汽車輕量化設(shè)計(jì)探討

田麗云 孫媛

山東唐駿歐鈴汽車制造有限公司 山東淄博 255100

1 汽車輕量化的意義

汽車輕量化是以保證汽車具有原本的強(qiáng)度與性能為基礎(chǔ)，再減輕汽車各零部件的質(zhì)量，那么汽車的動(dòng)力性將會(huì)有一定的提高[1]。因此從以下方面提出改變方案：①?gòu)氖褂貌牧系馁|(zhì)量入手，在保證汽車原有各種參數(shù)的基礎(chǔ)上，盡量地減輕質(zhì)量；②使用新材料代替，比如鋁合金等密度盡量小的材料；③對(duì)各種零部件的構(gòu)架進(jìn)行一個(gè)整體的分析，尋找一種新的加強(qiáng)方法；④采用承載式車身可以取消車架的使用，從而大大減輕質(zhì)量。

1.1 助力節(jié)能減排

“綠色環(huán)?！币殉蔀闀r(shí)代主旋律，有研究表明，當(dāng)汽車整車整備質(zhì)量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3L-0.6L，CO2 下降近1kg。為應(yīng)對(duì)突出的能源問題和環(huán)境問題，當(dāng)今世界各國(guó)汽車業(yè)正致力于汽車輕量化技術(shù)的研發(fā)。

1.2 提升動(dòng)力性能

根據(jù)牛頓第二定律F=ma 可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的力F 一定的前提下，汽車的質(zhì)量m 越小，汽車獲得的加速度a 越大，動(dòng)力性越好。資料顯示，汽車質(zhì)量每減少100kg，加速性能可提升8%-10%。因此，汽車輕量化也是現(xiàn)代汽車追求動(dòng)力性的要求。

1.3 提高安全性能

汽車輕量化還有利于提升汽車安全性能。汽車制動(dòng)所消耗的能量與汽車質(zhì)量成正相關(guān)，當(dāng)汽車質(zhì)量越小，以相同初速度進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，質(zhì)量較小的汽車所消耗的制動(dòng)能量也越小；若汽車采用的制動(dòng)器相同，則質(zhì)量越輕的汽車，制動(dòng)距離越短[2]。研究表明，汽車質(zhì)量每減輕100kg，制動(dòng)距離可縮短2m-7m?？梢?，汽車輕量化有助于改善制動(dòng)性能，提高汽車主動(dòng)安全性能。

2 輕量化設(shè)計(jì)在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 輕量化在底盤零件上的應(yīng)用

底盤零件的構(gòu)造組成主要是有四部分，分別是制動(dòng)系、裝相系、行駛系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)。行駛系的功用是支持整車質(zhì)量并且保證汽車平穩(wěn)運(yùn)行；為了保證汽車平穩(wěn)轉(zhuǎn)向，設(shè)置了轉(zhuǎn)向系；傳動(dòng)系是由離合器、變速器、萬向節(jié)等組成的，離合器可以保證汽車的換擋、起步等平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)，變速器可以用于汽車的變速；制動(dòng)系統(tǒng)的主要作用就是使運(yùn)動(dòng)中的汽車實(shí)現(xiàn)減速或是停車，使下坡的汽車保持穩(wěn)速下行，保證已經(jīng)停止的汽車不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。

2.2 車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)

2.2.1 對(duì)車身布局進(jìn)行優(yōu)化

布局優(yōu)化就是根據(jù)實(shí)際使整體或者局部呈現(xiàn)最佳布局。例如采用后置后驅(qū)就可以多出一些傳動(dòng)系統(tǒng)零件的布置，而采用前置前驅(qū)就可以達(dá)到減輕質(zhì)量的目的[3]。此外，為了明顯減輕車身質(zhì)量，還可以采用承載式車身，這一方法可以將車架取消。

2.2.2 對(duì)尺寸進(jìn)行優(yōu)化

在尺寸優(yōu)化中，作為變量的是汽車零件的形狀與尺寸，要滿足不同情況下的車身性能。同時(shí)在考慮今后的尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)會(huì)運(yùn)用數(shù)值的優(yōu)化方法來對(duì)線性靜力學(xué)和車體的整體振動(dòng)進(jìn)行模擬。為了優(yōu)化汽車生產(chǎn)時(shí)所用的零部件以及減重，可以利用基于線彈性尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

