1、汽車輕量化技術的發展現狀及其實施途徑作者：SKP資訊中心整理來源：上海汽車2007年第6期熱度：506 前言 有關研究數據表明，若汽車整車質量降低10%，燃油效率可提高6%8%；若滾動阻力減少10%，燃油效率可提高3%；若車橋、變速器等機構的傳動效率提高10%，燃油效率可提高7%。由此可見，伴隨輕量化而來的突出優點就是油耗顯著降低。汽車車身約占汽車總質量的30%，空載情況下，約70%的油耗用在車身質量上，因此車身的輕量化對減輕汽車自重，提高整車燃料經濟性至關重要。同時，輕量化還將在一定程度上帶來車輛操控穩定性和一定意義上碰撞安 全性的提升。車輛行駛時顛簸會因底盤重量減輕而減輕，整個車

2、身會更加穩定；輕量化材料對沖撞能量的吸收，又可以有效提高碰撞安全性。因此汽車輕量化已成為 汽車產業發展中的一項關鍵性研究課題。 1、輕量化技術及其發展現狀 汽車輕量化的技術內涵是：采用現代設計方法和有效手段對汽車產品進行優化設計，或使用新材料在確保汽車綜合性能指標的前提下，盡可能降低汽車產品自身重量，以達到減重、降耗、環保、安全的綜合指標。 然而，汽車輕量化絕非是簡單地將其小型化。首先應保持汽車原有的性能不受影響，既要有目標地減輕汽車自身的重量，又要保證汽車行駛的安全性、耐撞性、抗振性及舒適性，同時汽車本身的造價不被提高，以免給客戶造成經濟上的壓力。 汽

3、車輕量化技術包括汽車結構的合理設計和輕量化材料的使用兩大方面。一方面汽車輕量化與材料密切相關；另一方面，優化汽車結構設計也是實現汽車輕量化的有效途徑。 與汽車自身質量下降相對應，汽車輕量化技術不斷發展，主要表現在： (1)輕質材料的使用量不斷攀升，鋁合金、鎂合金、鈦合金、高強度鋼、塑料、粉末冶金、生態復合材料及陶瓷等的應用越來越多； (2)結構優化和零部件的模塊化設計水平不斷提高，如采用前輪驅動、高剛性結構和超輕懸架結構等來達到輕量化的目的，計算機輔助集成技術和結構分析等技術也有所發展； (3)汽車輕量化促使汽車制造業在成形方法和聯接技術上不斷創新。&#

4、160; 目前，國內汽車輕量化材料正在加速發展，新型智能材料逐漸在汽車制造中得到應用。車用高性能鋼板、鎂合金已在汽車上有所應用。如上海大眾桑塔納轎車變速 器殼體采用鎂合金。隨著鎂合金材料的技術進步及其抗蠕變性能的進一步改善，自動變速器殼體以及發動機曲軸箱亦適合改用鎂材料制造。若曲軸箱由鋁改為鎂，則 可減輕30%左右。  傳統的轎車車身結構是鋼車身，現今也越來越多地采用高強度鋼、精練鋼、鋁合金和夾層鋼車身結構，其制造工藝有柔性化板材輥軋、剪拼焊接工藝技術、薄壁制 造技術等。不銹鋼與強度較高的碳鋼相比，表現出不少優點，例如延展性更好、強度更高、更適合形狀復雜的覆蓋件成形。上世紀80年代，

5、重慶汽車研究所就開展了雙相鋼研究；一汽轎車、奇瑞汽車公司也在轎車車身上進行了高強度鋼板的初步應用試驗。  在結構設計方面可以采用前輪驅動、高剛性結構和超輕懸架結構等來達到輕量化目的，國內已從主要依靠經驗設計逐漸發展到應用有限元等現代設計方法進行靜強 度計算和分析階段。目前出現了一批擁有自主知識產權的汽車車身模具開發技術，如湖南大學與上汽通用五菱在薄板沖壓工藝與模具設計理論方面開展了較深入的研 究；北京航空航天大學開發了CAD系統CAXA，并已經開展了客車輕量化技術的研究，利用有限元法和優化設計方法進行結構分析和結構優化設計，以減少車身骨架、發動機和車身蒙皮的重量等。 2、實

6、現汽車輕量化的主要途徑  汽車輕量化在保證汽車整體質量和性能不受影響的前提下，應最大限度地減輕各零部件的質量，努力謀求高輸出功率、低噪聲、低振動和良好的操縱性、高可靠性 等，降低燃油消耗，減少排放污染。通過輕量化技術的內涵可知，汽車的輕量化主要通過合理的結構設計和使用輕質材料的方式來實現。 2.1、合理的結構設計 目前國內外汽車輕量化技術發展迅速，主要的輕量化措施是輕量化的結構設計和分析，設計已經融合到了汽車設計的前期。輕質材料在汽車上的應用，包括鋁、鎂、高強度鋼、復合材料、塑料等，與結構設計以及相應的裝配、制造、防腐、連接等工藝的研究應用融為一體。 在

7、現代汽車工業中，利用CADCAECAM一體化技術起著非常重要的作用，涵蓋了汽車設計和制造的各個環節。運用這些技術可以實現汽車的輕量化設計、制造。輕量化的手段之一就是對汽車總體結構進行分析和優化，實現對汽車零部件的精簡、整體化和輕質化。利用CADCAECAM一 體化技術，可以準確實現車身實體結構設計和布局設計，對各構件的開頭配置、板材厚度的變化進行分析，并可從數據庫中提取由系統直接生成的有關該車的相關數 據進行工程分析和剛度、強度計算。對于采用輕質材料的零部件，還可以進行布局分析和運動干涉分析等，使輕量化材料能夠滿足車身設計的各項要求。此外利用CADCAECAM技術可以用仿真模擬代替實車進行試驗

