汽车轻量化技术发展现状初探

汽车轻量化技术发展现状初探（共11篇）（共11篇）

1.汽车轻量化技术发展现状初探 篇一

【行业关注】轻量化产业发展现状与技术解析

汽车轻量化是未来汽车行业发展方向之一，特别是对于时下发展迅速的新能源汽车而言，重量的减轻直接意味着续航里程的增加。研究表发现，对纯电动汽车而言，整车重量降低 10kg，续驶里程可以增加 2.5km。所以越来越多的整车、零部件厂都开始重视轻量化。

一、轻量化技术实现汽车轻量化的主要途径有三种：一是使用轻量化材料；二是优化结构设计；三是采用先进的制造工艺。国内外车企纷纷从这几方面入手，推动电动汽车轻量化发展，并取得了一定成绩。

1）全新制造工艺减少零部件数量碳纤维的应用将会带来一场革命，其原因在于碳纤维在汽车上的应用改变了传统汽车的设计思想、开发流程及制造工艺。碳纤维材料是可设计的，其零件工艺是多样化的，未来碳纤维应用于汽车没有标准化的材料，整个车和零件的开发过程就是材料开发过程，也是工艺开发过程。

铝型材的三维弯曲、钢铝焊接以及碳纤维零件的成型是目前面临的全新工艺。采用新工艺可大大减少零部件使用数量，实现轻量化目标。其中，碳纤维总成的方式已取得突破性进展。在兰博基尼Sesto Elemento的项目中，将前围、地板、后围集成为一个整体式座舱，取代了传统结构的48个零件，把零件分为4—6大片，成型之后直接粘接，工艺简单，减重效果突出。整备质量在加注燃料和其它液体之前只有960 公斤。

2）结构优化提高材料利用率汽车车身结构轻量化采用结构优化设计方法，可以在保证车身结构性能要求的前提下，提高材料的利用率，减少冗余的材料，而达到车身结构轻量化的目的，结构优化主要包括尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化。拓扑优化作为结构优化的一种，不同于车辆构件的尺寸优化和形状优化，是对布局和节点联接关系进行优化，使结构的某种性能指标达到最优化。汽车厂在新车开发时，公司决策层会给出一个整车定义，包括车多大多重，涉及到成本控制，同时希望车达到什么性能。拓扑优化能够在给定设计空间，给定设计重量、设计性能的约束下，迅速得到一个布局和节点联接基本判断，为设计人员提供结构质量最轻、性能最优的力学传递路径方案。3）应用碳纤维复合材料减重显著高强度钢和铝合金都可以在一定程度上实现车身减重，而汽车用工程塑料和复合材料则对车体的减重最为明显，由此成为汽车轻量化的首选用材。发达国家已将汽车用塑料量的多少作为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志。2015年，我国车用塑料的用量已经达到1046万吨，而且呈逐年上升的趋势。复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点。在复合材料中，碳纤维复合材料的应用一直备受瞩目。选用碳纤维增强复合材料制作结构件、覆盖件，可减轻质量达30%左右，对于比燃油车更需要轻量化的新能源汽车，碳纤维增强复合材料有更大的应用潜力，在未来汽车轻量化中将会起到举足轻重的作用。宝马i3在碳纤维复合材料的应用方面取得了令人瞩目的成绩，是第一款实现量产的采用碳纤维车身设计的车辆，其整备质量仅为1224kg，比设计之初减轻了250-350kg，很大程度上弥补了电池增加的重量。目前，北美汽车轻量化材料是全球最大的市场。预计该地区的年复合增长率约为 5.6%，在 2021 年达到362.3 亿美元。欧洲是全球第二大市场。未来，亚太地区轻量化材料市场将是这个行业中发展最快的地区。碳纤维复合材料（CFRP）是汽车工业轻量化道路上的主要材料之一。但由于碳纤维及其复合材料的高成本限制了其在汽车轻量化领域的大规模应用。目前，商业级的碳纤维主要为PAN基碳纤维，其高成本问题主要集中在较高的PAN 原丝生产成本（占总成本的51%）和较长的生产流程。因此，降低车用CFRP成本的主要路径是降低碳纤维原丝成本，寻求低成本纤维生产工艺以及低成本的CFRP制备工艺。目前国外碳纤维生产商已经致力于开发低成本碳纤维制造技术，并寻求PAN以外更低成本的原料来制备碳纤维。日本三菱和东丽公司开发的大丝束碳纤维是低成本制造技术的典型代表，美国也已开发出先进的碳纤维制备技术。在低成本原料方面，美国、日本等碳纤维主要制造国家已经开发出包括聚烯烃类聚合物、木质素纤维素、电纺酚醛纤维、辐射丙烯酸等在内的低成本代替材料。除纤维成本外，车用复合材料最大的挑战是汽车行业高效率的生产预期，其中成型树脂是决定复合材料生产效率的最主要影响素之一。由于优异的粘合强度和模量、耐蠕变性、高韧性和良好的抗疲劳性能，环氧树脂通常是汽车复合材料生产商的首选。通过研究和开发“瞬间固化”（能够流动和彻底浸润纤维预制件，并在5 min之内固化）的环氧树脂及其配套的预成型和成型设备，从而开发高效、低成本的复合材料生产技术，已经成为降低车用复合材料成本的主要手段之一。德国： 是当前汽车轻量化材料占比最高的国家，其次是美国和日本。德国汽车工业十分发达，在新材料工业和机械制造领域聚集了世界上最优秀的几个生产企业，具有推动汽车轻量化得天独厚的优势；其次，美国豪华品牌车型也较多，且电动汽车发展很快；日本是在碳纤维方面属全球首位，以东丽公司为代表，目前该公司全球遥遥领先；中国轻量化起步较晚，技术和应用程度都落后于德美日等发达国家。但是随着新能源汽车的发展，材料轻量化正在加速进行中。美国：美国虽然高端豪华品牌车型也较多，但是美国汽车行业对于新型轻量化材料的热衷主要来源于新能源汽车的发展以及排放和能耗的压力，代表企业是特斯拉、GM、福特等。特斯拉目前的 Model S 和 Model X 在车身和底盘上基本都采用了铝合金和其他复合材料，而GM 的高端品牌凯迪拉克在近两年的新车型中也开始采用钢铝复合车身结构，比如凯迪拉克CT6，福特则是将铝合金车身首先搭载在 F150 这类高端皮卡车型上。日本：目前日本汽车企业轻量化材料的使用也主要是集中在一些非结构件上，比如铝合金的发动机罩、塑料的翼子板和尾门等，还有就是底盘和发动机的一些铸铝件。其中代表企业是丰田的雷克萨斯和本田阿库拉。随着2020年全球的能耗和排放政策的越发严格，预计到2020年，日本汽车企业轻量化材料在底盘和车身中的占比会赶上美国，达到 20%左右。中国： 中国汽车轻量化起步不足十年，借助新能源汽车崛起契机，对发达国家呈现赶超之势。汽车轻量化已经从分散化、高端化、单一化的 1.0 时代走向集约化、普及化、多元化的 2.0时代。轻量化的发展受到智能网联、节能减排、性能提升等多重需求牵引，通过全产业上下游深度合作，在轻量化材料应用、制造工艺、结构优化、零部件研发领域多面发力，使轻量化应用车型更加普及，其中新能源汽车细分市场将有望率先取得突破。目前，不少车企不仅与汽车零部件供应商合作，还与碳纤维材料制造商建立合作关系以为其开发专用的新型碳纤维产品。如日产汽车、本田汽车与东丽公司联手开发汽车车体用新型碳纤维材料，赢创同江森自控、雅各布塑料、东邦特纳克斯公司共同研发碳纤维增强塑料轻质材料，东丽与戴姆勒达成共同研发协议为梅赛德斯-奔驰研发碳纤维复合材料部件等。2017年日本东丽、三菱、帝人，美国赫氏等碳纤维行业巨头动作频频，布局覆盖航空航天、汽车轻量化等未来主要应用市场。日本东丽工业株式会社是全球最大的碳纤维供应商，在全球26个国家和地区进行着事业运作；9月，东丽首次在欧洲建立一家树脂化合物生产基地； 11月研发出新的小丝束碳纤维品种Z600，着重在汽车工业领域推广； 日本帝人株式会社是全球第二大碳纤维产商，截止2016年三月份资本金未708.16亿日元，2016销售额达到7413亿日元，本期净利润为501亿日元，其中高性能纤维及其复合材料的销售额为1368亿日元，占比高达18.4%。主营业务包括高级纤维和复合材料（含高性能纤维、碳纤维及其复合材料两部分），电子材料和化工产品、医药医疗、交易零售、IT等。9月，帝人全资收购了美国CSP公司，将其打造成为高性能复合材料业务的核心企业，持续扩大集团在美国市场的影响力； 三菱化学是日本第三大碳纤维产商，2016年财年的销售收入达到了33761亿日元，其营业利润为3075亿日元，2016包含碳纤维业务在内的功能材料业务销售收入为8067亿日元，利润为815亿日元，同比增长7.66%。主营业务包括碳素材料、碳纤维及其复合材料、塑料加工品、化纤、聚合物、树脂、功能化学品、无机材料、农业及IT等；所生产碳纤维增强塑料被采用生产新奥迪RS 5Coupé车顶； 美国氰特是美国著名的化学材料生产企业，成立于1991年，总部设立在美国新泽西州，是世界上生产特种化学品和原材料的领导者之一。氰特公司是美国第二大小丝束碳纤维生产厂商，主营业务包括从事开发高科技聚亚氨酯、环氧复合物与合成树脂系列，其产品主要涉及浇注、包封、敷形涂层、粘合、密封、模具树脂、合成橡胶等领域。2017年收购了进复合材料和工艺材料的顶级供应商UMECO； 美国赫氏拥有40年的碳纤维制造经验，有大量的航空航天数据资料；是中模量碳纤维技术（小丝束）的领导者。就在2017年11月，赫氏与UTC航空系统公司签署延长协议，将现有协议延长到2030年，为后者发起的商业航空项目供应先进复合材料； 中国石化上海石油化工股份有限公司是中国最大的炼油化工一体化综合性石油化工企业之一，也是全国最大的乙烯生厂商之一，是中国重要的成品油、中间石化产品、合成树脂和合成纤维生产企业，拥有独立的公用工程、环境保护系统，及海运、内河航运、铁路运输和公路运输配套设施。主营业务包括汽油、柴油等炼油产品、丙烯腈等化工产品、聚乙烯等塑料制品、聚酯切片等纤维产品等。公司生产的碳纤维片材应用到立交桥加固工程中，实现了碳纤维在建筑物加固领域的大范围应用； 随着汽车轻量化的进展，铝合金、镁合金以及高强度钢等材料由于比强度高，使用量增幅也非常明显，制造行业的持续快速发展，特别是机械、汽车、机电、造船等行业，对优特钢的需求强劲，成为支撑优特钢市场的直接动力。主流企业有：

