淺談汽車輕量化技術(shù)

任佳智 徐帆

摘要：新時(shí)代背景下，人們的生活水平得到提升，我國(guó)汽車保有量逐年遞增，帶來(lái)了能源短缺和環(huán)境污染兩大弊端，而汽車輕量化技術(shù)能夠有效地改善這些弊端。為此，本文深入分析了汽車輕量化技術(shù)的重要意義，系統(tǒng)闡述了汽車輕量化的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，即材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對(duì)不同的有優(yōu)化方式進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞：汽車;輕量化技術(shù);材料;結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U467.1+9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0177-02

0? 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平得到了顯著的提升，出行工具也發(fā)生了極大的改變，從自行車到摩托車，再到現(xiàn)在的汽車。當(dāng)前，汽車已經(jīng)成為了人們出行的主要交通工具。在這種情況下，我國(guó)汽車保有量逐年上升，呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨之帶來(lái)了諸多問(wèn)題，如交通擁堵、交通事故增多、汽車尾氣污染、不可再生能源短缺等問(wèn)題。而通過(guò)優(yōu)化汽車材料和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，可以改善汽車尾氣污染和不可再生能源短缺問(wèn)題。因此，汽車企業(yè)在汽車輕量化方面做了大量的研究工作，致力于制造出成本低、污染小、安全性能高的汽車。根據(jù)以前的研究工作，可以發(fā)現(xiàn)，汽車輕量化極具實(shí)際意義，能夠有效地降低能源損耗，從而在一定程度緩解尾氣污染和能源損耗問(wèn)題，以適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展理念和滿足現(xiàn)代化發(fā)展需求。

1? 汽車輕量化的實(shí)際意義

汽車輕量化是指在汽車造價(jià)不變的情況下，從多方面對(duì)汽車重量進(jìn)行優(yōu)化，以提升汽車速度、減少尾氣排放和降低燃料損耗，與此同時(shí)，保證汽車的穩(wěn)定性、舒適性和安全性。在汽車輕量化過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化目標(biāo)的同時(shí)，需要遵循一些基本原則：一是保證汽車抗震性;二是滿足汽車抗撞性要求;三是汽車結(jié)構(gòu)符合新時(shí)代人們審美。具體而言，汽車輕量化技術(shù)有利于汽車現(xiàn)代化發(fā)展，其實(shí)際意義表現(xiàn)為以下兩點(diǎn)：

一是緩解能源損耗和環(huán)境污染問(wèn)題。許多研究結(jié)果都表明，汽車的油耗和汽車的重量是成正比關(guān)系，汽車總重量越大，汽車的油耗也越高。而汽車輕量化技術(shù)能夠有效地減輕汽車總重量，從而降低油耗和減少汽車尾氣的排放量，進(jìn)而緩解環(huán)境污染問(wèn)題。二是有利于提升汽車性能。根據(jù)汽車動(dòng)能計(jì)算公式可以得出，在汽車加速到一定速度時(shí)，汽車質(zhì)量越大，所需的能量越大。而汽車輕量化技術(shù)能夠減輕車身質(zhì)量，汽車總質(zhì)量降低，可以縮短汽車加速時(shí)間，提升汽車的啟動(dòng)性能，減少汽車動(dòng)力系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)的負(fù)荷，獲得良好的汽車駕駛性能。

根據(jù)前人研究結(jié)果表明，汽車質(zhì)量降低10%就具有許多的實(shí)際意義，具體意義如圖1所示。

2? 汽車輕量化材料概述

汽車輕量化技術(shù)的關(guān)鍵因素之一是汽車材料，通過(guò)優(yōu)化制造材料來(lái)降低汽車的總體質(zhì)量。汽車輕量化材料主要包括兩種：一種是高強(qiáng)度材料，常見(jiàn)的是高強(qiáng)度鋼，這種材料的特性是少量材料具有較高強(qiáng)度;另一種是低密度輕質(zhì)材料，包括鋁、鈦、鎂及其合金等，具有比強(qiáng)度高的特性。

