轿车的轻量化技术研究

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摘要：本论文通过结构轻量化和新材料的使用等两方面，阐述了轻量化技术在轿车设计中的应用。轿车整车轻量化，可以节省燃油、提高经济性，减少二氧化碳及有害排放物的排放，减少环境污染。簧下质量的轻量化可以提高整车的操纵稳定性，提高车辆的行驶安全特性。在结构轻量化方面，主要是通过CAE分析的手段，优化车身的断面尺寸以及底盘材料的结构形状，确保各零件在满足耐久强度、冲击轻度、碰撞安全等各种性能的要求下，结构最合理、重量最轻。

关键字：轻量化、结构优化、高强度钢板、CAE、新材料

中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1009-914x（2013）38-01-01

前言

随着时代的进步，环境污染和全球气候变暖等环境问题已经受到了全人类的广泛关注。并且随着新兴工业化国家的发展，有越来越严重的趋势。汽车作为交通工具，为人类的生产生活提供了便利条件，但是其对能源的消耗与燃料燃烧产生的废气正严重污染着人类生存的环境。所以在汽车设计及应用领域，各汽车生产及开发企业也在竭力研发新材料、应用新技术手段。绿色环保已经和汽车的安全性、舒适性等提到同等重要的程度。

1、轻量化的手段：

在汽车设计及开发领域，能够使用的轻量化手段主要有以下几个方面：

一是新材料及工艺的应用，如以铸铝材料代替铸铁材料，多应用于发动机和底盘零部件；以树脂材料代替钣金材料，车身的外覆盖件；以高性能材料代替低性能材料，多应用于车身结构的钣金件。

二是结构优化，应用专用的结构分析软件，如Nastran、Abaqus、Ls-dyna、Hyperworks等对零部件及车身等复杂结构进行有限元分析，做到满足强度、刚度、碰撞安全性等性能要求的前提下，重量最轻、结构最合理。

2、新材料的应用：

2.1、树脂材料在整车开发中的应用：

车用树脂材料，随着技术的进步，应用范围更加广泛。2001年的统计结果表明，树脂材料的应用占整车重量的8.2%，尽管后来没有统计数据，初步推算，应该为10%以上。

树脂材料为统称，在乘用车中应用最多的为PP复合材料和玻璃纤维强化后的PA材料。PP复合材料主要用来代替钣金结构。

在要求刚度特性的情况下，相同重量的PP复合材料和钢板相比，刚性要高1.7倍左右。所以在相同的刚性特性下，重量可以降低到60%。达到了轻量化的目的。

另外、树脂材料的翼子板，其变形后的复原特性、耐腐蚀性、美观性、成形性等都优于钣金材料制作的翼子板。

PP复合材料代替铝合金材料，典型例子为进气歧管。因为树脂材料流动性好，可以使管壁更薄；内表面光滑，可以减小进气阻力；与铝合金相比，导热性差，可以防止进气温度的上升，提高充气效率。缸盖的气门室罩壳等零件也由铝合金材料更改成PP复合材料。

2.2、铝合金材料在整车开发中的应用

铝合金在整车中的应用主要是发动机及底盘零件、外覆盖件、车身结构件等。铝合金材料在发动机方面的应用非常普遍，这里不再赘述。

铝合金材料在底盘零件方面的应用。

簧下质量的轻量化设计，不仅在燃油消耗率、整车动力性方面有优越的性能，同时能够降低整车的重心高度，提高整车的运动性能和操纵稳定性能。日产汽车的SKYLINE（V36）车型的前后悬零件运用了大量的铝合金材料。

但是，根据使用部位及对承载能力的要求不同，成型工艺也不同，如上图中的悬架的上下摆臂，对静强度及耐久强度的要求非常高，所以通常要使用6000系的高强度合金锻造而成，如6061-T6材料。如下图3为日产SKYLINE车型的福车架，图4为日产SKYLINE车型的前、后悬摆臂。

