汽车轻量化技术
方案
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及应用实例一、汽车轻量化
分析
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轻量化技术应用给汽车带来的最大优点就是油耗的降低，并且汽车轻量化对于环保，节能，减排，可持续发展也发挥着重大效用。一般情况下，汽车车身的重量约占总重量的30%，没有承载人或物的情况下，大概70%的油耗是因为汽车自身的质量，由此可得到结论，车身的轻量化会减少油耗，提高整车的燃料经济性。目前轻量化技术的主要思路是：在兼顾产品性能和成本的前提下采用轻质材料、新成型工艺并配合结构上的优化，尽可能地降低汽车产品自身重量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标。二、新材料技术1、金属材料。（1）高强度钢。高强钢具有强度高、质量轻、成本低等特点，而普通钢是通过减薄零件来减轻质量的，它是汽车轻量化中保证碰撞安全的最主要材料可以说高强钢的用量直接决定了汽车轻量化的水平。另一方面，它与轻质合金、非金属材料和复合材料相比，制造成型过程相对容易，具有经济性好的优势。（2）铝合金的密度小（2.7g/cm3左右），仅为钢的1/3,具有良好的工艺性、防腐性、减振性、可焊性以及易回收等特点，是一种非常优良的轻量化材料。典型的铝合金零件一次减重（传统结构件铝替钢后的减重）效果可达30%~40%,二次减重（车身重量减轻后，制动系统与悬架等零部件因负载降低而
设计
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的减重）则可进一步提高到50%,用作结构材料替换钢铁能够带来非常显著的减重效果。（3）镁合金。镁的密度仅为铝的2/3,是所有结构材料中最轻的金属,具有比强度和比刚度高、容易成型加工、抗震性好等优点。采用镁合金制造汽车零件能在应用铝合金的基础上再减轻15%〜20%,轻量化效果十分可观，但成本偏高于铝合金和钢。2、非金属材料。（1）塑料是重要的非金属轻量化材料,具有比重小、成本低、易于加工、耐蚀性好等特点,在汽车行业中的应用前景被看好。（2）树脂基复合材料根据增强体和基体材料不同分为多种类型增强基复合材料,如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、生物纤维增强复合材料等。。三、先进成型技术1、热成型。热成型技术是基于高强钢冷冲压成型中普遍存在塑性范围窄、易开裂、回弹大等问
题
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而发展起来的板材成形新技术,通常在900〜950C。的奥氏体状态下冲压,并在模具内淬火冷却。汽车上应用热成型技术的典型钢种是22MnB5，抗拉强度可达1500MPa。2、激光拼焊板技术。激光拼焊板（TWR）技术将不同厚度、不同强度、不同表面处理的板材通过激光拼焊集成一个大的板坯再进行冲制。激光拼焊板可使零件结构得到优化,充分发挥不同厚度板材和不同强度的特性,满足零部件不同部位的强度和刚度需求,同时也满足了轻量化。3、液压成形技术。液压成形技术采用液态物质作为施力介质,使坯料在施力介质的作用下，贴合凸摸或凹模面而成形。其工艺
流程
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为：合模―封口—快速加入油液T亭止―施加轴向力―脱模取出。据Vari-Form统计表明，液压成形工艺相对于传统的液压-焊接工艺,可降低11%的零件成本,并能减轻7.3%的质量。4、新型连接技术。胶接技术在汽车工业上的应用，不仅能连接不同的材料，如非金屬与金属、复合材料；还可以提高抗冲击性、耐疲劳性、结构的韧性和耐腐蚀性，可以起到增强隔热减振、汽车结构、紧固防锈，能够取代某些部件的焊接和铆接等传统工艺，达到减轻质量、简化组装工序、提高制品质量等效果。四、结构优化技术轻量化的另一手段就是在汽车零部件概念设计、初始结构设计、产品工程设计及样车制造过程中做相关结构的分析和优化，或去除零部件的冗余部分、或减少搭接（如花边形设计）、或改变结构，以实现对汽车零部件的精简化、整体化和轻质化。主要运用ANSYS、UG、CAD、CATIA等软件，手段有形貌优化、尺寸优化、拓扑优化、有限元分析和模块化集成设计等。五、汽车轻量化发展趋势：新能源电动汽车技术发展新能源汽车是汽车产业实现可持续发展和技术跨越的最佳技术路线之一。1、轻量化设计。利用CAD/CAE等计算机技术，对新能源汽车的结构和布局进行优化分析，对重要的关键的零部件的厚度进行灵活的分析和修改。设计初期对零部件的刚强度进行CAE分析，也可以从原来的数据库里面直接提取零部件的刚强度，精简工作，达到效率较高的目的。2、轻量化材料。碳纤维作为一种力学性能优异的新材料，密度不到钢的1/4，抗拉强度却能达到钢的7〜9倍，以其制造的汽车可以节约燃油30%。碳纤维增强聚合物材料车身相比钢结构车身减重53%以上，全铝结构车身减重30%，且当汽车在2万辆以下生产纲领的情况下，采用树脂传递模塑工艺（RTM）制造碳纤维复合材料车身的综合成本低于金属车身。在未来新能源汽车的研发中，电动车车身减重40%，可减少电耗40%左右，中科院也于2021年启动碳纤维电动车的研究项目。图3为新型材料碳纤维在车身上的应用。3、电动汽车轻量化。超级电容与锂电池的综合使用有利于提高锂电池的功率密度，采用固体电解质的全固态电池是解决锂电池安全问题的重要途径。对于氢燃料电池，开发新型更高能量密度储氢合金以及电池整体结构的优化设计是其轻量化技术发展的关键。未来新能源电池如锂硫电池和石墨烯电池等或许会对电动汽车驱动电池带来历史性变革。结语汽车轻量化是指以保证汽车的强度和安全性能为前提，寻求降低汽车的整备质量的方式，进而提高汽车的动力性，降低燃料的消耗，减少空气污染。本文主要分析了汽车轻量化的相关内容。
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