孫冠男

（中國汽車技術(shù)研究中心）

近年來，世界汽車工業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，汽車保有量大幅增長，全球汽車已超過10億輛。汽車已成為世界能源消耗和污染物排放的主要來源。各發(fā)達(dá)國家均制訂了嚴(yán)格的法規(guī)來限制汽車燃油消耗和溫室氣體的排放，我國也發(fā)布了GB19578—2004《乘用車燃料消耗量限值》強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)。研究表明：汽車輕量化是降低能耗、減少排放的最有效措施之一。

1 汽車輕量化的意義

汽車輕量化技術(shù)內(nèi)涵是基于現(xiàn)代設(shè)計方法和技術(shù)手段，在確保汽車綜合性能指標(biāo)不降低的前提下，對汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過高強(qiáng)度、低密度材料的應(yīng)用，盡可能減輕汽車產(chǎn)品自身質(zhì)量，這樣不僅對提高燃油經(jīng)濟(jì)性、減少尾氣排放有利，而且可以提高行駛速度，改善汽車起動及制動性能，有效降低振動和噪聲，提高汽車和公路使用壽命[1]。圖1示出各類車型的燃油效率與整車質(zhì)量的關(guān)系。總而言之，汽車的輕量化設(shè)計能有效提高汽車的多項性能，從而提高汽車產(chǎn)品的競爭力。

圖1 各類車型的燃油效率與整車質(zhì)量的關(guān)系

2 國內(nèi)外汽車輕量化研究概況

近年來，汽車行業(yè)較為發(fā)達(dá)的美、歐、日、韓等國對汽車輕量化的發(fā)展都已經(jīng)確定了明確的指標(biāo)和路線。僅以美國為例，其汽車輕量化目標(biāo)為：以2013年整車質(zhì)量為基準(zhǔn)，到2020年減重達(dá)到20%，2025年減重達(dá)到30%。與此同時，國外眾多研究機(jī)構(gòu)已從多角度入手，開始探索實現(xiàn)輕量化的新途徑，其中，有政策上的傾斜、獨(dú)特的科學(xué)研究以及材料制造等。我國汽車輕量化技術(shù)發(fā)展起步雖然較晚，但是隨著政府各項節(jié)能減排政策、法規(guī)的出臺，汽車輕量化這一設(shè)計理念開始逐步被中國各大主流汽車廠商作為設(shè)計重點越來越多地加入到產(chǎn)品中去。

我國輕量化技術(shù)的發(fā)展，最主要表現(xiàn)在：1）汽車材質(zhì)的不斷改進(jìn)，許多汽車企業(yè)都開始使用鎂合金、鋁合金、高強(qiáng)度鋼、塑料及復(fù)合材料，并且用量比例不斷提高；2）提高汽車加工件及汽車相關(guān)模塊的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計水平。目前在汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計方面，我國已經(jīng)從僅僅依靠相關(guān)經(jīng)驗設(shè)計，發(fā)展為運(yùn)用有限元分析等現(xiàn)代設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計的階段；3）許多高校聯(lián)合國內(nèi)汽車企業(yè)對汽車輕量化進(jìn)行了深入的研究，大大促進(jìn)了我國汽車輕量化技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。

3 汽車輕量化路徑及關(guān)鍵技術(shù)

為了實現(xiàn)汽車減重的目的，研究人員在成本和現(xiàn)有技術(shù)條件允許的范圍內(nèi)，圍繞汽車的整體設(shè)計和制造周期，通過多種途徑，包括改善現(xiàn)有材料和工藝，使用新材料、新結(jié)構(gòu)等實現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計。雖然輕量化的方法多種多樣，但是綜合國內(nèi)主要汽車制造企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀來看，分為以下幾個途徑來實施輕量化設(shè)計，如圖2所示。

圖2 汽車輕量化實施途徑

3.1 采用輕量化制造工藝實現(xiàn)汽車輕量化

隨著現(xiàn)代化的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)及材料技術(shù)的發(fā)展，舊的制造工藝已經(jīng)不能滿足新條件下的生產(chǎn)需求。目前，輕量化工藝主要有兩方面的革新：零件成型性和零件制造工藝的革新。成型性革新主要是通過應(yīng)用CAD/CAE/CAM技術(shù)，提高沖壓模具的設(shè)計水平及成型后零件質(zhì)量（如零件回彈量）的控制，目前比較新的成型技術(shù)，包括連續(xù)擠壓變截面型材、激光焊接板、高強(qiáng)板熱成型以及自鉆鉚接等[2]。圖3示出熱成型工藝原理。

圖3 熱成型工藝原理

3.2 通過改進(jìn)車身結(jié)構(gòu)實現(xiàn)車身輕量化

應(yīng)用有限元分析，通過拓?fù)鋬?yōu)化、形狀及尺寸優(yōu)化設(shè)計出既能滿足使用要求又具有輕量化特點的最佳結(jié)構(gòu)。汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括白車身結(jié)構(gòu)和子系統(tǒng)零部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要任務(wù)是在滿足工藝要求的前提下，進(jìn)行結(jié)構(gòu)形狀和尺寸設(shè)計。汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化又可以分為尺寸優(yōu)化及形狀優(yōu)化，尺寸優(yōu)化主要針對截面及零件厚度進(jìn)行尺寸優(yōu)化，其約束條件一般在滿足多種性能目標(biāo)的要求下；形狀優(yōu)化則是在以零部件輕量化為目的的同時，達(dá)到零部件內(nèi)部受力的均勻化。形狀優(yōu)化是在借鑒生物學(xué)增長規(guī)律的基礎(chǔ)上形成的一種數(shù)值優(yōu)化方法[3]?；驹頌?對零件進(jìn)行受力分析時，零件主要受力處材料密度應(yīng)逐漸增加，同時漸漸減少其他非主要受力處其材料的密度。在不同的位置采用不同的材料，不僅可以減少材料的浪費(fèi)，使零件的材料分布更加合理，而且由于加強(qiáng)了受力位置的材料分布，從而避免了局部應(yīng)力高峰值的產(chǎn)生，達(dá)到減輕零件質(zhì)量的目的。

3.3 采用高強(qiáng)度和低密度的新型材料

在保證結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的基礎(chǔ)上，通過材料替換來進(jìn)一步實現(xiàn)輕量化，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和材料的設(shè)計統(tǒng)一。目前，選用輕量化車身材料主要遵循以下原則：

1）選用低密度材料，通過材料本身的低密度優(yōu)勢實現(xiàn)輕量化，如鋁合金、鎂合金及塑料等；

2）選用高強(qiáng)度材料，通過結(jié)構(gòu)減薄實現(xiàn)輕量化，如高強(qiáng)度鋼；

3）選用低密度、高強(qiáng)度的復(fù)合材料，實現(xiàn)設(shè)計、結(jié)構(gòu)及材料的有機(jī)統(tǒng)一，如碳纖維、玻璃纖維等；

4）使用基于新材料加工技術(shù)的輕量化結(jié)構(gòu)用材，如連續(xù)擠壓變截面型材、金屬基復(fù)合材料板及激光焊接板材等。

4 結(jié)語

綜上所述，汽車輕量化是保證我國汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的迫切需要，對解決能源短缺及環(huán)境污染問題具有重要意義。無論從社會效益，還是經(jīng)濟(jì)效益來考慮，低油耗、低排放的輕量化汽車都是節(jié)約型社會發(fā)展的需要。