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汽车结构的轻量化设计措施分析

发表时间：2021/6/10 来源：《中国科技信息》2021年7月作者：石红伟

[导读] 汽车工业要发展，在目前必须要满足环保要求，汽车轻量化设计可实现节能减排，但轻量化设计不是单纯减重，而是要保证安全性能的前提下去减重，因而如何进行轻量化设计值得探索，本文中重点对此进行了分析讨论，探析了目前市面上主流的轻量化设计方法措施，仅供参考。

浙江省宁波市吉利汽车研究院石红伟 315336

摘要：汽车工业要发展，在目前必须要满足环保要求，汽车轻量化设计可实现节能减排，但轻量化设计不是单纯减重，而是要保证安全性能的前提下去减重，因而如何进行轻量化设计值得探索，本文中重点对此进行了分析讨论，探析了目前市面上主流的轻量化设计方法措施，仅供参考。
关键词：汽车轻量化技术；现状；对策
        引言
        得益于经济持续增长和人民生活水平不断提高，2009~2020年中国汽车产销量连续12年稳居世界第一。但汽车大国远非汽车强国，加快培育知名汽车品牌和掌控汽车核心技术及零部件供应链是摆在中国汽车产业面前亟待破解的重大课题。目前，“节能和新能源汽车”是实现我国汽车产业升级换代的重要机遇，车身轻量化是新能源汽车产业发展的一个主要议题，而铝合金连接技术是轻量化车身工艺的主要瓶颈之一。
        1轻量化设计概述
        1.1轻量化产生背景
        轻量化设计是目前国内外汽车设计制造技术中的主要发展方向之一，与环保和安全具有同等地位，随着人们环保意识增强，汽车工业要发展，必须要走可持续发展道路，而可持续发展显然必须要实现节约资源、减少消耗，对于汽车工业而言，要达到相关要求，已经得到公认的路径包括提高发动机效率、新能源和轻量化。汽车的节能环保通常情况下是降低油耗或提高燃油效率，降低或者清洁排放尾气。在提高发动机效率方面，由于传统发动机不管是柴油机还是汽油机，实际上都已经达到了一个相当高的水准，现阶段主要是通过对发动机进行微量调整并利用汽车电子技术来提高发动机的效率，但效果并不是很理想，仅仅只能说达标。而新能源汽车在环保上的效果最佳，但是问题在于由于电池的限制，新能源车的发展还需要走很长的一段路，而轻量化技术，在保证汽车安全性的基础上去降低汽车的自重来实现能耗的下降，它可以作为提高发动机能效，甚至是新能源车能效的一种基础技术手段，在当前发动机技术、新能源车技术尚未出现巨大突破之前，轻量化将是节能减排的主流技术手段。
        1.2轻量化设计要求
        相关研究指出汽车自重每降低10%，将降低燃油消耗6～8%，降低排放5～6%。轻量化技术并不是单纯降低汽车自重，它必须要以汽车安全性为前提去减重。目前在轻量化设计中，要求，必须确保汽车整体结构的安全性达到相关安全标准，并且要求汽车结构的使用性能要达到甚至超过传统钢材质汽车的性能。
        一直以来，汽车设计当中轻量化和安全性都是一个矛盾体，有很多人认为，轻量化结构将降低安全性，而为了保证安全性，就必须要加强汽车结构的抗弯、抗扭、抗侧翻、碰撞吸能等特性，而这些将增加汽车自重。但实际上轻量化并不是单纯降低自重，它必须保证安全性，汽车减重但整体性能不能受到影响，车身强度、刚度、模态等结构特性必须要满足相关要求，所以轻量化设计是一门综合性的学科，在实践中必须要充分考虑材料、结构力学、生产工艺、人体工程学、工业设计等方面的内容。
        2汽车轻量化材料的应用
        2.1铝合金材料
        车身轻量化材料一般有轻合金、高强度金属材料、工程塑料、碳纤维增强复合材料和陶瓷材料等。铝合金车身由于其显著的轻量化效果，使整车动力性、操控性和燃油经济性都得到较大提升；其良好的加工工艺性能，可塑造视觉极优美的车身曲面；由于其超强的抗腐蚀性能，故铝合金会在表面形成一层致密的氧化层，并且与铝基体牢固结合，从而对车身形成严密保护。铝合金车身最大的问题，一方面是铝合金的冶炼和加工成本都比钢更高；另一方面是加工工艺比较复杂，特别是对铝合金连接工艺水平和自动化程度要求都远高于传统钢制车身。据报道，电动车车重每降低10%，电耗可降低5.5%，续航里程相应增加5.5%，而延长相同里程所需要增加的电池成本却远高于此。