大冶特钢：大冶特钢的主导产品为齿轮钢、轴承钢、弹簧钢、工模具钢、高温合金钢、高速工具钢等特殊用途的钢材，有800多个品种,1800多种规格，可向汽车、石油、化工、煤炭、电力、机械制造、铁路运输等行业以及航海、航空、航天等领域提供服务，产品畅销国内外，远销世界五大洲近30个国家和地区。

太钢不锈：目前国内最大的不锈钢生产基地，也是国际上重要的不锈钢生产厂家之一，是国内唯一的全流程不锈钢生产企业，产量和市场占有率居全国第一。方大特钢:公司经营范围包括汽车钢板弹簧、扭杆弹簧、圆簧、弹簧扁钢、减震器等。

西宁特钢：公司旗下共有一家全资子公司、三家控股子公司，拥有铁矿、煤矿、钒矿、石灰石矿等资源。已形成年产铁100万吨、钢120万吨、钢材110万吨、焦煤120万吨、焦炭70万吨、采选铁矿360万吨、铁精粉120万吨的综合生产能力。铝合金生产企业主要有：忠旺铝材：亚铝集团、南山集团、凤铝铝材、帕萨集团、美铝、诺贝利斯、三菱铝业等 忠旺铝材：全球领先的工业铝型材研发制造商，致力于交通运输、机械设备及电力工程等领域的轻量化发展。忠旺集团是目前全球第二大、亚洲及中国最大的工业铝型材研发制造商。集团总部位于中国辽宁省，建有全球领先的铝合金倾动熔铸设备及亚洲规模最大的特种工业铝型材模具设计制造中心。

南山集团：产业链涵盖能源、氧化铝、电解铝、铝型材、铝板带箔、航空材料等各个环节，终端产品广泛应用于航空航天、船舶、高速列车、电力、汽车、集装箱等若干领域。凤铝铝材：集铝合金型材研发、生产与销售等为一体的综合性大型民营铝型材企业。拥有南海和三水两个大型生产基地，占地总面积90万平方米，建筑面积近70万平方米。主要从事研发和生产建筑类、装饰类、工业类、军工类、航空航天类、特种铝合金型材等产品。

萨帕集团：主产品为铝型材（建筑铝型材、建筑门窗幕墙工程、工业铝型材）和铝汽车热传输材。镁合金板材国内外制造商主要有：德国蒂森克虏伯、韩国浦项钢铁公司、英国伊利科创、西部钛业、营口银河等。中铝洛铜：国内最早专业化生产镁合金板材的企业，累积产能国内最高，闻喜银光：国内最早进行车辊铸轧工业化生产和应用的企业，镁合金产业链最为齐全 国内主要的轻量化技术

1）少片簧技术少片簧说得即是用四片或者是三篇板簧代替原来的十片板簧，前桥采用抛物线的板簧结构。在保证承载力的同时可以降低自重数百公斤，刚刚全国上市的超级轻量化卡车乘龙H5也使用了该技术，降低自身自重。且国内高速物流用车大多都是这样的结构，适合标载运输。2）高强度钢板轻量化时代，为达到降低卡车自重的目的，高强度钢也逐渐进入人们的视线，但是目前行业内说的高强度钢就是指高强度钢板，国内能生产先进高强度钢的企业有宝钢、武钢、鞍钢、本钢、首钢等。而我们超级轻量化卡车乘龙H5的大梁与板簧均采用了宝钢超强型钢材，强度高，承载力强，且结构通过优化设计，在保障车架的同等承载力情况下，可降低自重13%。

3）铝合金材质近年来，铝合金材质一直都是卡车行业十分关注的话题，不少卡车上都应用上了铝合金。如超级轻量化卡车乘龙H5，其变速箱、1000L大油箱与储气筒均采用了铝合金材质，自重轻至7.5吨！铝合金不仅在重量上比铁质轻，更重要的是，在讲究环保的当今时代，铝合金的油箱可以大幅减少燃油燃烧后对环境的污染，更加符合国家对于卡车行业的政策要求。

二、轻量化节能减排世界多个国家和地区都制定了节能减排目标，我国也明确到2020年乘用车新车平均燃料消耗量达到5L/100km，节能减排的压力较大。在当前诸多节能减排路径中，汽车轻量化是最容易实现、潜力相对较大的方式，对于乘用汽油车，每降低100kg，最多可节油0.39L/100km。另一方面，对于新能源汽车来说，也需要通过汽车的轻量化来提升续航能力。国际汽车节能标准法规动态及趋势分析

第四阶段乘用车燃料消耗量限值达标要求节能技术方向中国汽车产业的发展面临着能源和环境保护问题的巨大压力。为了减少排放和能源消耗，满足日益增长的消费者对汽车的需求，促进我国汽车轻量化材料及加工工艺技术水平的提高，加快推进汽车轻量化材料新工艺的产业化应用，汽车轻量化是未来环保发展的趋势和必要条件。2018年8月15-17日由英佛会议展览有限公司（InfoGroup）主办的“2018第五届上海国际汽车轻量化技术成果展览会”将于上海汽车会展中心举办，本次的展会主题：高品质、节能化、环保化、功能化。轻量化已成为汽车行业节能环保的重要保障,轻量化应用已由赛车、豪华车和高端车等逐步向中低端车倾斜,其中,铝合金、镁合金和碳纤维已成为替代原来钢材、铸铁等的轻量化材料,市场前景广阔。

本次展会展品的主要范围是轻量化车身及先进制造和轻量化新材料与技术应用。展品类别包括：汽车轻量化部件、车用高轻度钢、车用有色金属合金、车用其他轻量化材料、非金属复合材料、车用化工新材料、材料成型技术与设备、加工技术与设备、元件/模块、相关材料结合技术、为减少汽车重量的其他技术、工艺与仪器等。英佛会议在此热忱欢迎与此领域相关的行业朋友前来参展。CIAIE是按照国际化、专业化、市场化原则举办的唯一国家级汽车行业展会。CIAIE获得了中、德、美、英、法、意、日、韩、西班牙、加拿大、澳大利亚、意大利、印度、伊朗、巴基斯坦、菲律宾、中国台湾等17个国家和地区的39个汽车行业协会的国际参观者。CIAIE国内观众主要来自上汽集团、北汽福田、广汽集团、一汽集团、北京奔驰、华晨宝马、大众、上海通用、北汽控股、北京现代、比亚迪、奇瑞、长城、夏利、吉利、哈飞、力帆、神龙、江南、红塔、青年云雀、吉林通田、郑州宇通、欧曼重型车、北京汽车研究总院、博世集团、电装公司、德尔福、麦格纳、北汽李尔、东风汽车零部件、河北御捷、江苏道爵、延锋、安道拓、小糸、法雷奥、佛吉亚、德尔福、万向集团等超过1000品牌，涵盖传统汽车、新能源整车、电动汽车、动力总成、燃油系统、车身部件、汽车内外饰、汽车模具、汽车轮胎、易损件、质检机构等应用、研发、设计公司参观交流洽谈。展会同期还将举办了“轻量化高峰技术论坛、新技术新产品发布会”等相关活动,同时获得了行业组织、政府相关机构的支持和赞誉。

轻量化技已经术颠覆了传统汽车的制造工艺，带来整个产业的变革，使行业的发展仍面临一系列新问题，如轻量化评价及测试标准尚未完善、产业间缺乏融合、新型材料成本较高、固有开发模式尚未突破等。整个行业亟需企业调整思路，全力迎接行业变革所带来的挑战，但是在整车轻量化的大趋势面前,相信汽车工程师们一定能做到越来越好。

2.汽车轻量化技术发展现状初探 篇二

1铝合金

铝的密度是钢铁的三分之一, 机械加工性能是铁的四倍之多。所以, 铝在世界汽车制造中得到广大的应用。世界铝业协会调查数据显示, 2001年-2009年在汽车上用铝量将近翻了一倍之多, 预计到2019年, 中级轿车的用铝量将会达到130kg/辆。在汽车中主要采用的是形变铝合金和铝合金。形变铝合金应用到汽车面板的技术相对于铝合金较为成熟一些, 主要包括车门、发动机罩等。铝合金材料主要应用到汽车结构配件、保险杠等。但是, 铝合金的加工难度比较大, 焊接性能低, 成型性技术仍然有待提高。同时, 由于市场铝价比较高, 所以在应用铝合金时, 控制成本也是十分重要的。

2镁合金

镁合金和铝合金在性能方面差不多, 但是镁的密度要低很多。镁合金主要应用在汽车的油泵、曲轴箱、配电器、气缸体以及座椅、方向盘等中。镁合金在汽车中所面临的问题仍然是成本较高。我国的镁资源储备量在世界首屈一指, 但是在汽车中的应用却是很少, 需要继续开发和推广, 所以发展前景是十分可观的。

3高强度钢

高强度钢板不仅机械性能良好, 而且价格低廉, 利用现有的生产线就可生产, 这就大大降低了投资的成本。在等强度设计条件中可以适当削减高强度钢板的厚度, 但是我们主要把元件的刚度作为钢板厚度多少的标准, 所以实际削减钢板的厚度并不一定能使钢板的强度得到增加, 不可以较大幅度的减轻汽车的重量。高强度钢板具有使构件的能量吸收力得到提高、变形抗力得到增加以及弹性应变区得到扩大等特点。并且高强度钢板的成本较低, 预计高强度钢在汽车中的应用量会逐渐增加。目前各个国家把加速高强度钢技术主要应用在汽车的车身、汽车转向、汽车底盘等配件上。

4工程塑料和复合材料

塑料是以非金属材料等有机物组合而成的, 它的密度小、耐腐蚀、易成型, 而且隔热、防振动、隔音的效果也十分良好。和金属钢板相比, 它具有良好的触感和外观色泽。塑料的机械性能会随着时间推移以及外界环境温度的变化而发生变化。近年来数据显示, 在汽车中塑料的应用量逐渐增加, 占到汽车车重的23.8%。塑料大都应用在座椅支架、防震条、仪表盘、散热器罩、挡泥板等其他内外装饰性配件上。在汽车功能件的应用上塑料的用量也越来越广, 比如汽车的发电机部分以及冷却系统等等。在制作车身的覆盖件时也会应用到塑料。复合材料就是纤维增强塑料 (简称FRP) , 它同时具有纤维和塑料的性能。目前常见的FRP主要是根据不同要求选取热固性树脂和玻璃纤维加工而成。除了玻璃属于增强用的纤维之外, 其中还包括合成纤维、碳纤维等。基体树脂可根据不同要求选取酚醛树脂、环氧树脂等。复合材料具有密度小、易成型、耐腐蚀、设计灵巧雅观、隔电等诸多优点, 它同时具有耐热性差、生产效率低、不能达到生产无损伤等不足。目前汽车上应用的复合材料还不是很多, 但是随着汽车生产技术的改善和提高, 前景仍然是十分可观的[4]。

