻量化技术的应用前景
轻量化技术的发展始终围绕材料的应用而开展， 世界各国为此采取了不少措施： 美国 PNGV 计划明确 提出选用包括高强钢、铝合金、镁合金及塑料复合材料 来实现汽车轻量化， 并强调了扩大轻质材料应用的重 要性； 国际钢铁协会开展 ULSAB 超轻钢车身研究项 目，考虑到诸多因素，动员了五大洲 18 个国家的 35 家 国际著名钢铁企业和汽车行业参加，历时 4 年，实现目 标轿车白车身减轻质量 20%； 在实施 ULSAB-AVC 计 划中，将轻量化目标拓展到超轻钢悬架系统、发动机支 架以及其他结构件， 使所制得的白车身明显改善燃油 效率，材料易回收，成本可降低并可大批量生产。
近年来，中国汽车工业迅猛发展，使我国能耗、安 全和环保 3 大问题的影响日益加剧。 汽车轻量化技术 在满足汽车使用和经济要求的前提下， 将整车与零部 件结构优化设计、材料应用、工艺开发及环控（LCA 技 术）集成应用而实现汽车减轻质量的目标，迎合了汽车 业技术发展的潮流， 是目前解决环保与节能问题的最 有效手段。 文章在论述轻量化技术的重要性基础之上， 重点研究它的主要应用方向和应用前景。
2第0152（ 期5）
APPLICATION 技术应用
汽车轻量化技术的发展， 一个重要目的就是解决 汽车产量和保有量不断增多对社会和经济带来的能 耗、安全和环保 3 大问题。 LCA 是一种对产品的生产工 艺及活动的环境负荷进行评价的客观过程， 它通过对 能量和物质消耗以及由此造成的废弃物排放进行辨识 和量化，来评估能量和物质利用对环境的影响，以寻求 改善产品或其工艺的途径 ， [4-5，7] 是工艺评价的重要方 法。 轻量化固然要减轻汽车的质量，但也要以不与汽车
实现汽车轻量化必须集成利用多种新材料和相关 应用技术。 目前，汽车轻量化材料使用的主要是高强度 钢，其次是铝镁合金、复合材料及塑料。 其中，高强材料 主要用于降低钢板厚度，保证汽车结构和安全性能；低 密度材料主要用于非结构件替换和减轻汽车质量。
1） 高强钢是轻量化的关键材料[2]，它的大量使用 既实现了整车轻量化， 又保证了汽车的安全性和可靠 性，因此，高强钢使用面广且量大，如图 1 所示。
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技术应用 APPLICATION
2012 年 5 月
1．1．3 工艺预置 汽车结构复杂， 它的工艺实现对整车能否达到轻
量化目标有着至关重要的影响。 汽车业的发展，使高强 钢、铝镁合金和复合材料不断推出，也对应用工艺提出 了新要求。 如：界别越高的高强钢，在成形性上要求越 高， 热成形技术是个好办法； 有的部件如轿车的副车 架，形状复杂且生产困难，液压成形能提供一个解决途 径。 而通过 CAE 技术可以分析出这些工艺的可行性和 路径[2-3]。 1．1．4 试验仿真
中汽协《汽车轻量化意义》面向未来，要求对汽车 总体结构进行分析和优化， 在 6 个方面落实整车轻量 化：汽车零部件的精简与整体化和轻量化以及发动机、 变速器、悬架、车身和附件轻量化。 我国自主品牌汽车 的轻量化技术水平与发达国家相比仍存在较大差距， 但国内厂家也在追求轻量化材料的扩大使用， 部分工 作也已开展。 目前，国内厂家正在就典型轿车、商用车 和客车轻量化材料的应用技术和使用性能进行研究， 如：一汽、吉利某型轿车、东风公司重型卡车及奇瑞某 款轿车轻量化材料应用的关键技术研究等。 其中，对高 强钢和铝的使用结果最值得期待[1]。
件相比，管材液压成形的优点是：1）节约材料；2）减少 后续工作量；3）由于焊接减少，可提高构件的强度与刚 度；4）与冲焊件相比，材料利用率为 95%～98%；5）降低 生产成本和模具费用达 30%[6]。
图 3 液压成形技术在汽车上的应用
1．3．3 激光拼焊板技术的应用 由于激光焊接技术的特殊性，焊接速度快，热影响
优化设计的核心是通过对汽车产品的合理设计， 在满足整车使用性和经济性各项要求的情况下， 选择 并使用适当的轻量化材料， 需要利用设计者的经验和 CAE 技术。 前者的实质是轻量化数据库建设，设计者的 经验可以通过积累获得转化， 成为轻量化数据库专家 系统的一环。 同时，从设计的静动力学分析，到关重件 生产工艺模拟，再到整车性能研究，CAE 技术的利用可 以给出材料选择的合理预判[3]。
1．1 优化设计在轻量化技术上的作用 1．1．1 结构构建