2.1 高強(qiáng)度鋼

高強(qiáng)度鋼的主要合金元素有Cr、Si、Mn、Mo等，其具有較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。由于其具有強(qiáng)度高的特性，這種材料常用于汽車車身的制造，可以提升汽車的抗撞擊能力。此外，與普通鋼板車身相比，在保證車身強(qiáng)度不變的情況下，高強(qiáng)度鋼板車身在質(zhì)量上可以減少20%以上，板材厚度可以減少1.5mm左右，可以減輕車身的質(zhì)量。因此，高強(qiáng)度鋼在減輕汽車質(zhì)量和提升車身強(qiáng)度方面有十分重要的作用。高強(qiáng)度鋼目前常用于制造車身的關(guān)鍵部位，如地板通道、車頂加強(qiáng)梁等，有效地提升汽車的抗撞擊安全性。高強(qiáng)度鋼在汽車輕量化中廣泛應(yīng)用的原因可以總結(jié)為以下兩個(gè)方面：其一，相較于普通鋼，高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能表現(xiàn)優(yōu)異，具有比較高的安全性;其二，與高比強(qiáng)度的鈦合金相比，高強(qiáng)度鋼的材料價(jià)格較低，從而降低汽車的生產(chǎn)制造成本。

2.2 鋁及鋁合金

鋁及鋁合金是一種密度小、彈性好、比剛度和比強(qiáng)度都較高的金屬材料，而且這種材料的耐磨性能和耐腐蝕性能也較好，通常還能夠在成品報(bào)廢時(shí)進(jìn)行回收利用。由于這些優(yōu)良的性能，鋁及鋁合金在早期就應(yīng)用于汽車輕量化技術(shù)中，在汽車領(lǐng)域應(yīng)用特別的廣泛。然而，由于其與鋼材相比，強(qiáng)度和承載性能較差，限制了鋁及鋁合金的應(yīng)用。特別是在汽車強(qiáng)度要求較高的部位，鋁及鋁合金的強(qiáng)度難以保證汽車的抗撞擊性能。此外，鋁及鋁合金對(duì)生產(chǎn)技術(shù)要求較高，如焊接工藝、鑄造工藝等，也是限制其應(yīng)用的因素之一。但不可否認(rèn)的是，鋁及鋁合金是一種重要的汽車輕量化材料，用于制造汽車車輪、離合器殼體、變速器殼體等。

2.3 鈦及鈦合金

鈦及鈦合金具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，包括韌性高、強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好以及耐磨性能良好等。此外，鈦及鈦合金還具有良好的加工性能和耐熱性能。由于鈦及鈦合金具有這些優(yōu)異的性能，它成為一種實(shí)現(xiàn)汽車高性能化的重要發(fā)展材料。然而，目前在汽車領(lǐng)域中鈦及鈦合金的使用比例并不是很高，主要是局限于該材料的價(jià)格較高和提純難度較大。鈦及鈦合金只要能解決了這兩個(gè)難題，其在汽車輕量化方面大有可為，將會(huì)是一種較為理想的車身材料，既能夠保證車身的強(qiáng)度和硬度，也能夠減輕汽車的整體質(zhì)量，目前主要應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門、氣門彈簧座、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿等。

2.4 鎂及鎂合金

鎂及鎂合金是一種極具潛力的汽車輕量化結(jié)構(gòu)材料，該材料具有良好的物理和化學(xué)性能。一是質(zhì)量輕、密度低。這一特點(diǎn)是鎂及鎂合金成為汽車車身輕量化材料的基礎(chǔ)，它相較于鋁合金更輕，屬于一種特別輕的金屬材料。二是比強(qiáng)度較高。鎂及鎂合金的比強(qiáng)度相比鋁合金與鋼材料都要高，這表明在相同質(zhì)量的情況下，它的強(qiáng)度要更高。三是比剛度較高。相比于鋁合金和鋼材料，鎂及鎂合金的比剛度沒(méi)有太大差異，均具有較好的比剛度。四是阻尼系數(shù)和消震性能也較為優(yōu)異。相較于鋁合金，鎂及鎂合金具有更好的承載能力，常被用于制造汽車殼體，也可以用于降低汽車噪聲，提升汽車的安全性和舒適性。五是加工性能優(yōu)異。鎂及鎂合金的鑄造性能和尺寸穩(wěn)定性十分優(yōu)異，且加工性能好，極少出現(xiàn)制造廢品。由于鎂及鎂合金具有上述優(yōu)異的性能，其發(fā)展前景十分可觀，有助于實(shí)現(xiàn)汽車車身輕量化。然而，目前該材料的應(yīng)用主要受限于其抗蠕變能力與高溫疲勞性較差。這兩個(gè)方面需要研究者們進(jìn)行研究探索，突破制造難點(diǎn)，擴(kuò)大鎂及鎂合金的使用范圍。