5其他轻量化材料

继金属和塑料之后又兴起了第三大类材料那就是精细陶瓷。虽然仅有20年左右的发展史, 但是它具有良好的化学性能 (耐氧化、耐热冲击等) 和力学性能 (耐腐蚀、硬度高、耐磨损等) 。把精细陶瓷材料应用到汽车零件中, 不仅轻量化了汽车, 而且因为它具有耐磨损、耐热、耐腐蚀, 在汽车热交换器和汽车发动机燃烧室等应用时, 它大大降低了油耗, 同时也大大提高了使用功率, 也间接的起到了轻量化设计的效果。另外, 蜂窝夹层材料具有密度低、高刚性、高强度的优点, 所在很早在飞机材料上就采用了蜂窝夹层材料。但是在汽车上应用的还不是很多, 相信随着应用研究的发展, 会得到更多的应用。

6结语

伴随轻量化技术的发展逐渐趋于成熟, 其生产成型技术、配件的连接也不断提高, 针对不同要求选取不同材质的轻质材料, 把多种材料进行混合以此达到结果设计要求。同样相同的部件可以由不同材料制造而成, 以此达到材料与汽车零件功能的双重最佳, 这必将成为未来汽车设计理念的发展趋势。目前为止, 这项技术还不是很成熟、还有待继续开发与研究, 未来必有广阔的发展前景。

摘要：为了降低汽车油耗, 节约能源, 抑制环境恶化, 提升汽车性能, 把轻量化材料应用在汽车制造工业中, 减少轿车重量, 是一种行之有效的方法。本文主要介绍了在汽车工业中引用轻量化的设计理念和一些汽车经常使用的轻量化材料。

关键词：轻量化,材料,机械性能

参考文献

[1]宋年秀, 刘祥斌, 曲秀丽, 等.基于MSC.Patran的牵引车车架轻量化设计[J].公路与汽运.2013 (2) :1-6.

[2]姜丁, 陶祥贺, 濮卉, 等.承载式车身——汽车轻量化的制胜法宝[J].汽车运用.2013 (3) :51-53.

[3]闫辉.汽车车身轻量化材料的应用研究[J].机械研究与应用.2013 (1) :140-142.

3.轻量化技术在汽车上的应用分析 篇三

（东风汽车公司 技术中心，武汉 430058）

轻型、节能、环保、安全、舒适、低成本成为各汽车制造厂家追求的目标，尤其是节能和环保更是关系人类的可持续发展的重要问题。轻量化技术可以有效提升车辆的节能和减排性能［1］，降低车辆的开发成本，因此，轻量化技术成为了国内外各汽车公司主要的研究课题。

国内外目前主要轻量化技术手段主要包括新材料、先进制造工艺以及结构优化技术的应用等。新材料和先进制造工艺的应用虽然轻量化效果显著，但往往伴随着成本的大幅提高。应用有限元等现代设计方法对结构优化设计进行指导设计，则在实现减重的同时一定程度上降低了研发成本。

本文从新材料、先进工艺的应用和结构优化设计等方面论述了轻量化技术的应用及发展趋势，根据这些研究，探索性地提出了开发轻量化技术的模式和方法。

1 新材料的应用和发展

1.1 高强度钢

将屈服强度在210～550 MPa范围内的钢定义为高强度钢（HSS），屈服强度在550 MPa以上的钢定义为超高强度钢（UHSS）。目前应用在汽车车身上的高强度钢钢种主要有双相钢（DP）、复相钢（CP）、马氏体钢（MART）、烘烤硬化钢、热冲压硼钢板、相变诱发塑性钢（TRIP）等。

高强度钢主要通过材料的晶相组织结构改变，达到提高材料强度性能（强度范围500～1 600 MPa），并且具有较高的疲劳强度、碰撞吸收性能、高的减振减重潜能和低的平面各向异性等优点。如果使用高强度钢板，在所要求的车身性能不变或略有提高的前提下，则钢板构件的厚度可以减薄。相关研究表明，采用高强度钢板，原厚度为1.0～1.2 mm的车身钢板可减薄至 0.7～0.8 mm，车身重量减轻 15%～20%［2］。 国外汽车高强度钢应用情况如表1所示，可以看出，高强度钢板已得到了大量的应用。

表1 国外汽车高强度钢应用情况

由于高强度钢在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合的优越性，决定了高强度钢在汽车轻量化应用中的广阔前景，实现汽车轻量的同时，又保证了安全性等。

1.2 轻质材料

1.2.1 铝合金

汽车铝合金零部件以铸件为主，另外还包括少量的型材和板材，已占到整车备重的10%左右，其应用如表2所示，可以看出，铝合金有着广阔的应用空间。1994年，奥迪开发了具有里程碑意义的第一代全铝空间框架 （Aluminum Space Frame，ASF）［3］，应用第一代ASF的Audi A8全铝车身，其质量减轻了40%，只相当于普通中级轿车的水平，而全铝空间框架设计却使车身的静态扭转刚度提高了40%。

铝合金虽然提高了汽车综合性能，但同时也提高了整车成本。铝材价格是钢材的3倍以上，而且铝制产品工艺流程复杂，不易控制，对每一个工序都必须严格监控，这都在一定程度上限制了铝合金的大量应用。

表2 铝合金在汽车零部件中的应用

1.2.2 镁合金

与传统汽车结构材料相比，镁合金除拥有相对优异的比强度外，还具有优异的减振降噪性能。良好的铸造性能和尺寸稳定性，使其可以浇铸各种薄壁和复杂的零件，其模具使用寿命长，也使得以前需要多个零件组装的部件可集成为单一部件，减少零件数量；良好的可加工性，可以降低加工成本［4］。

目前，镁合金在构成汽车的发动机、动力传动、行驶与转向系统、内饰和车身等几大系统上均有应用。欧洲正在使用和研制的镁合金汽车零部件有60多种，单车上的镁合金质量为9.3～20.3 kg，如仪表板骨架、转向盘、气缸体、气缸盖、进气歧管、轮毂、车身部件等。而应用最早、最广泛的领域，涉及变速器壳体、离合器壳体、分动器、轴变速器等诸多构件。

我国是镁资源储存最大的国家，具有较大的优势。一汽、奇瑞等已率先实现了镁合金方向盘骨架、仪表板横梁的批量生产和某些车型上的批量应用［5-6］，如图1、图2所示。而最具节能减排潜力的锻造镁合金轮毂轻量化的应用，则因现存变形加工技术的高成本特征，应用仅限于高端轿跑和赛车，因此，开发低成本、高品质的镁合金轮毂生产应用技术，才能为镁合金在汽车轮毂上的规模应用奠定技术经济基础。

另一方面，镁合金活泼的化学性质和较强的电偶腐蚀趋向，使得其应用时需要严格的腐蚀防护措施，最终增加其生产应用成本，消弱了竞争力，但其熔体突出的强制流动充型和高压补缩能力，使那些用铝合金难以生产的大型、复杂、薄壁构件的高压铸造生产成为可能，这为汽车轻量化构件的集成化设计制造创造了条件。

1.2.3 塑料及其复合材料

（1）塑料

塑料及其复合材料是另一类重要的汽车轻质材料，其应用范围正在由内饰件向外装件、车身及结构件扩展，今后的重点发展方向是开发结构件、外装件用的增强塑料复合材料、高性能树脂材料，并会更加重视材料的可回收性。

与通用塑料相比，工程塑料具有优良的机械性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点，比被取代的金属材料轻且成型时能耗少。从20世纪70年代起，以软质聚氯乙烯、聚氨酯为主的泡沫类、衬垫类、缓冲材料等塑料在汽车工业中被广泛采用。

（2）复合材料

复合材料具有比强度和比刚度高、优异的抗腐蚀性能、减振阻尼性能、抗老化性能、抗疲劳性能，而且复杂形状的结构可整体成型，大大减少零件数和装配成本，用比重仅有1.6 g/cm3的复合材料代替比重7.8 g/cm3的钢，减重效果可达40%～60%，表3为复合材料与各种金属材料的性能对比［7］。

表3 复合材料与各种金属材料的性能对比

在欧美等国车辆复合材料的用量约占其复合材料总产量的33%左右，并呈增长态势。复合材料从制造简单的车辆非承力件到承力件，从车辆的外覆盖件向汽车的内饰件和结构件方向发展，先后研制成复合材料的驱动轴、板簧和全复合材料的汽车底盘和车身等。法国SORA公司为雷诺汽车公司开发了全复合材料轿车车身 （Clio V6），宝马M3用一整张碳纤维复合材料车顶代替了金属车顶，减重5 kg，大大降低了整车重心，让车身侧倾力大幅降低。

连续碳纤维增强复合材料虽然轻量化效果显著，但因成本问题，目前主要仅停留在研制阶段的概念车和高档汽车上。另外一种以玻璃纤维为增强体的玻璃钢（GRF、GMT），以及短纤维增强塑料（SMC、LFT）近年来应用呈逐渐上升之势，主要应用在保险杠防撞杆、前翼子板、后备胎罩和后背门上。

除上述材料外，具有密度低、强度高、弹性模量大、抗压性能好的结构性泡沫材料也引起了关注，因其对车身基材的附着力极强，可以作为填充材料用于纵梁等部位，相同质量的前提下，可以显著提高整车的碰撞性能［8］。

2 工艺技术对轻量化的影响

传统冲压、钎焊、粘接、翻边搭接、螺栓连接等传统工艺技术已不能满足当前汽车轻量化的需求，激光拼焊、热成型、内高压成型、辊压成型、锁铆连接技术等新兴工艺有力地促进了轻量化技术的发展。

2.1 激光拼焊

目前，由拼焊板生产的汽车零部件主要有前后车门内板、前后纵梁、侧围、底板、车门内侧的A、B、C立柱、轮罩、尾门内板等，轿车采用激光拼焊可以实现轻量化，部分零部件可以显著提高碰撞安全性，图3、图4为激光拼焊在B柱加强板和车门内板的应用。

激光拼焊板在车门上的应用使铰接区域的刚性得到整体加强，所以不再需要加强板，此外，车门的配合公差得到大幅改善，车门各板件的厚度和拼焊板焊缝线的位置可以通过一些优化方法进行确定，保证性能的同时，使得车门系统质量得到降低［9］。纵梁上采用激光拼焊，重量能有一定程度的减轻，成本与普通点焊设计基本持平，但能显著提高正碰性能。激光拼焊在纵梁、车门内板及B柱的应用在国内自主品牌车型上已得到推广，如奇瑞A3、一汽奔腾B50等。