汽车的优化设计主要针对车身与关键零部件总成 2 个方面。优化设计中可以：1）优化车身的空间结构，满 足各种工作载荷；2）减小或减少车身多余的尺寸、零件 数量和零部件厚度；3）优化零部件形貌，减少不必要的 结构或用于增强的加强件数目[2-3]。 1．1．2 材料选择
4） 塑料及纤维复合材料在汽车工业的应用也日 趋增加，汽车上应用塑料件已达数百个。 在重型卡车上 塑料和复合材料的应用已超过 150 kg， 由普通的塑料 到高强度复合材料均有应用[5]。
5） 金属基复合材料是 20 世纪 60 年代发展的新 材料，80 年代之后进展很快。 汽车工业应用的 MMC 主 要是纤维增强及颗料增强铝基复合材料。 应用于发动 机与刹车系统零部件。 发动机零件有缸套、活塞、连杆、 活塞销、摇臂和气门挺柱。 在刹车系统应用于刹车盘和 刹车毂。 1．3 新工艺在轻量化技术上的作用 1．3．1 热成形技术的应用
2012（5）
APPLICATION 技术应用
汽车轻量化技术的应用
向晓峰 魏丽霞 马鸣图 （中国汽车工程研究院股份有限公司）
摘要：应用汽车轻量化技术可实现减轻汽车质量，解决节能与环保问题。 文章通过轻量化对促进汽车工业健康发展重要 性的论述，阐明轻量化技术在汽车结构优化设计、轻量化材料开发应用及新工艺上实现的方法和主要作用，以及产品全 生命周期评价列为轻量化技术之一的考虑，揭示汽车轻量化技术的主要应用方向和应用现状，强调轻量化技术在汽车 轻量化中的重要作用与前景。 关键词：汽车轻量化；优化设计；新材料；新工艺；LCA
既要轻量化又要提高汽车性能的一个手段就是采 用高强度的轻量化材料。 目前，乘用车达到 Uncap 碰撞 4 星和 5 星级水平的车型， 在主要的安全件中（A，B，C 3 柱和保险杠防撞梁、 门防撞杆及保险杠防冲柱等）普 遍采用了抗拉强度为 1 500 MPa，屈服强度为 1 200 MPa 的马氏体钢，如此高的强度之所以能够实现，在于热成 形钢材与工艺技术的发展，如图 2 所示。 材料的加工成 形性与屈服强度和延伸率有密切关系， 而材料的断裂 应变和屈服强度与材料的温度有密切关系。 在 900 ℃ 时，热成形钢屈服强度下降至 150 MPa，断裂应变达到 50%以上，具有良好成形性和可加工性，在热成形之后， 随之进行冷却淬火达到高的强度， 并固定了热成形状 态下的零件形状[6]。
1 汽车轻量化技术的实现途径
轻量化技术的应用是一个完整的系统， 涵盖行业 多、学科多、产业链长，必须从轻量化的概念入手，通 过： 产品的优化采用轻量化设计→材料的选择实现轻 量化应用→工艺的处理得到轻量化结果→产品的试验 与产品全生命周期评价（LCA）给出轻量化评价。 因此， 轻量化概念就目前研究的现状，集中体现在优化设计、 新材料、工艺和 LCA 技术 4 个方面[1]。
一切车辆的好坏，免不了试验的验证。 在轻量化的 发展中，国外的汽车检测法规甚至已经用 CAE 分析替 代部分试验测试， 其结果得到各界确认而成为标准要 求。 对汽车轻量化影响最大的几项总体和零部件的试 验包括：白车身弯扭试验、白车身 NVH 试验、白车身碰 撞试验及保险杠碰撞试验等，都可以通过 CAE 技术得 到良好的仿真结果[3]。 1．2 新材料在轻量化技术上的作用
The Application of Automotive Lightweight Technology
Abstract： Applying auto lightweight technology can achieve weight reduction of automobiles and solve the problems of energy saving and environmental protection. The importance of lightweight technology promoting good development of auto industry is discussed. Lightweight technology in auto structure optimization design, lightweight material development, implementation methods and main functions of new process is illustrated as