铝合金材料在车身及外覆盖件方面的应用：

车身的主要功能保证乘员有一个舒适、安全的空间。这就需要车身能够满足如下的几个基本性能：

1） 具有足够的尺寸，并保证一定的刚性，目的是保证舒适性、及NVH特性；

2） 能够保证正常使用时的耐久特性，目的是保证安全，降低维修等使用费用，保证一定的使用寿命；

3） 出现碰撞等事故时对乘员的保护特性，保证乘员的安全。

图5为奥迪TT车型的车身结构，其中铸铝材料的重量比为22%，铝合金框架结构的重量比为31%，铝合金板材的重量比为31%，钢材的重量比为16%。

在车身活动件设计方面，铝合金板材在机舱盖内外板、车门外板、尾门及行李箱盖外板等方面，也得到了极为广泛的应用。主要性能要求为冲压成型特性和抗凹性等。5000系（AL-Mg系）合金和6000系（AL-Mg-Si系）合金都能满足性能要求。主要机械性能见下表。图6为铝合金材料在发动机舱盖上的应用。

2.3、高强度钢板的应用：

根据国家标准的定义，热轧钢板的抗拉强度在490Mpa以上、冷轧钢板的抗拉强度在340Mpa以上的板材，都叫做高强度钢板。如下图中材料的应力应变曲线和SN特性曲线，高强度钢板的静强度及疲劳耐久强度都好于普通的材料，所以在相同的受力条件下，使用高强度钢板的结构重量就会降低。

尤其是为了确保整车在受到强烈冲击后能够保证有足够的乘员空间，要求在尽量小的变形条件下最大限度的吸收能量，车身的前保险杠、纵梁以及B柱等部位应用高强度钢板已经成为必然。

高强度钢板在到2005年，车身结构中高强度钢板的应用比例已经达到50%。下图为日本富士重工的斯巴鲁IMPREZA的高强度钢板分布图。

3、优化设计的应用：

汽车设计过程中，所使用的优化手段以CAE分析为主。整车在设计过程中，要经过多轮的优化分析。与轻量化最密切相关的CAE分析主要有刚度分析、静强度及耐久强度分析、碰撞安全性分析。

以车身为例，刚度分析主要为车身的弯曲刚度及扭转刚度分析，弯曲刚度低，则影响整车的强度和NVH特性，扭转刚度低主要会造成车身的开口变形过大，密封胶撕裂及开口部位耐久强度等特性。下图为弯曲刚度和扭转刚度的实例。

静强度及耐久强度主要是以底盘零件及车身局部优化为主，主要目的是考核整车在路面状况恶劣情况下的冲击强度及疲劳耐久强度，如果底盘件受冲击发生大变形或者断裂，则可能会引起交通事故，造成人员伤亡。如果车身耐久优化不合格，则会出现局部开裂，影响正常使用。下面为底盘件及车身耐久强度优化的实例。

结构优化对整车的碰撞安全特性影响巨大，因其与人的生命安全相关，所以在整车开发过程中，安全性优化总是第一位要考虑的性能指标。除C-NCAP所要求的正面碰撞、偏置碰撞、侧面碰撞等试验内容之外，行人保护、柱碰等性能的优化也越来越多的受到关注。下图为碰撞安全优化分析的实例。

4、结论：

全球气候变暖和环境的恶化，要求各行业都把节能减排提高到非常重要的地位，汽车行业无论是生产还是使用过程中，能源消耗量都非常大，所以轻量化设计、降低能源消耗也成为整车开发的重要目标。轿车开发中的轻量化技术应用，树脂材料、轻质铝合金材料的合理应用，和国外相比，尽管还处于初级阶段，但是，伴随着CAE分析优化技术的发展，也将应用的越来越广泛，成为整车开发企业的技术创新的突破口。

参考文献：

[1] 伊藤清文 熊谷正樹 自動車用アルミニウム合金押出材について 自動車技術20104623

[2] 保谷敬夫 環境にやさしい自動車用樹脂材料の動向 自動車技術20104623