2.2 热成型

高强度钢板结合热成型技术的应用，可以减少车身零件上加强板的数量，从而降低了整车车身的重量。与冷成型工艺相比，热成型的成形性非常优秀。对于冷冲压成型，材料强度越高，成型性能越差，回弹也越大，需要多道工序才能完成。而热成型材料在高温加热以后很容易一次冲压成型。虽然与同一尺寸的冷成型单件相比，热成型件成本高，但是由于热成型零部件材料的强度很高，无须加强板，而且模具少，工艺少。在同一性能前提下，并考虑到整装成本及省下的材料成本，热成型件反而更具经济性。

热成型技术目前多用于车门防撞板、前后保险杠、A/B柱、中央通道、上下防火板等。其中本特勒公司在热成型技术的开发和应用方面较为成熟，例如不等厚技术、补丁技术、和局部加热技术等已经成功推广到了市场［10］，以B柱为例，每车最高可实现潜在减重8.4 kg。

2.3 内高压成型

汽车上的内高压成形零件包括汽车副车架、散热器支架、底盘构件、车身框架、座椅框架、前轴、后轴、驱动轴、凸轮轴及排气系统异型管件等。与传统冲压工艺比较，如副车架等零件，用内高压成形有着较大的优势［11］。

（1）减轻重量，节约材料。表4是汽车上采用内高压成形件与冲焊件的产品重量对比。对于框、梁类结构件，内高压成形件比冲压件减轻20%～40%；对于空心轴类件可以减轻40%～50%。

表4 三种车用冲压件与内高压成形产品的重量对比表

（2）减少零件和模具数量，以及减少后续机械加工和组装焊接量等。

（3）降低生产成本。根据德国某公司对应用内高压成形技术生产的零件的对比分析，内高压件的成本比冲压件平均降低15%～30%，模具费用降低20%～30%［12］。

（4）提高零件的强度和刚度，尤其是疲劳强度。

但是，由于内高压成形所需内压高，需要大吨位液压机作为合模压力机，其高压源及闭环实时控制系统比较复杂，造价也高。另外，由于成形缺陷和壁厚分布与加载路径密切相关，零件试制研发费用较高。这些因素在一定程度上影响了内高压成形工艺的普及和发展。

2.4 辊压技术

辊压成形工艺是通过顺序配置的多道次成形轧辊，把卷材、带材等金属板带不断地进行横向弯曲，以制成特定断面的型材。辊压成形工艺加工出来的型材其断面结构合理、品种规格繁多、几何尺寸精确，体现了现代社会对材料轻量化、合理化、功能化的使用要求。

目前，国外白车身采用的先进高强度钢板，有相当部分诸如前/后保险杠、门槛、驾驶员座调整机构中的滑轨、车身的B柱及底盘等构件，都是用辊压成形工艺制造完成的。

以保险杠为例，高强度钢辊压保险杠比冲压保险杠有更轻的质量。图5是冲压的保险杠，图6是辊压的保险杠。在相同的抗冲击能量下，对比数据如下［13］。

冲压保险杠：材料牌号DOCOL 500DP，抗拉强度 500 MPa，T=1.8 mm，质量为 13 kg；辊压保险杠：材料牌号DOCOL 1000DP，抗拉强度 1 000 MPa，T=1.0 mm，质量为 6.5 kg，有明显的减重效果。

传统的辊式辊压成形工艺可以生产大批量的不变截面的产品。随着市场竞争的加剧，以及节能和环保的要求，需要产品的改变能适应更多的变化，即具有灵活可变的柔性。采用计算机技术的柔性辊压成形（Flexible Roll forming）是辊压成形新技术的发展方向。

2.5 锁铆连接技术

新材料的应用可以明显的实现减重，但传统的点焊等工艺已无法满足异质材料的连接要求，而锁铆连接技术可以解决这一问题。锁铆连接可用于不同材质、硬度、厚度材料组合、各种有镀层的材料连接组合以及有夹层包括胶水等非金属材料组合。

宝马公司新5系采用了混合材料车身，车身前端使用铝合金，使用铆接与钢制车身连接，同时解决了前后轴的质量平衡问题，如图7所示。

3 结构优化对轻量化的影响

结构的优化设计为汽车轻量化的另外一个重要方面技术。先进材料和加工技术的应用，虽然轻量化效果最为明显，但往往伴随着成本的增加。与国外发展一致的是，结构设计和优化是我国汽车轻量化技术中发展最快的，国内已从主要依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等现代设计方法进行指导设计，进行结构的优化，以实现减重。

通过拓扑优化，可以在给定的设计空间内找到最优的材料分布，形貌优化技术可以在钣金件上找出最佳的加强肋位置和形状，尺寸和参数优化可以得到梁的最优截面尺寸等［14-15］。对已开发出模型的车型，则利用板厚灵敏度分析，对白车身钣金件进行厚度优化，确保整车性能的条件下实现减重等。通过建立参数化模型，在开发的初期对截面和接头等进行优化，保证性能的前提下控制质量，减少了设计的更改次数和大大的缩短了产品的开发周期。

CAE结构优化技术在正向开发和逆向开发中的应用流程如图8所示，以重量为优化目标，通过使用各种优化方法，使CAE仿真分析技术贯穿整个设计阶段，找出产品设计的最佳方案，缩短设计和分析的循环周期，减少成本。

4 结束语

通过国内外轻量化技术的应用分析，在目前自主品牌轻量化技术中，用CAE仿真技术引导设计，得出最佳设计方案，同时提升新材料、新工艺技术的应用能力，在确保汽车综合性能指标的前提下，尽可能降低汽车产品自身重量，以达到减重、节能减排、安全的综合指标。

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4.汽车轻量化技术发展现状初探 篇四

机器人轻量化、机器人配备视觉识别功能等配套技术推动了工业机器人应用和发展。

事实上，出现这样的“机器人热”并非偶然。一方面，国内劳动力成本不断上升，相比之下，原本定位高端的工业机器人越来越成为令制造企业能够接受的选择;另一方面，随着国内制造业产业升级的步伐加快，对于生产的质量、速度、效率等指标的要求不断提高，而工业机器人所具有的高精度、高速度等优势性，也无疑是人工所不能比拟的。

5.发动机连杆轻量化设计解析 篇五

0 引 言

连杆是发动机中传递动力的重要零件。它将活塞的往复运动变为区轴的旋转运动并把作用在活塞组上的力传给曲轴。连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷。因此在设计连杆时应首先保证其具有足够的疲劳强度和结构刚度。显然为了增加连杆的强度和刚度不能简单地加大结构尺寸因为连杆重量的增加会使惯性力相应增加所以连杆设计的一个重要要求是在尽可能轻巧的结构下保证足够的强度和刚度即连杆轻量化设计是最终设计目标。

为了优化设计某发动机连杆减轻连杆重量选用朝柴发动机连杆作为评判的参考样品。分析某连杆发动机连杆现生产方案及其3 种改进设计方案以连杆疲劳安全系数为量的指标从3种改进设计方案中选出满足强度和刚度设计要求的重量最轻的方案为最终优化设计方案。1 有限元模型的建立

1.1 网格划分

发动机连杆是由连杆体连杆盖连杆轴瓦和连杆螺栓等零件组成连杆螺栓以巨大的预紧力5104 N 把连杆体和连杆盖连接在一起连杆轴瓦主要起耐磨作用因此进行有限元分析时不考虑连杆轴瓦和连杆螺栓而代之以连接预紧力作用于连杆体和连杆盖上连杆体和连杆盖接触面考虑接触和摩擦力。由于连杆结构和载荷的对称性。在建模型时仅取其一半结构进行有限元模型化。连杆的有限元模型采用四面体单元。

本文CAE分析前后处理软件为Altair/Hyper Mesh V7.0 分析软件为MSC Nastran 2001 各方案有限元模型规模见表1，有限元分析模型见图1。

图 1 有限元模型和连杆边界条件示意图

1.2 连杆有限元模型受力和约束

连杆总成的往复和旋转惯性力:

活塞组的往复惯性力：

拉伸工况下连杆大头载荷：

拉伸工况下连杆小头载荷：

活塞最大爆发压力载荷：

压缩工况下连杆大头受压力：

压缩工况下连杆小头受压力：

拉伸工况下沿连杆小头方向施加连杆总成的往复和旋转惯性力：

6.汽车轻量化应用技术探讨 篇六

1 汽车轻量化的技术路径

汽车轻量化技术是设计、材料与制造技术的集成应用, 图1为汽车轻量化产品的设计路径示意图。

实现汽车轻量化的主要技术路径如下。

(1) 结构优化设计

从汽车零部件概念设计、初始结构设计、产品工程设计和样车制造过程来做结构轻量化的设计分析。在满足使用性能的前提下, 采用优化设计去除零部件的冗余部分、减少零件搭接、改变零件结构, 以减少零件数量或减轻质量, 继而实现轻量化。

(2) 轻量化新材料的应用

主要包括采用轻量化材料和轻量化材料成形技术两方面。轻量化材料是指可用来减轻零件质量的材料, 分为两大类:一类是低密度轻质材料, 如铝合金、镁合金、钛合金、塑料和复合材料等;另一类是高强度材料, 如高强度钢等。

轻量化材料成形技术是指为了满足高强度材料的应用, 以及实现零件集成化设计需要所采用的技术。目前, 应用较为广泛的有激光拼焊板技术 (TWB) 、热压成形技术 (HPF) 和液压成形技术 (HF) 等。

(3) 先进加工制造技术

指采用新材料生产汽车零部件所需的特殊加工技术, 主要有先进的材料连接技术、零部件表面处理技术等。

2 汽车轻量化的评价指标

目前, 对于整车轻量化技术水平的评价尚没有统一的评价指标。各汽车厂家为了提高自身产品的市场竞争力, 在满足相关法规要求的前提下, 不断地减轻整车质量、降低油耗、改善操纵性能。

在车身设计方面, 已经逐渐开始轻量化指标的探索。车身轻量化技术指标能给予车身开发一个方向性的指导, 在行业尚难以形成一个高度认同的指标。以下是目前应用较为普遍的几种车身轻量化指标。

(1) 车身轻量化系数 (Light Weight Index)

式 (1) 为车身轻量化系数的定义, 图2为轻量化系数中各参数的示意图。

式中, L为轻量化系数;M为白车身骨架质量, kg;CT为静态扭转刚度, Nm/ (°) , 包括挡风玻璃和副车架等;A为车身的投影面积, m2, A=轴距× (前轮距+后轮距) /2。

