崔子成

輕量化技術(shù)在汽車工程中的應用探討

崔子成

（阜新高等?？茖W校，遼寧 阜新 123000）

汽車工程的發(fā)展過程中輕量化一直是發(fā)展趨勢，在保證汽車整體功能的情況下采用輕量化技術(shù)，提高汽車的質(zhì)量、安全和穩(wěn)定性，對于汽車工業(yè)的發(fā)展有重要意義。推動輕量化技術(shù)在汽車工程中的應用，需從材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝等多方面入手，開展輕量化技術(shù)應用于汽車工程的探索和研究工作。

汽車工程；輕量化技術(shù)；車身設(shè)計；技術(shù)應用

輕量化技術(shù)在汽車工程中的應用主要是采用現(xiàn)代設(shè)計手段優(yōu)化汽車產(chǎn)品設(shè)計，在確保汽車性能的情況下，使用新材料降低汽車產(chǎn)品質(zhì)量，從而達到節(jié)能降耗的作用。輕量化技術(shù)的應用需要材料的開發(fā)利用、結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化及先進的成形技術(shù)共同完成，在汽車工程中具有良好的應用前景和重要的意義。

1 新型材料在汽車輕量化技術(shù)上的應用

1.1 鋁合金的應用

鋁的密度低，導電性和導熱性好，具有良好的塑性，加工方便，鋁合金在輕量化技術(shù)材料中應用廣泛，在汽車車身、底盤以及發(fā)動機中都可以應用，部分新型鋁合金材料也在汽車輕量化趨勢中開始應用。但同時鋁合金的應用成本較高，如何在保證汽車功能的基礎(chǔ)上控制材料成本，是鋁合金在汽車工程應用中需要解決的問題。

1.2 鎂合金的應用

鎂合金應用于汽車工程，主要分為非結(jié)構(gòu)鑄件和結(jié)構(gòu)鑄件，其中非結(jié)構(gòu)鑄件不需要承受較大的沖擊力，應用于汽車的變速器、離合器殼以及發(fā)電機罩等，結(jié)構(gòu)鑄件需要滿足一定的沖擊要求，并且承受一定的荷載，應用范圍包括方向盤、儀表盤、座椅框架和離合器支架等。新材料研發(fā)過程中，鎂合金的強度在不斷提升，應用范圍也進一步擴大，并逐漸向發(fā)動機和外車身轉(zhuǎn)變，應用于缸體、缸蓋、發(fā)動機罩蓋等[1]。鎂合金回收容易，是典型的綠色結(jié)構(gòu)材料，具有明顯的資源優(yōu)勢。中國鎂資源儲量豐富，面對傳統(tǒng)金屬礦產(chǎn)日益枯竭和全球性技術(shù)革新、資源浪費和開采污染、固體廢棄物污染的現(xiàn)狀，加快研究鎂合金在汽車工程中的使用具有重要意義。

1.3 鈦合金的應用

鈦合金主要應用于發(fā)動機配氣系、曲軸連桿結(jié)構(gòu)和底盤零件中，也可以用于消聲器和車輪，鈦合金材料主要應用于賽車，現(xiàn)在逐漸向批量生產(chǎn)的轎車擴展。但鈦合金還沒有應用于車身上，國外對于鈦合金在車身上的應用還在研究和探索中。由于鈦合金零件的出色性能，材料生產(chǎn)和加工成本在逐年降低，在汽車領(lǐng)域的應用范圍將進一步擴大。

1.4 高強度鋼的應用

高強度鋼性能好，成本低，可應用于車身的大部分零件，滿足車身的輕量化，并提高裝機安全性。高強度鋼的使用量越來越大，用戶對于車輛的安全性能要求的提高也使高強度鋼的應用效果越發(fā)明顯。高強度鋼的強度得到提高，而且車身減重比鋁合金更有效，車輛的強度、碰撞安全等級也在提高，對于滿足汽車輕量化和安全性能的要求有重要作用，增加了汽車的安全性，降低噪聲和行駛中的振動，提高了燃油效率，減輕了汽車的總質(zhì)量，使汽車的加速性和駕駛性能得到了有效改善[2]。高強度鋼主要應用于加強板、固定板、發(fā)動機支架、懸架支架、油箱固定板以及底板橫梁加強板等。