well as the assessment of life cycle of product is considered. The main application and status of auto lightweight technology is revealed. The important function and prospect of lightweight technology is emphasized. Key words： Automotive lightweight; Optimization design; New material; New process; LCA
3） 镁合金是比铝更轻的材料， 其体积质量仅为 1.8 kg/m3，轻量化效果更明显。 起初是用于壳体类、气 缸盖罩盖和方向盘骨架等件， 现在已经扩展到座椅骨 架、仪表盘骨架和支架类零件。
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地板通道
门槛
源自文库
前保险杠
前立柱（A 柱） 纵向承载梁
图 2 热成形钢在车身上的使用
1．3．2 液压成形技术的应用 液压（内高压）成形是指采用液态物质作为施力介
区小，因此，激光拼焊板材的成形性良好。 激光拼焊板技 术将不同厚度、不同强度或不同表面处理状态的板材通 过激光拼焊集成一个大的板坯进行冲制，这样可使模具 的数量和后续生产工序减少， 从而降低了生产成本，并 提高了零部件的质量，优化了零件结构，充分发挥了不 同强度和不同厚度板材的特性。 在汽车中采用激光拼焊 板材后，可使零件质量减轻 24%，零件数量减少 19%，焊 点数下降 49%，生产时间缩短 21%，其典型构件为：车门 内板、侧围板、地板和一些车身高强度结构件[6]。 1．3．4 金属半固态成形技术的应用
门板加强筋 横向支撑梁
车顶侧梁
车窗加强筋
后保险杠
悬置固定架
中立柱（B 柱）
MPa 1 500
980 780 590
图 1 高强钢在白车身的使用
2） 铝合金是轻质材料， 具有良好的抗腐蚀性，应
用前景良好。 近年来，铝材在汽车上应用量增加很快， 主要是板材、挤压材、铸铝及锻铝，在车身结构、空间框 架、外覆盖件和车轮等处均有大量应用[1，4]。
金属半固态成形技术的特点是高效、高性能、低成 本与节能环保，该技术经过多年不断发展，日趋成熟。 20 世纪 90 年代， 西方国家就已进入产业化应用阶段， 并对铝合金在汽车结构零件中的推广起到重要作用。 目前，德国 EFU，法国 Pechiney，美国 Alunax 公司，瑞士 Alusuisse 公司和意大利 Stampal 公司等，均已形成相当 规模的产业，大量用于汽车零部件的制备。 铝合金半固 态成形件单件尺寸与质量也不断加大，意大利 Stampal 和 Fiat 公司生产的半固态铝合金零件重达 7 kg[6]。 1．4 LCA 在轻量化技术上的作用
的 LCA 相违为前提，毕竟 LCA 追求的是产品全生命周 期面向环境的设计， 可以最大限度地提高可耗竭资源 的使用效率，减少材料与能量使用量；最大限度地使用 可再生能源； 排除或最大限度地降低对能耗与环境不 利的工艺的使用[7-9]。
2 汽车轻量化技术的应用前景
轻量化技术的发展始终围绕材料的应用而开展， 世界各国为此采取了不少措施： 美国 PNGV 计划明确 提出选用包括高强钢、铝合金、镁合金及塑料复合材料 来实现汽车轻量化， 并强调了扩大轻质材料应用的重 要性； 国际钢铁协会开展 ULSAB 超轻钢车身研究项 目，考虑到诸多因素，动员了五大洲 18 个国家的 35 家 国际著名钢铁企业和汽车行业参加，历时 4 年，实现目 标轿车白车身减轻质量 20%； 在实施 ULSAB-AVC 计 划中，将轻量化目标拓展到超轻钢悬架系统、发动机支 架以及其他结构件， 使所制得的白车身明显改善燃油 效率，材料易回收，成本可降低并可大批量生产。
近年来，中国汽车工业迅猛发展，使我国能耗、安 全和环保 3 大问题的影响日益加剧。 汽车轻量化技术 在满足汽车使用和经济要求的前提下， 将整车与零部 件结构优化设计、材料应用、工艺开发及环控（LCA 技 术）集成应用而实现汽车减轻质量的目标，迎合了汽车 业技术发展的潮流， 是目前解决环保与节能问题的最 有效手段。 文章在论述轻量化技术的重要性基础之上， 重点研究它的主要应用方向和应用前景。