在2007年的欧洲车身会议上, 多数厂家都采用车身轻量化系数来评价自身产品的轻量化设计水平, 表1为此次会议上提及车型的车身轻量化系数指标。

轻量化系数是多少才是合理的, 目前尚没有定论, 各厂家都在沿着提升车身静态刚度和减轻车身质量的方向努力改善设计。

图3为2003~2009年国内部分车型车身扭转刚度及轻量化系数。由图3可知, 国内自主品牌的轻量化系数普遍都在5以上, 一些老的车型甚至超过10。

(2) 车身最低屈服强度

车身最低屈服强度体现了车身用材中的高强度比例, 车身最低屈服强度是单位质量屈服强度值, 其计算方法见式 (2) 。

式中, n为车身零件的数量;m为零件的质量;Rp0.2为材料的屈服强度。

图4为宝马公司历年车型车身最低平均屈服强度的变化趋势。由图4可知, 随着安全和环保法规要求的提高, 用材强度也在不断提高。

图5为国内部分车型的车身材料平均屈服强度的现状, 并与Fiat New500的用材进行了比较。可知, 国内轿车高强度钢的用量与国外还存在一定的差距。

(3) 制造车间关键指数 (KeyBodyshop Figure)

轻量化技术水平也反映在零部件的设计和制造上, 因此引入了“制造车间关键指数”这个指标。其主要包括焊点数、惰性气体保护电弧焊 (MIG) 和活性气体保护电弧焊 (MAG) 的焊线长度、密封长度和零件数量等。表2为部分车型的制造车间关键指数。

国内车身零件个数大约在400~500件, 而国外一般在300~400件, 部分尺寸较大的车型达到400件以上。若零件数量增加, 则零件间的搭接量增加, 这将导致整个车身的质量增加, 有效控制零件数量是控制车身质量的一个重要途径。

(4) 车身单位体积质量

车身单位体积质量是指在整个白车身的空间中单位体积的材料所含有的质量, 其计算方法见式 (3) 。

式中, m为白车身的质量;L、W和H分别为白车身的长、宽和高。

图6为国内外部分车型的车身质量、车身体积和安全星级。其中Fiat 500获得Euro NCAP五星的安全评定, 在安全性相当的车型中, Fiat 500的车身轻10%左右, 相对于国内2009年CNCAP三星级的A0级车的质量及安全性具有更明显的优势。

3 国内外汽车轻量化技术的应用现状

(1) 轻量化材料的应用

目前, 已得到实际工业化应用的轻量化材料有高强度钢、铝合金、镁合金和塑料 (含非金属基复合材料) 等四大类材料, 基本满足汽车工业对轻量化材料的需求。

a.高强度钢

高强度钢的定义普遍接受的是按照强度级别来划分的, 可分为高强度钢 (HSS, 屈服强度大于210MPa) 和超高强度钢 (UHSS, 屈服强度大于550MPa) 。高强度钢是应用最为成熟、成本较低和减轻质量效果较为明显的轻量化材料之一。高强度钢的应用是汽车轻量化和提高安全性能的重要保障, 高强度钢的应用比例已成为汽车产品的卖点。

目前, 国际主流车型的高强度钢占车身的比例已普遍达到60%以上。另外, 强度级别为780 MPa的高强度钢在车身结构件上应用已相当普遍。图7为2007年欧洲车身会议公布的部分车型车身高强度钢的应用状况。

高强度钢的应用在国内已得到越来越多的重视, 自主品牌轿车的高强度钢板用量与强度级别也在显著提高, 新开发车型车身高强度钢的应用比例已达到近50%左右。

图8为Fiat 500与国内正在研发的某款新车型车身强度的分布情况比较。虽然高强度钢的总体应用比例与国外差别不大, 但是由于超高强度的材料 (如抗拉强度1 000 MPa的冷成形钢板, 以及热成形钢等) 应用比例较少, 车身的总体质量和安全性能与国外还有一定的差距。

b.铝合金

铝合金是应用较早且技术日趋成熟的轻量化材料。当前汽车用铝合金以铸件为主, 约占汽车用铝合金量的80%。铝合金在汽车中的用量已超过铸铁, 成为仅次于钢的第二大汽车材料。图9为铝合金在北美、欧洲和日本汽车中的应用情况。

国内单车的铝合金用量在10%左右, 与国外基本持平, 基本以铸造铝合金为主。由于成本、零部件资源等因素的限制, 变形铝合金 (锻造铝合金和铝合金板材) 的应用受到一定的制约。

c.镁合金

尽管镁合金在当前汽车用材中所占的比例不到1%, 但是在轻量化的驱动下, 镁合金应用技术开发的力度不断加大, 已步入快速发展阶段。北美是镁合金用量最多的地区, 自1990年以来, 其年均增长率达15%。以美国为例, 在一些车型上镁合金用量大约为5.8~26.3 kg/辆。欧洲的镁合金用量仅次于北美, 部分车型上的镁合金用量可达9.3~20.3 kg/辆。

中国是镁的资源大国, 镁的深加工取得了长足的进步。国内镁合金汽车零部件也得到了快速的发展, 同时也推动了国内汽车厂家应用镁合金的热情。转向盘骨架等小型镁合金零部件应用相当普遍;仪表板骨架 (图10a) 等大型压铸零件已批量应用;轿车车轮轮毂 (图10b) 等应用镁合金零部件已开展了试制开发工作。镁合金的总体用量不到整车质量的1%。

d.塑料及其复合材料

近年来, 塑料及其复合材料在汽车中的用量持续增长。图11为美国家庭轿车塑料 (含塑料复合材料) 用量的增长情况, 从1977年到2004年, 单车塑料的用量由76 kg提高到117 kg, 增幅达54%。目前, 北美汽车中塑料的用量为每车118 kg左右, 约占整车质量的10%, 预计2010年将达到136 kg。而欧洲轿车塑料所占比例稍高, 已达整车质量的14.5%。

目前, 国产轿车塑料的单车用量为50~110 kg, 从单车用量、应用品种以及塑料制件的生产技术各方面均已基本达到引进国外同类产品的技术水平。

(2) 先进的材料制造技术

轻量化材料成形技术是指为了满足高强度材料的应用及实现零件集成化设计需要所采用的技术。目前, 应用较为广泛的有激光拼焊板技术 (TWB) 、可变截面厚度的钢板 (TRB) 、热压成形技术 (HPF) 、液压成形技术 (HF) 和气体辅助成型等。

a.激光拼焊 (Tailor Welded Blank)

与传统点焊工艺的产品相比, 激光拼焊板最为显著的优点是减少了零件数量和材料消耗, 减轻了整车质量, 简化了装配工艺, 因而得到了越来越广泛的应用。

1985年德国蒂森钢铁公司与德国大众汽车公司合作, 在Audi100车身上成功采用了全球第一块激光拼焊板。20世纪90年代欧洲、北美、日本各大汽车生产厂开始在车身制造中大规模使用激光拼焊板技术, 近年来该项技术在车身设计和制造上获得了日益广泛的应用。

目前, 由拼焊板生产的汽车零部件主要有前/后车门内板、前/后纵梁、侧围、车门内板、车身B柱、轮罩等。世界知名汽车制造商, 如奔驰、宝马、通用等相继在车身中采用了激光拼焊板技术。应用激光拼焊的国内汽车厂家有奇瑞汽车、长安福特、上海大众等。

b.液压成形技术 (Hydro-forming)

液压成形包括管材和板材液压成形, 见图12。

管材液压成形在汽车上应用比较广泛。管材液压成形的成形过程就是通过加压装置对封闭在模腔内部充满液体的管件施加一定的压力, 使液体具有极高的内压力并流动, 迫使管壁向内腔形状的空间变形而成形。

使用液压成形方式制造的零件, 由于成形后零件回弹少、精度高, 可以节省后续所需的加工以及组装费用, 从而达到减轻质量、降低成本的目的。

国外各大汽车公司液压成形工艺已得到应用。国内采用的液压成形零件主要有前副车架、后悬架、仪表板支架、后拉延臂等零件, 由于国内配套供应体系还不够完善, 目前自主品牌产品刚开始开发。

c.热压成形 (Hot Press Forming, HPF)

将钢板 (热压成形用钢) 加热到奥氏体温度区间 (约900℃) 进行热冲压, 同时在冲模内对冲压件快速冷却 (淬火) , 可制造抗拉强度达到1 400 MPa以上的部件。图13为热压成形工艺流程。

热压成形工艺在欧系、美系车上普遍使用, 欧系最广泛。日系车主要应用于车门防撞杆 (管) 上, 不仅在高档车上使用, 而且有在中、低档车上普遍使用的趋势。随着安全法规的日益严格, 以及国外热成形供应商涌入中国市场, 推动了国内热成形技术的发展和应用。国内新开发的轿车中热成形钢都有不同程度的应用, 单车应用热成形零件最多达到十余件, 已基本达到国际先进水平, 但由于热成形零部件应用还存在成本的问题, 因此更多地应用在低端经济型轿车上还存在一定的困难。

(3) 先进的加工制造技术

先进的加工制造技术是指采用新材料生产汽车零部件所需的特殊加工技术, 主要有材料连接技术、表面处理技术等。

a.材料连接技术

材料连接技术也是轻量化材料发展的关键技术之一, 其对被连接结构的性能、质量、加工工艺、装配、安全与回收等诸多方面有很多的影响。随着越来越多轻量化材料的应用, 传统的电阻点焊、MIG MAG等连接技术已无法满足需要, 激光焊接、铆接与自冲铆接、粘结等新连接方式不断涌现。

b.表面处理技术

随着轻量化新材料的应用, 一些新的表面处理技术得到不断应用, 如适用于高强度模具制造技术的金属模具表面超硬化处理 (TD) 、气相沉积 (PVD、CVD) 等;如用于镁合金表面处理技术的微弧氧化、金属铝涂层、辉光离子镀、离子注入等。

4 结论与建议

国内轻量化技术的发展与应用还存在诸多不足, 如整车的正向开发设计能力不足;国内模具、检具等工艺器具的制造水平较低;关键零部件和材料还主要依赖进口。这些因素都制约了国内轻量化技术的应用。提高轻量化的应用应从以下几个方面努力。

a.企业应提高自主应用轻量化技术的意识, 将轻量化理念融入产品开发中, 不断提高自身技术水平, 以技术实现成本的有效控制。

b.提升国内零部件企业的技术能力, 包括轻量化零部件的设计开发和制造能力。

c.政府引导和政策支持, 政府应为轻量化技术的研究提供资金支持, 利用财税杠杆来鼓励轻量化技术的应用, 同时应将汽车轻量化技术纳入国家节能减排计划, 从而推动其有效的实施。