1.5 工程塑料和復合材料的應用

工程塑料密度小，塑性好，耐腐蝕，防震，隔音，隔熱，在汽車制造上的應用非常廣泛。復合材料由工程塑料和增強纖維復合而成，密度小，設(shè)計靈活，易成型，耐腐蝕，隔電，抗沖擊，抗震，可以有效減輕汽車的質(zhì)量。工程塑料在汽車工程上的應用范圍正在向車身結(jié)構(gòu)件擴展，工程塑料的復合材料、高性能樹脂等的應用正在增加，工程塑料的可回收性也逐漸受到重視。復合材料可以應用于車身的覆蓋件，比如車門、車頂板、導流罩、車廂后擋板等，甚至可以應用于全部車身。

1.6 其他材料的應用

在新型材料中精細陶瓷具有優(yōu)良的力學和化學性能，具備耐熱、耐腐蝕、耐磨等優(yōu)勢，廣泛應用于汽車發(fā)動機燃燒室和熱交換器，使燃油消耗大大降低。蜂窩夾層材料廣泛應用于飛機，剛性高，強度高，密度低，在汽車上的應用研究正在不斷的探索過程中。玻璃增強材料密度小，強度高，耐腐蝕，隔音，隔熱，可以應用于復雜形狀的零件，成本低，玻璃增強材料可以替代金屬材料，應用于保險杠、防撞桿、前翼子板、后背門上。紡織復合材料可以與現(xiàn)代復合材料相結(jié)合，克服傳統(tǒng)復合材料中力學性能不均勻、損傷容限低的缺點，比強度高，比模量高，抗疲勞性能高，柔軟紡織復合材料可以應用于內(nèi)外裝飾以及車用管材，紡織混合材料可以應用于制造車身零件[3]。高強度結(jié)構(gòu)發(fā)泡材料質(zhì)量精，可以制作復雜形狀的零件，加強效果明顯，提高整車剛度，并且可以回收使用，主要應用于車輛的聲音吸收罩和儀表薄板。

2 車身設(shè)計在汽車工程上的應用

2.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計

在滿足汽車使用性能的基礎(chǔ)上，減少零件數(shù)量，去除冗余，改變零件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)汽車的輕量化，開發(fā)更適合的設(shè)計方法，優(yōu)化造型設(shè)計，設(shè)計零件輕結(jié)構(gòu)形狀，根據(jù)實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)。

2.2 分析優(yōu)化汽車實體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計

要實現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，就要對汽車總體結(jié)構(gòu)進行分析優(yōu)化，實現(xiàn)汽車零部件的輕量化，在汽車輕量化過程中要協(xié)調(diào)設(shè)計與整車之間出現(xiàn)的矛盾，準確實現(xiàn)車身實體結(jié)構(gòu)和布局設(shè)計之間的結(jié)合，采用輕質(zhì)材料零部件，滿足車身設(shè)計的各項要求[4]。

2.3 優(yōu)化拓撲設(shè)計

在汽車概念設(shè)計早期優(yōu)化結(jié)構(gòu)材料布局，決定產(chǎn)品的最終形狀，從而決定產(chǎn)品的基本性能，在車身輕量化設(shè)計中大量使用拓撲優(yōu)化，可以保證車身結(jié)構(gòu)設(shè)計后續(xù)形狀和尺寸優(yōu)化，從而極大地提升材料利用率，改變傳統(tǒng)的設(shè)計觀念，提供給設(shè)計人員更加充分和精確的設(shè)計依據(jù)，避免內(nèi)部復雜零件設(shè)計的盲目性，減少設(shè)計缺陷，提高材料利用率，減輕車身質(zhì)量，從而提升零件的總體性能，保證零件最佳性能，減少支撐整體的不必要的復雜結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本。

2.4 實現(xiàn)形狀優(yōu)化

實現(xiàn)形狀優(yōu)化，可以減輕零件質(zhì)量，延長零件壽命，根據(jù)經(jīng)驗模擬生物學增長規(guī)律，避免應力集中，使其在標準荷載作用下表面均勻應力，利用形狀的變異，來使應力分布均勻化，向承受高負荷的部位貯存材料，承受低負荷的部位則去除材料，避免出現(xiàn)應力高峰，使應力分布均勻。

3 制作工藝在汽車工程上的應用

3.1 激光焊接

激光焊接工藝可以用于復合拼焊板，用于制造轎車零件，改善零件的使用性能，降低汽車總質(zhì)量，提高了汽車的安全性，減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量和材料消耗，減少總體的零件質(zhì)量，加強元件，提高車身質(zhì)量的穩(wěn)定性，使車身在沖擊下可以保證強度均衡[4]。