2.2.3 對(duì)車身形狀進(jìn)行優(yōu)化

改變零部件的外形是優(yōu)化車身形狀的目的，并使各部件的受力均勻。這里主要指的是對(duì)汽車整體結(jié)構(gòu)或零部件局部形狀優(yōu)化，使能夠最大化地發(fā)掘出材料各方面性能。在工程設(shè)計(jì)中，通過采用有限元的分析來設(shè)計(jì)降低應(yīng)力集中的概率來實(shí)現(xiàn)受力的均勻分布。在現(xiàn)實(shí)制造工藝中就是在應(yīng)力集中區(qū)加強(qiáng)材料，在低負(fù)荷區(qū)相應(yīng)地減少使用材料。

2.3 汽車輕量化材料的應(yīng)用

近年來，為了減少環(huán)境污染，達(dá)到節(jié)能減排的目的，我國(guó)開始積極向著綠色高效節(jié)能環(huán)保經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在此背景下，新能源汽車獲得了有效的發(fā)展。新能源汽車在發(fā)展上受到了嚴(yán)重的阻礙，不僅車身較重，且電池續(xù)航能力較差，受到這些因素影響，導(dǎo)致新能源汽車發(fā)展受到影響。在此背景下，積極應(yīng)用鋁合金、鎂合金以及鈦合金等輕量化材料，就能夠有效減輕車身重量，促使新能源汽車獲得更好的發(fā)展前景。在輕量化材料中，鋁合金的碰撞形變能力以及綜合力學(xué)性能較為突出，更適合用在新能源汽車的制造上。隨著鋁合金使用量的增多，未來新能源車輛的發(fā)展將向著全鋁車身方向發(fā)展。目前階段，歐美等一些發(fā)達(dá)國(guó)家開始積極使用鋁合金制造汽車，鋁合金含量達(dá)到了80%之高，例如，奧迪 A8 車身鋁合金含量達(dá)到了80%，而特斯拉 Model S 含量達(dá)到了95%。相關(guān)學(xué)者研究指出，奧迪 A8 自實(shí)現(xiàn)了全鋁車身后，在新能源汽車領(lǐng)域開始應(yīng)用全鋁車身，例如全新捷豹 XFL 以及上海通用汽車生產(chǎn)的凱迪拉克 CT6。我國(guó)鋁資源相對(duì)較為豐富，但是在汽車領(lǐng)域的發(fā)展卻遠(yuǎn)不及歐美發(fā)展水平。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，歐洲用于汽車制造的鋁合金達(dá)到了每輛300kg，而我國(guó)僅為115kg/輛，相信隨著我國(guó)汽車行業(yè)研發(fā)力度的加大，未來鋁合金在新能源汽車上的應(yīng)用會(huì)更為廣闊。相比于其他材料，鎂合金的消震性能以及力學(xué)性能相對(duì)較好，在汽車部分支架以及殼體類汽車零件上應(yīng)用較多，同時(shí)也開始積極應(yīng)用于電動(dòng)客車的研究中，取得了良好的效果。在第五代奧迪 A8 汽車的制造中，鎂合金首次應(yīng)用于車架緩沖支架材料，有效減輕了車身的重量[4]。而山東汽車公司制造的電動(dòng)大客車中使用了鎂合金，促使車重整體減輕了70%。

3 結(jié)語

汽車輕量化不僅可以提升燃油經(jīng)濟(jì)性，減少排放，還可改善汽車整車的綜合性能。汽車輕量化勢(shì)在必行，這也將進(jìn)一步促進(jìn)汽車工業(yè)領(lǐng)域的變革。當(dāng)前一些新興技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用還不夠成熟，無論是輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、輕量化材料的研發(fā)，還是先進(jìn)制造工藝的改進(jìn)和升級(jí)，都將成為今后汽車輕量化設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的重要研究方向。