7.通用汽车轻量化的秘密武器 篇七

实验证明，在确保性能的基础上，汽车重量每降低1%，油耗可降低0.7%，或者每减少100千克，百公里油耗降低0.3升-0.6升。为此，全球汽车制造大国皆推出了各自的汽车轻量化政策，各大车企巨头也把轻量化研发作为重中之重。而美国通用汽车公司一直致力于汽车轻量化的研发，并取得了相当不错的进展2012年凯迪拉克ATS亮相，此款新车比宝马3系轿车减轻了数百公斤；2016款雪佛兰科鲁兹比2015款减轻113公斤；2016款雪佛兰迈锐宝比2015款车型减重136公斤；2016款雪佛兰科迈罗比2015款车型减重181公斤；2016款别克君越比2015款车型减重136公斤.2017款凯迪拉克XT5作为SRX的替代车型，较前者减重127公斤。而这些成绩的取得与通用汽车沃伦技术中心打造的汽车轻量化秘密武器密不可分。

通用轻量化研发进展显著

坐落于美国密歇根州底特律市郊外的通用汽车沃伦技术中心的“通用设计穹顶”，在汽车业界以其标志性的穹顶造型闻名遐迩。自1956年落成以来，通用汽车沃伦技术中心承担着通用汽车全部的设计研发工作。如今，这里的工程师正在致力于汽车轻量化的研发，并取得了显著的进展。

过去100多年来，低碳钢一直是汽车制造材料的标准选材。事实上，低碳钢由于其价格低廉、易于锻造和塑形，抗磨损等特性，一直是汽车制造的最优之选。不过其缺点也同样突出——易腐蚀和重量大。随着现代工艺技术的发展，喷漆和电镀几乎已弥补了其第一大缺点，但天生重量过大的物理特性却无法改变。

以前，乘用车车重问题并不是汽车制造商的担心所在，制造商更关心的是乘用车的舒适性和动力性，他们可以通过增加动力来对冲车重。但是，随着各国对燃油效率的立法日趋严格以及业界对汽车轻量化带来性能提高的认识逐步深入，轻量化已经成为全球汽车制造商研发的重中之重。而通用汽车在轻量化研发方面已取得了显著进展。

焊接工艺突破熔合难点

通用汽车在轻量化方面的研发采取了多种方式综合的做法，包括采用新型制造材料和新型制造方式。

铝合金是通用汽车轻量化的第一件秘密武器。铝合金一直是制造商用飞机的基础材料，近年来引入到汽车制造业，成为汽车制造商的轻量化首选材料。铝合金的特点是重量轻、易于加工、耐用性强，而且比低碳钢更抗腐蚀。但其缺点是工具加工成本过高，并且很难与其他异种材料装配在一起。这大大增加了整车制造成本。

通用的做法是使用铝板制作车身外板、挤制铝制作汽车框架，复杂的铝铸件制作零部件，这大大降低了车重、增强了硬度，提升了汽车的碰撞性能。在雪佛兰克尔维特C7和雪佛兰Malibu两款车的制造材料中都大量使用铝。新款凯迪拉克CT6也使用大量的轻量化铝合金代替低碳钢，使得这款全尺寸车型的整体重量比中大型车型宝马5系轿车的重量还要轻。

有些情况下，单独使用铝并非最好的材料，高强度钢与铝合金一起能更好增加强度、抗腐蚀性和吸波性能。但这两种材料金属属性不同，这就要求通用汽车工程师们研发出新型工艺来结合这两种材料。

解决方案之一就是高级点焊技术。通用工程研发团队开发的这项特殊工艺能令不同熔点的金属材料焊接在一起。这样，通用就可以制造出拥有轻量化铝合金车身（如引擎盖或后备箱盖）和坚固钢框架的汽车，这既增强了汽车的坚固性同时又减轻了整体车重。据悉，通用有望将这一技术授权给其他汽车制造商使用。

汽车零部件通常需要更好的接合紧固性。当熔合同种材质的金属时，这并非难事。但当熔合铝和钢时，就变得十分困难。铝的熔点为648摄氏度，而钢的熔点为1426摄氏度。通用研发团队研发出的特别工艺能够使不同属性的金属材料焊接在一起而不破坏其原有属性，采用这种工艺，通用汽车制造部门能将铝和铝、钢和铝以及钢和钢焊接在一起，并极大地提高了装配速度。而且采用这种不同材料的焊接工艺后，通用汽车不再需要使用质量重、价格高的铆钉，每生产一辆整车就节省上游铆钉成本100美元。

新型制造材料降低车重

铝和高强度钢并非通用汽车使用的唯一金属，这家车企巨头正在研发将金属镁用于汽车制造。镁是最轻的金属，比铝还要轻33%，但其强度和抗腐蚀性都远远优于铝。镁易于铸造和机器加工，其更低的工作温度延长了以镁制造的零部件的使用寿命。但镁与大多数其他金属相比，熔点更低，而且其强度不够，特别是与钢相比，这些致命缺陷限制了其应用。不过，作为大型铸件和某些特别零部件，镁的优点可以得到充分发挥。通用汽车目前正在试验将镁板用于制造车门和后备箱，希望能使整车重量减轻1千克。

据美国汽车材料联盟预计，到2020年，每辆汽车材料中将会应用158.8千克的镁来替代226.8千克钢材和59千克铝，使得车辆整体重量减轻15%。这样的车身轻量化措施可实现节省燃油达9%到12%。

通用汽车公司全球车身工程部执行总监格雷格·沃顿表示：“就改善燃油经济性而言，每一克的重量减轻都至关重要。能够利用最轻质的金属之一来替代较重的金属有助于我们为全世界的消费者提供更好的车辆燃油经济性，同时提供消费者所期待的安全性与耐用性。”说道。

碳纤维是汽车轻量化制造材料中最具使用前景的一种材料。碳纤维的强度是钢的5倍，硬度是钢的2倍，而其重量又非常之轻，非金属特性令其极易塑形。而且碳纤维极其强硬，耐腐蚀性极高，但与大多数金属相比，其耐热性较差。

赛车和飞机制造过去几十年一直使用碳纤维，但其高昂的成本被认为不适合用于大规模生产的汽车制造。但通用正在进行的碳纤维车轮项目研发将改变这一现状。据悉，该项目有望降低车重近18千克，而车轮重量一直被认为是“旋转的非簧载质量”，这意味着每减轻0.02千克，将极大提高汽车的能效和驾驶动力。

8.高强板在汽车轻量化上的应用 篇八

【摘 要】目前，汽车行业的发展非常迅速，尤其是轿车，中国已经发展成为继美国、日本之后的世界第三大汽车生产以及消费国。汽车在给人们的出行带来便利的同时也对环境和交通带来了不利影响。因此，需要大力研发“环境友好型汽车”，而加强汽车轻量化的应用则能有效地解决这些问题。本文将主要围绕高强板在汽车轻量化上的应用展开论述。

【关键词】高强板；汽车；轻量化；应用

1.关于汽车轻量化的思考

据测算，2016年世界汽车年产量增加到1亿1千5百万台。而增加部分的一半多将来自中国。中国生产的汽车的节能减排水平将对世界汽车排放总量产生重大影响。中国汽车轻量化技术与世界水平的比较：乘用车重5-10%；商用车重17%左右。在影响车身重量主要因素重，汽车材料占70%的比重，而高强钢板在相同力学性能条件下的板厚是传统钢板的65%，这样就能在不增加成本，甚至降低成本的前提下，使用高强钢板来减轻车身重量。以下我们就对此做简要的阐述。

2.汽车用高强钢板的分类

2.1双相钢

DP钢板已经有30年商业化开发历史，具体包括热轧、冷轧、电镀以及热镀锌产品。DP钢板的组织是铁素体与马氏体，马氏体在5%-20%范围内，随着马氏体含量的不断增加，强度线性也随之增加，强度的范围为500-1200 MPa。双相钢不仅具有AHSS钢的共性特点，同时还具有低屈强比、高加工硬化指数、高烘烤硬化性能、没有屈服延伸以及室温时效等优点。DP钢一般应用在需高强度、高抗碰撞吸收能并且成型要求也非常严格的汽车零件，比如，车轮、保险杠、悬挂系统以及加强件等零件。随着钢种性能以及成型技术的不断发展与进步，DP钢被广泛地应用在汽车的内外板等零件上。DP钢用途的扩大促使生产产量的不断增加，根据有关的数据资料统计显示，2000年汽车使用DP钢订单比1996年的订单量增加了20倍，并且有进一步提升的趋势。DP钢的成分包括C和Mn等物质，可以根据生产工艺的不同适当地增加Cr和Mo等元素，将C曲线向右移动，从而有效地避免冷却时析出珠光体以及贝氏体等组织。目前双相钢的发展包括：开发应用在汽车外板的低级别双相钢系列，双相钢的抗拉强度为450～600MPa；根据零件的具体要求，开发具有个性化的钢种，比如，高可焊性DP钢、高扩孔型DP钢以及高屈强比型的DP钢等钢种；开发800-1000MPa超高强度级别的热镀锌DP；目前研究的重点是热镀锌的可镀性；研究采用CSP等新的工艺生产双相钢。

2.2 TWIP钢

目前，国内外研究的重点是TwIP钢的高强度和高塑性钢。TwIP钢的主要成分一般是Fe，需要添加质量分数为159/6-309/6的Mn元素，并且需要加入一定量的Al元素和Si元素，有时也需要添加少量的Ni、V、Mo、Cu、Ti以及Nb等元素。TwIP钢的强度能够达到1000 MPa以上，伸长率也可以达到60-95。在使用TWIP钢时，无外载荷，冷却到常温下的组织是稳定的残余奥氏体，但是增加了一定的外部载荷之后，由于受到应变的影响产生了机械孪晶，也会产生大的无颈缩延伸，表现出了非常高的力学性能，并且具备较高的应变硬化率、塑性以及强度。由于添加了大量的Al元素，钢的密度逐渐降低。国外的研究从第一代的Fe-25Mn-3Ab3Si-0.03C系再到第二代的Fe-23Mn-0.6C系直到现阶段的Fe-26Mn-11A1-1.1C以及Fe-6A1-0.05Ti-0.05Nb-0.002B系。目前，研究的不仅是TWIP钢的成分体系，同时需要研究TWIP钢的生产工艺以及使用技术。TwIP钢的研究在欧洲以及韩国比较热，而日本和美国则不看好TWIP钢未来的发展前景，而宝钢的高强度汽车板已经发展成系列化，宝钢600MPa以下级别的高强度钢板已经非常齐全。