3.2 液壓成型

液壓成型是將要成型的管件放在密閉模具中，再將流體介質(zhì)引入管件內(nèi)腔，增加水的壓力，使得管件在模具內(nèi)變形，成為所需要的汽車零部件形狀。液壓成型技術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，零件品質(zhì)提高，數(shù)量減少，可以減輕汽車質(zhì)量，降低制作成本，用于生產(chǎn)T型接頭、排放系統(tǒng)、發(fā)動機支架以及各種結(jié)構(gòu)樣件等。

3.3 半固態(tài)鑄造

半固態(tài)階段是由液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，金屬材料在此階段既存在固態(tài)又存在液態(tài)，在這一溫度區(qū)間內(nèi)加工，形成最終的成品形狀，稱為半固態(tài)鑄造技術(shù)。半固態(tài)成型技術(shù)包括流變和觸變鑄造兩種，工藝簡單，消耗能源少，成本低，但對于流變鑄造中的金屬輸送要求比較嚴格且困難，因此實際應用比較少，觸變鑄造為半固態(tài)鑄造技術(shù)的主體，但觸變鑄造成本高，消耗能源多，工藝復雜，其應用也受條件限制。

3.4 噴射成型

噴射成型是一種成型加工技術(shù)，起源于傳統(tǒng)的快速凝固粉末冶金工藝，其原理為采用高壓惰性氣體將金屬溶液霧化成大量細小的液滴，使其根據(jù)軸線方向高速飛行，在液滴未完全凝固之前，將其沉淀收集到一定形狀的接收基體上，并通過合理設(shè)計控制其運動方向，從液態(tài)金屬中直接制取具有快速凝固特征的管坯、盤坯、圓盤等形狀的坯件，主要應用于制造發(fā)動機中的一些關(guān)鍵零部件。

4 輕量化技術(shù)在汽車工程中的應用前景

汽車工程的輕量化是汽車未來設(shè)計發(fā)展的趨勢，在動力驅(qū)動、節(jié)能降耗和節(jié)能減排等方面都有重要的應用意義。中國的汽車輕量化技術(shù)還面臨著更多難題，與國外具有較大的差距。輕量化技術(shù)涉及多個領(lǐng)域，是由多學科交叉形成的綜合性體系，在目前的研發(fā)體系中還多為單科的研究，很少實現(xiàn)各學科間的交叉融合。輕量化技術(shù)的核心技術(shù)不可能由單科或科研機構(gòu)獨立完成，必須進行多種學科的戰(zhàn)略性部署和融合研究，但是目前此類科研機構(gòu)還沒有建立，產(chǎn)學研結(jié)合不緊密，缺乏明確的定位和分工，研究與開發(fā)方面的銜接不足，企業(yè)規(guī)模較小，科研開發(fā)能力弱，缺乏充足的研發(fā)人員。目前的趨勢是結(jié)合全國輕量化技術(shù)優(yōu)勢，開展產(chǎn)學研一條龍，實現(xiàn)技術(shù)資源共享，積極推進多學科間的合作交流，實現(xiàn)科研成果轉(zhuǎn)化，建立一定的檢測規(guī)范和標準，建立起相關(guān)產(chǎn)業(yè)人才培訓基地和科研機構(gòu)。

5 結(jié)語

要推動輕量化技術(shù)在汽車工程中的應用，就要運用多學科共同發(fā)展，從新型材料、工藝和設(shè)計優(yōu)化等方面入手，實現(xiàn)汽車制造成本降低，安全性提升和穩(wěn)定性提高，保證總質(zhì)量的降低，實現(xiàn)汽車的輕量化。

［1］汲建.簡析輕量化技術(shù)在汽車工程中的應用［J］.科學技術(shù)創(chuàng)新，2017（11）：5.

［2］鄭宏達.談汽車工程中的輕量化技術(shù)應用［J］.科教導刊（電子版），2017（9）：290.

［3］胡劍，仲先國.淺析汽車工程中輕量化技術(shù)的應用［J］.湖北農(nóng)機化，2018，210（9）：57.

［4］高陽.汽車輕量化技術(shù)方案及應用實例［J］.汽車工程學報，2018（1）：1-9.

U462

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.071

2095－6835（2019）14－0154－02

〔編輯：嚴麗琴〕