高強(qiáng)度鋼、鋁、鈦、鎂及其合金是汽車輕量化技術(shù)中的重要材料，本文對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概述，并對(duì)這些材料的性能及應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)，如表1所示。

3? 汽車輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化概述

汽車輕量化除了可以優(yōu)化車身材料之外，還可以通過(guò)優(yōu)化汽車零部件結(jié)構(gòu)。

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化方法

拓?fù)鋬?yōu)化方法是汽車輕量化設(shè)計(jì)中最具發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ㄖ唬诮陙?lái)研究成果凸顯，已廣泛應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化當(dāng)中，特別是應(yīng)用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)。利用拓?fù)鋬?yōu)化方法優(yōu)化的結(jié)構(gòu)主要可以分為兩種，分別是離散型結(jié)構(gòu)和連續(xù)型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化步驟如圖2所示。

第一，劃分設(shè)計(jì)區(qū)域，主要依據(jù)待優(yōu)化結(jié)構(gòu)件的具體方位進(jìn)行劃分，保證不影響其他零部件的正常工作;第二，建立目標(biāo)函數(shù)，主要是依據(jù)已劃分設(shè)計(jì)區(qū)域中的材料力學(xué)性能和具體參數(shù)建立符合優(yōu)化條件的目標(biāo)函數(shù);第三，達(dá)到材料最優(yōu)分布，利用目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，求得結(jié)構(gòu)件材料的最優(yōu)分布和力量傳導(dǎo)的最佳路徑，從而使得結(jié)構(gòu)性能達(dá)到最佳狀態(tài)。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化方法可以設(shè)計(jì)出最佳的汽車車身結(jié)構(gòu)，而且該優(yōu)化方法相較于其他設(shè)計(jì)方法更為高效，能夠減少結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證時(shí)間，從而提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。

3.2 尺寸和形狀優(yōu)化

尺寸和形狀優(yōu)化是汽車輕量化技術(shù)最早使用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式。尺寸優(yōu)化是指在保證結(jié)構(gòu)件性能的同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)件的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，降低其重量。而形狀優(yōu)化更多是在汽車零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，優(yōu)化零部件的結(jié)構(gòu)形狀，以最優(yōu)形狀實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，且能夠保證零部件的性能不被影響。目前，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，利用該技術(shù)能夠建立數(shù)學(xué)模型和進(jìn)行有限元分析，使得尺寸和形狀優(yōu)化速度更加的便捷、迅速和精確。

4? 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代化發(fā)展需求對(duì)汽車工業(yè)化水平提出了更高的要求，不僅要保證安全性、舒適性，還要考慮能源損耗和尾氣排放量。而汽車輕量化技術(shù)能夠有效地減輕汽車的總重量，從而提升汽車速度、減少尾氣排放和降低燃料損耗，具有緩解環(huán)境污染問(wèn)題和提升汽車性能的重要意義。汽車輕量化主要可以從材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。在材料方面，汽車輕量化材料主要包括高強(qiáng)度鋼、鋁、鈦、鎂及其合金等。在結(jié)構(gòu)方面，主要方法有拓?fù)鋬?yōu)化方法，利用該方法設(shè)計(jì)零部件結(jié)構(gòu)，以得到最優(yōu)的材料分布和尺寸形狀，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)汽車輕量化目標(biāo)。

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