2.3超高强度钢板的热成型

某些钢板常温下的强度不很高，抗拉强度仅有500～700MPa， 塑性、可成形性等性能也很好，而通过热成形工艺的加热、成形、冷却后，成形件被淬火，微观组织转变成马氏体，强度、硬度等指标大幅度提高，屈服强度可以达到1000MPa以上，抗拉强度达到1500MPa，硬度可以达到50HRC。塑性指标明显下降，比如成形前这种高强度硼合金钢板的伸长率一般在24%以上，而成形后零件的伸长率只有8%左右。

2.4相變诱发塑性（TRIP）钢

近几年，开始开发TRIP钢这种商业化的钢种，TRIP钢具备高度的强塑积，其主要应用与要求具备高碰撞吸收性能的零件，比如纵梁等。TRIP钢具有高伸长率的特征，其本质是应对诱发残余奥氏体逐渐转变为马氏体，同时引起了体积膨胀，随着局部的加工硬化指数的不断增加，引发变形，并且很难集中在局部的区域，因此，出现了均匀而分散的变形，最终达到了强度与塑性高度统一的目的，妥善地解决了强度与塑性之间的矛盾。在生产TRIP钢时，应该在贝氏体区域等温保持一段时间而形成贝氏体以及富C的奥氏体，其成分主要包括C、Si以及 Mn等物质，Si物质的主要作用是有效地抑制贝氏体转变时析出渗碳体。随着钢板强度的不断增加，需要添加一些微合金元素，比如Nb元素，Nb元素在细化铁素体晶粒的同时也没有对残余奥氏体的稳定性产生任何影响。残余的奥氏体的量在达到一定值之后才能起到诱发塑性的效果，残余的奥氏体的转变不仅与应变量有着密切的关系，同时也与温度有着联系。当残余的奥氏体的体积分数为2.3%时，随着温度的不断变化，钢板伸长率的变化较小，当残余的奥氏体的体积分数增高到6.5以及8.5 时，在-10℃-60℃的范围内，伸长率变化比较明显。随着应变的增加以及温度的降低，残余的奥氏体的转变量也在逐渐增加。

3.小结

综上所述，汽车轻量化项目的相关研究结果显示，钢铁行业通过技术的创新，尤其是先进的高强度刚被你以及新加工技术的广泛应用，为汽车行业的生产安全、轻量、廉价以及环境友好的汽车创造出了合格的材料，并且需要择优选择材料。 [科]

【参考文献】

[1]邵广杰.汽车轻量化用金属材料及其发展动态[J].上海金属，2012.11（22）：112-113.

[2]王丽，杨雄飞.汽车轻量化用高强度钢板的发展[J].钢铁，2012.12（11）：190-191.

9.探讨汽车的轻量化技术运用方法 篇九

1轻量化技术运用中优化设计的作用

1.1结构的设计

对于汽车优化设计,其主要针对的是车身以及关键零部件。进行优化设计的时候,需要考虑的有:(1)对车身空间结构进行优化,达到不同工作载荷的要求;(2)减小或者是减少车身不必要的尺寸、各种零件的数量以及零部件厚度;(3)不断优化零部件外形,尽量减少多余的结构或者是增强重要构件数量。

1.2材料的确定

优化设计主要是通过科学设计汽车产品,在与汽车使用性以及经济性具体要求相符的条件下,采取相应的轻量化材料,这时候设计者经验以及CAE技术就显得特别重要。其中设计者的经验能够通过不断积累获得转化,属于轻量化数据库里面的专家系统[1]。此外,依据设计的静动力学相关分析,整车性能的深入研究以及主要件生产工艺具体模拟过程可知,CAE技术能够为材料的选择进行合理预判。

1.3预置工艺

由于汽车结构十分复杂,其工艺实现会严重影响到整车轻量化效果。随着汽车业的不断发展,各种复合材料、高强钢以及铝镁合金不断出现,同时也对应用工艺方面的要求更加高[2]。其中主要有:一些部件,比如轿车副车架,本身形状十分复杂同时生产难度较高,液压成形可以提供一个有效解决途径;界别比较高的高强钢,其对成形性方面的要求比较高,热成形技术就可以有效解决该问题。利用CAE技术能够对这些工艺所具有的可行性以及路径进行有效的分析。

1.4试验仿真

所有车辆的好坏,均需要试验的验证。汽车轻量化整个发展历程中,国外一些汽车检测法规开始用CAE分析法取代某些试验测试,并且其结果获得了各界确认,最终变为了一项标准要求。其中对汽车轻量化造成严重影响的相关试验主要是:保险杠碰撞试验、自车身弯扭试验以及自车身NVH试验等,这些试验均能够利用CAE技术取得比较理想的仿真效果。

2轻量化技术运用中各种新材料以及新工艺的作用

2.1新材料的运用

(1)高强钢属于轻量化的主要材料,大量使用这种高强钢不仅可以使整车轻量化,同时还可以确保汽车自身安全性以及可靠性,所以,高强钢实际使用面比较广,同时量也非常大。

(2)铝合金属于轻质材料,本身抗腐蚀性非常好,具有广阔应用前景。最近几年,汽车制造过程中铝材用量越来越大,其中主要包含有锻铝或者是铸铝、板材以及挤压材,一般使用于车轮、车身结构、外覆盖件以及空间框架等位置。

(3)镁合金是一种比铝质量更轻的材料,具体体积质量只有1.8千克/立方米,获得的轻量化效果非常显著。这种材料最开始是在方向盘骨架、壳体类以及气缸盖罩盖等部位使用,当前已经逐渐应用于支架类零件、座椅骨架以及仪表盘骨架部位。

(4)塑料和各种纤维复合材料也开始广泛应用于汽车工业领域,其中汽车上所采用的塑料件已经有数百个[3]。对于重型卡车,其所使用的塑料以及复合材料量高达150千克,主要包括普通的塑料以及强度比较高的复合材料。

(5)二十世纪六十年代发展起来的新材料主要包括金属基复合材料,并且在八十年代之后得到了迅猛的发展。对于汽车工业生产而言,其所采取的MMC大部分为纤维增强或者是颗料增强的相应铝基复合材料。这种材料在刹车系统零部件以及发动机中得到了广泛的应用。其中发动机零件包括气门挺柱、缸套、活塞、摇臂、连杆以及活塞销,而汽车刹车系统主要在刹车盘以及刹车毂中得到应用。

2.2新工艺的运用

2.2.1热成形技术的具体应用

为了同时实现轻量化以及增强汽车性能的目的,就应该选择强度较高的相应轻量化材料。现阶段,目前,如果乘用车的车型已经达到Uncap碰撞4星或者是5星级水平,那么其主要安全件里面(A柱,B柱,C柱以及保险杠防撞梁和防冲柱等)一般采用的是抗拉强度达到1 500 MPa并且屈服强度达到1200 MPa相应马氏体钢,这样高的强度之所以可以实现,主要是因为热成形钢材以及相关工艺技术的迅猛发展。材料自身屈服强度以及延伸率会对其加工成形性产生直接的影响,同时材料的断裂应变与其屈服强度以及材料的温度存在紧密的联系[4]。当温度为900℃的时候,热成形钢具体屈服强度将会减小到150MPa,并且断裂应变超过50%,这时候热成形钢自身成形性以及可加工性均非常好,当热成形过程结束后,开展冷却淬火工作,使其达到高强度,同时固定了处于热成形状态下的相应形状。

2.2.2液压成形技术的具体应用

所谓液压(也就是内高压)成形,主要是指选择液态物质当做施力介质,通过施力介质处理坯料,使其贴合凸模或者是凹模面成形。其中液压成形可以分为两种,分别是板材液压成形以及管材液压成形。进行汽车工业生产的时候,一般选择管材内高压成形方法。对于管材液压成形方法而言,其所具有的优点主要有:(1)可以节约材料用量;(2)降低后续工作量;(3)因为焊接减少,所以能够增强构件强度以及刚度;(4)和冲焊件进行比较,其材料利用率处于95%~98%范围内;(5)减少生产成本以及模具费用支出。

2.2.3激光拼焊板技术的有效应用

因为激光焊接技术具有一定特殊性,并且焊接速度非常快,具体热影响区比较小,所以,激光拼焊板材具有比较理想的成形性。这种拼焊板技术可以把各种表面处理状态、不同厚度以及不同强度的相应板材利用激光拼焊集成为整体板坯进行冲制,通过这种方式能够选择减少模具数量以及后续生产工序环节,达到减小生产成本的目的,同时确保零部件质量,改善零件结构,将各种强度以及各种厚度板材所具有的特性充分发挥出来了。

2.2.4金属半固态成形技术的有效应用

这种技术所具有的特点主要为:节能环保、高效并且高性能以及低成本。通过多年的有效发展,这种技术的应用越来越成熟。二十世纪九十年代,西方国家已经发展至产业化应用这一阶段,同时促进了铝合金材料在汽车结构零件制作中的广泛应用[5]。现阶段,瑞士Alusuiss、德国EFU以及法国Pechiney公司等都具备较大规模的产业,同时在汽车零部件生产中得到了大量的使用。单件尺寸以及质量也越来越大。

3轻量化技术运用中LCA的作用

所谓LCA,主要指客观评价产品生产工艺和生产活动环境负荷,其利用辨识并且量化能量、具体物质消耗和因为生产而产生的废弃物排放量的方式来评估能力以及物质利用给周围环境造成的影响,从而获得改善产品或者是生产工艺的途径,属于有效工艺评价方法。对于轻量化而言,不仅应该减轻汽车质量,同时还应该符合汽车LCA,这是因为LCA主要追求的是产品整个生命周期不对周围环境产生大的影响,能够尽量提高可耗竭资源实际使用效率,降低材料以及能量的消耗量,对各种可再生能源进行充分的利用,达到保护环境的目的。

4轻量化技术未来应用前景

未来轻量化技术的进一步发展将一直围绕材料的使用进行,全球各国为此均已经采取了多种措施:其中美国PNGV计划认为材料的选用主要是塑料复合材料、高强钢以及铝/镁合金,通过这些材料达到汽车轻量化的目标,同时强调了广泛运用轻质材料所具有的重要性;落实ULSAB-AVC计划的时候,把轻量化目标范围延伸至发动机支架、汽车超轻钢悬架系统和别的结构件,生产出的车身燃油效率得到了显著改善,同时材料十分容易回收,能够减少成本投入。

中汽协发表了《汽车轻量化意义》,内容主要面向未来,并且要求分析并且优化汽车总体结构的时候,应该在以下方面实现轻量化:附件轻量化、零部件的精简化以及整体化、车身轻量化、发动机轻量化、变速器轻量化、悬架轻量化与车身轻量化。现阶段,国内厂家正在研究客车、普通轿车以及商用车所使用的轻量化材料具体应用技术以及使用性能,发现高强钢以及铝材料的使用结果非常值得期待[6]。

5结语

汽车生产过程中,各种轻量化材料已经得到了普遍应用,未来汽车工业主要发展方向就是汽车轻量化。现阶段,经常使用的轻量化技术为:优化设计技术、材料技术、LCA生产技术。对象研究表明,以后汽车工业生产相应实现全方位轻量化目标,就应该将发展重点放在材料轻量化方面,对促进汽车工业进一步发展非常有利。

参考文献

[1]范子杰,桂良进,苏瑞意等.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报,2014,5(1):1-16.