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        铝与传统钢材相比，在晶体结构和物理属性方面存在较大差异。钢的熔点为1536℃，而铝仅为660℃；铝热膨胀系数是钢的2倍，热导率是钢的4倍，这些都导致传统焊接工艺难以实现铝合金的可靠连接。目前，解决新能源汽车轻量化车身连接的主要技术路径有：冷金属过渡焊、自适应电阻点焊、激光焊、激光-电弧复合焊、搅拌摩擦焊、冲铆连接、自攻螺钉连接、胶粘连接，或联合使用几种方法完成轻量化车身连接。
        2.2镁及镁合金材料
        镁合金比铝合金轻，具有良好的抗振动、降噪、抗电磁干扰和耐腐蚀性，易于回收，被誉为“绿色金属结构材料”。镁合金以其优异的性能被广泛应用于汽车传动系统、车身系统、发动机系统和底盘系统等零部件中。它不仅可以达到轻量化的目的，而且可以降低噪声和吸收振动，提高成型性、车身刚度和安全性。镁合金的研究开发和应用技术在世界上许多汽车公司得到了广泛的应用。
        3先进制造工艺及其应用
        3.1液压成型
        液压成型与一般冲压成型不同的是利用液态水或油的压力代替刚性模具，通过传力介质使板料贴合凸模或凹模，从而获得所需零件的形状。液压成型能够实现车身的轻量化，主要是因为液压成型零件的质量控制高于传统冲压成型，提高了零件的成型极限，降低了部分模具的开发成本。目前，液压成型技术在汽车车身上的应用主要集中在汽车翼子板等曲面复杂、精度要求高的零件上。
        3.2电阻点焊
        电阻点焊是一种传统的焊接工艺方法。现阶段由于车身轻量化要求，需从电源和焊枪入手来解决传统铝焊接电极寿命短、生产效率低的问题。近年来，依靠伺服电动机驱动的伺服焊枪以及中频逆变直流电阻点焊设备具有电极压力精准、焊接电流平稳及响应快速等特点，正逐渐被推广应用。中频逆变自适应直流电阻焊具有反馈控制响应速度快、输出稳定性好、热效率高、焊接时间短、功率损耗小、节能效果明显及设备体积小等优点。焊接铝及铝合金等导热性高的金属效果显著，质量更稳定可靠。
        3.3热冲压成型
        热冲压成型技术是利用金属塑性成型的原理，将板料加热至一定温度（奥氏体状态），然后进行冲压处理，在冲压成型过程中实现板料淬火处理的成型方式，最后获得具有超高强度的零件。热冲压成型技术具有零件尺寸精度高、零件成型性能好、车身结构设计简单和零件表面硬度及耐磨性高的优点。
        3.4胶粘连接
        胶粘连接采用面接触方式而非点或线接触，与点焊及铆接相比，不易产生应力集中，连接强度、刚度和疲劳强度等综合性能也相对较高，而且该连接应用范围较广，可用于各种钢、轻金属、高分子材料以及其他不同材料的连接[7]。新一代结构胶粘剂接头具有高强度、高刚度的特点，同时在承受冲击载荷时又具有足够的韧性和柔性，能够满足车身结构的综合性需求，使整车性能得以全面提升，特别适合车身轻量化的技术要求。目前，结构胶粘剂在各大主机厂中的单车用量呈逐渐上升的趋势。
        结束语
        轻量化技术在汽车性能改进中的应用是一种新型的科技，是机械技术与计算机技术、电子技术、信息技术相结合的新技术。轻量化技术在汽车性能改进中的应用是一种性能优化和智能化的系统，易于对机械设备进行控制。机械设备在汽车制造业中的创新应用非常重要，可以促进汽车制造业的发展，使汽车制造业实现性能优化和智能化发展。
参考文献
[1]刘亦功.车身轻量化材料和工艺制造技术[J].汽车文摘,2019(12):40-44.
[2]王松.汽车轻量化技术探析[J].时代汽车,2019(18):6-7.
[3]陈宇豪,薛松柏,王博,韩翼龙.汽车轻量化焊接技术发展现状与未来[J].材料导报,2019,33(S2):431-440.
[4]张妍,庞有俊,李杨.钛合金与汽车轻量化技术[J].时代汽车,2019(19):12-14.