[2]胡明宝.汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径[J].消费导刊,2015,12(12):361-361.

[3]范军锋,冯奇,凌天钧等.汽车轻量化与制造工艺[J].机械设计与制造,2009,38(7):141-143.

[4]曹学涛,崔建磊.轻量化技术在汽车工程中的应用[J].山东工业技术,2016,95(6):87-87.

[5]向晓峰,魏丽霞,马呜图等.汽车轻量化技术的应用[J].汽车工程师,2012,16(5):57-59.

10.汽车轻量化技术发展现状初探 篇十

车身设计的七大要素分别是安全、耐久、NVH、功能、工艺、成本及质量。车身设计质量高低的评价标准取决于这七大要素之间的平衡程度, 即用最低的成本、减轻质量及工艺投入换来最优的安全性、NVH表现、耐久性并实现相应的车身功能。可见, 车身轻量化设计并不是单纯的车身减重, 而是与车身性能设计紧密联系的系统的平衡设计。

2 车身轻量化的3种实施方法

车身轻量化设计需要综合考虑安全、耐久、NVH等性能与车身减重之间的平衡, 通过结构设计、材料选择及优化制造工艺来实施。

2.1 结构设计

(1) 零件的结构优化

零件的结构优化可以通过降低钢板厚度, 同时在关键部位增加加强筋或适当增加材料强度来保证零件的强度、刚度性能。同时, 也可以在非关键区域增加减重孔、切除多余翻边等。

(2) 零件的断面优化

零件的断面优化主要是考虑断面惯性矩和断面面积之间的平衡, 通过不断的优化分析来实现用最小的断面面积达到最大的惯性矩这一目标, 从而提高车身结构刚度性能, 减轻车身质量。

(3) 钢板厚度对性能提升的敏感度分析

钢板厚度对性能提升的敏感度分析是通过将车身各个零件的钢材厚度作为变量来建立数学模型, 以保证模态、刚度、耐撞性等工况的性能要求为前提, 采用拓扑运算的方法, 分析所有变量对这些工况综合性能的敏感程度, 提高部分敏感零件的钢板厚度, 降低其他不敏感零件的钢材厚度, 最终实现降低车身总质量。

2.2 材料选择

(1) 提高高强度钢板的使用比例

提高高强度钢板的使用比例不仅可大幅度减轻车身质量, 同时也有利于提高车身碰撞和耐久性性能。目前, 国际上的一些新车型, 其屈服强度在550 MPa以上的高强度钢板占30%, 并在碰撞关键路径, 如A柱、B柱和门槛等区域采用热成形工艺, 将零件的屈服强度提高到1 000 MPa以上, 见图1。

(2) 轻质材料替代传统的钢材

轻质材料主要包括工程塑料、玻璃纤维复合材料 (见图2) 、铝合金、镁合金等 (见图3) 。其应用区域主要集中在外覆盖件及部分非碰撞的骨架和面板零件。由于这些轻质材料的成本相比传统的钢材会高出1倍甚至数倍, 因此目前多用于高端产品。

(3) 制造工艺优化

传统的车身制造多采用冲压工艺, 其零件较多且焊接关系复杂。而一些国际上的高端车型已逐步采用型钢件和铸造件来替代冲压件 (见图4) , 配合轻质金属合金材料的应用, 既保持了车身的轻量化, 又能得到较好的安全和耐久性, 以实现必要的安装功能。当然, 这些工艺在普通车型上的应用目前仍很有限, 主要受制造设备投入和成本上的限制。

3“荣威”某车型的车身轻量化解决方案

车身结构设计优化和高强度钢板的合理应用, 使得“荣威”某车型同时实现了受控的车身成本、更轻的车身质量及更高的车身性能。这三者的良好平衡是该车型车身设计上的最大亮点。

3.1 高强度钢板的合理应用及成本控制

从图5可以看到, 在该“荣威”车型的白车身上, 超高强度钢板的应用比例为24%, 应用区域主要集中在性能敏感区域, 如A柱、B柱、门槛和车门防撞杆上。这一比例明显高于之前上市的几款“荣威”产品, 它们应用超高强度钢板的比例为5%~15%, 低于目前国际上的一些新车型的水平。

从目标市场定位所对应的成本控制角度考虑, 目前该“荣威”车型暂时并未采用热成形、铝镁合金等更高成本的轻量化技术。计划在下一代产品上逐步推进这些新技术的应用以实现更好的轻量化水平和更高的性能。

3.2 更轻的车身质量和更优的车身轻量化系数

从表1可见“荣威”某车型与同级别的4款车型 (以竞争车型A、B、C、D代称) 的性能参数对比, 该车型的白车身质量是最轻的, 轻量化系数也在平均水平以上。车身轻量化系数的计算方法如下。

式中, L为轻量化系数, 越小越好;mBIW为白车身 (无门盖、无前后风挡玻璃) 质量;CT为车身扭转刚度;A为四轮间的正投影面积 (即前、后轮平均轮距乘以轴距) 。

3.3 更大的内部空间和更高的车身性能

(1) 同级别车型中最大的轴距及内部空间尺寸

从图6和表2可以看到, 该“荣威”车型在轴距上优于竞争车型B, 与竞争车型A相当;在后排空间尺寸上则同时优于竞争车型A、B。具有同级别车型中最大的轴距及内部空间尺寸。

(2) 更高的车身性能

该车型开发之初制定了必须达到中国C-NCAP5星和2010年E-NCAP 4星的碰撞性能目标, 并对这一目标进行了细化, 见图7。针对50 km/h的正面碰撞、56 km/h和64 km/h的正面偏置碰撞、50 km/h的侧碰、30 km/h的侧面柱碰, 以及2010年E-NCAP的行人保护标准进行了多轮次的CAE分析与物理试验。最终, 该车型在C-NCAP的官方测试中得到了5星的好成绩。

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为了应对2012年将要实施的新的E-NCAP行人保护标准, 详细的性能提升方案也在验证过程中。如图8所示, 通过针对发动机罩盖、水箱横梁、前围上板等结构的一系列设计更改, CAE分析显示已达到了2012年E-NCAP 5星的行人保护标准。

此外, 该车型的车身结构在刚度和模态方面也非常不错。如图9所示, 车身扭转刚度达到了18 598 N·m/ (°) ;车身弯曲刚度达到了12 898 N/mm;车身一阶扭转模态达到了43.36 Hz, 一阶弯曲模态达到了50.72 Hz。

3.4 下一代车型的性能提升目标

如表3所示, “荣威”该车型的下一代产品计划进一步提升车身轻量化水平, 其中碰撞等级从目前的C-NCAP 5星和2010年E-NCAP 4星水平提高到2012年的E-NCAP5星水平。下一代“荣威”车型的性能提升及轻量化控制方案见图10。车身扭转刚度从18 598 N·m/ (°) 提升到20 000 N·m/ (°) , 一阶扭转模态从目前的43.36 Hz提升到45 Hz, 两厢车版本也需控制在43 Hz以上。但这一系列的性能提升可能会使车身质量增加8 kg左右。为了实现更优的车身轻量化水平, 拟通过采用铝合金发动机罩盖内外板、热成形B柱、车身结构优化等手段, 目标为减轻车身质量14kg。这样, 下一代产品的车身质量就能从目前的276kg减轻到270 kg, 相应地车身轻量化系数也会从目前的3.64提升到3.30。

摘要：以“荣威”某车型的车身轻量化开发为例, 介绍了该车型的高强度钢板应用, 车身质量、轻量化系数、内部空间尺寸与同级别车型的对比, 车身安全性、结构刚度和模态性能水平, 以及该车型下一代产品的性能提升方案。

11.汽车轻量化技术发展现状初探 篇十一

一、征文范围

汽车及相关行业企业、高校、科研机构轻量化研究成果, 主要包括以下方面:

1、汽车整车及零部件轻量化设计;

2、汽车用轻质材料 (高强度钢、铝合金、镁合金、塑料等) 的研究和应用;

3、先进成形及制造技术在汽车中的应用;

4、汽车轻量化相关的测试、试验研究;

5、其它与汽车轻量化相关的研究。

二、征文报送与录取

(一) 论文要求

论文应符合主题, 具有创新性、实用性或参考价值, 内容充实, 学风严谨, 未曾公开发表, 每篇论文不超过5页。非个人成果或涉及科研机密成果发表, 作者文责自负。

论文应在5000字 (包括文、表、图) 以内, 并按通栏的格式编排, 插图要清晰美观, 外文字母大小写、上下角标及各种符号必须书写正确。论文应包括中英文题名、作者姓名、作者单位、中英文摘要和关键词、中图法分类号、正文、参考文献。论文格式及排版要求见附件。

(二) 征文报送

征文截止日期为2012年7月15日, 通过电子邮件wlg@sae-china.org报送 (请在论文上注明详细的联系方式:单位、职务、姓名、电话、邮箱、地址等) 。

(三) 评审及录取

1、研讨会组委会将组织专家成立评审组, 对征集的论文进行严格评审, 录取结果将通过电子邮件发给第一作者;

2、录取论文将进入大会论文集, 优秀论文将在

《汽车工艺与材料》杂志刊登发表 (国家中文核心期刊 (1996) , 国内统一刊号CN 22-1187/U, 国际标准刊号ISSN 1003-8817, 并被万方数据、中文期刊全文数据库、中文科技期刊数据库收录) ;

3、优秀论文作者 (每篇1名) 将被邀请参加

“2012中国汽车轻量化技术研讨会”, 参会费用优惠 (详见后续会议通知) ;其中部分作者将有机会在会议上宣读论文。

4、所有录取论文第1作者可得到1本大会论文集。

三、进度安排

2012年7月15日前:征集论文截止

2012年8月15日前:发布录取结果

2012年9月中下旬:研讨会召开

研讨会筹备进展等信息将于2012年8月中旬发布在中国汽车工程学会网站上, 请注意关注。

四、联系方式

联系人:王利刚电话:010-63345599-847

邮箱:wlg@sae-china.org

地址:北京市宣武区莲花池东路102号天莲大厦十层中国汽车工程学会1001室