8、，對輕量化設計的車身進行振動、疲勞和碰撞分析。 通過開發汽車車身、底盤、動力傳動系統等大型零部件整體加工技術和相關的模塊化設計和制造技術，使節能型汽車從制造到使用各個環節都真正實現節能、環保。 通過結合參數反演技術、多目標全局優化等現代車身設計方法，研究汽車輕量化結構優化設計技術，包括多種輕量化材料的匹配、零部件的優化分塊等。從結構上減少零部件數量，確保在汽車整車性能不變的前提下達到減輕自重的目的。 具體結構合理設計有以下3個方面： (1)通過結構優化設計，減小車身骨架及車身鋼板的質量，對車身強度和剛度進行校核，確保汽車在滿足性能的前提下減輕自重。

9、60;(2)通過結構的小型化，促進汽車輕量化，主要通過其主要功能部件在同等使用性能不變的情況下，縮小尺寸。 (3)采取運動結構方式的變化來達到目的。比如采用轎車發動機前置、前輪驅動和超輕懸架結構等，使結構更緊湊，或采取發動機后置、后輪驅動的方式，達到使整車局部變小，實現輕量化的目標。 2.2、使用新型材料 據統計，汽車車身、底盤(含懸架系統)、發動機三大件約占一輛轎車總重量的65%以上。其中車身內外覆蓋件的重量又居首位。因此減少汽車白車身重量對降低發動機的功耗和減少汽車總重量具有雙重的效應。為此，首先應該在白車身制造材料方面尋找突破口。具體可以有如下幾種方案：&#

10、160;(1)使用密度小、強度高的輕質材料，像鋁鎂合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等； (2)使用同密度、同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強度鋼； (3)使用基于新材料加工技術的輕量化結構用材，如連續擠壓變截面型材、金屬基復合材料板、激光焊接板材等。 2.2.1、有色合金材料 鋁具有良好的機械性能，其密度只有鋼鐵的13，機械加工性能比鐵高4.5倍， 耐腐蝕性、導熱性好。其合金還具有高強度、易回收、吸能性好等特點。汽車工業運用最多的是鑄造鋁合金和形變鋁合金。運用形變鋁材制造車身面板的技術已經比 較成熟，包括發動機罩、行李箱罩、車門、翼子板等。保險杠

11、、輪轂和汽車結構零件也廣泛使用鋁合金材料。運用鋁合金也面臨不少問題，比如，鋁合金加工難度比 鋼材高，成型性還需繼續改善；由于鋁導熱性好，導致鋁合金的焊接性能差；不能像鋼板那樣采用磁力搬運等。其中，關鍵是成本問題，目前鋁價還比較高，成本控 制對鋁合金的運用非常重要。 鎂合金具有與鋁合金相似的性能，但是鎂的密度更低，它們的密度之比為1.8：3， 是當前最理想、重量最輕的金屬結構材料，因而成為汽車減輕自重、以提高其節能性和環保性的首選材料。但其鑄造性差，后處理工藝復雜，成本高。我國的鎂資源 非常豐富，儲量占世界首位。但是國內用量很少，尤其汽車行業用量極少，因此前景非常廣闊。而西方工業發達國

12、家對鋁基、鎂基的金屬基復合材料的開發與應用， 已達到了產業化階段，如表1。 2.2.2、高強度鋼 用高強度鋼替代原使用材料，能適當減小零件尺寸。世界上廣泛通過進一步提高合金鋼、彈簧鋼、不銹鋼等鋼種的比強度和比剛度，以及粉末冶金配件具有的多孔密度低、精度高、成本低等特點，來作為汽車輕量化的措施。 采用高強度鋼板在等強度設計條件下可以減少板厚，但是車身零件選定鋼板厚度大都以元件剛度為基準，因此實際板厚減少率不一定能達到鋼板強度的增加率，不可能大幅度地減輕車重。高強度鋼板在汽車上應用的目的主要有3點：增加構件的變形抗力，提高能量吸收能力和擴大彈性應變區。由于運用高強度鋼

13、板的經濟性和相對容易性，因此應大力提倡在汽車上運用高強度鋼板。現在各國都在加速高強度鋼和超高強度鋼在汽車車身、底盤、懸架、轉向等零部件上的運用。 2.2.3、塑料和復合材料 與相同結構性能的鋼材相比，塑料和復合材料一般可減輕部件的重量在35%左右。低密度與超低密度片狀成型復合材料的發展提供了更多的潛力，在重量減輕與強度方面達到甚至超過了鋁材，整體成本通常更低。  塑料是由非金屬為主的有機物組成的，具有密度小、成型性好、耐腐蝕、防振、隔音隔熱等性能，同時又具有金屬鋼板不具備的外觀色澤和觸感。目前，塑料大都 使用在汽車的內外飾件上，如儀表板、車門內板、頂棚、副儀表板、

14、雜物箱蓋、座椅及各類護板、側圍內襯板、車門防撞條、扶手、車窗、散熱器罩、座椅支架等。 而后逐漸向結構件和功能件擴展。例如發電機及其相關系統、冷卻系統等。塑料也在向制作車身覆蓋件方向發展。  復合材料即纖維增強塑料，是一種增強纖維和塑料復合而成的材料。常用的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復合材料。增強用的纖維除玻璃外，還有高級的碳纖維、合 成纖維。復合材料作為汽車材料具有很多優點：密度小、設計靈活美觀、易設計成整體結構、耐腐蝕、隔熱隔電、耐沖擊、抗振等。目前玻璃鋼復合材料的應用非常 廣泛，尤其在歐美車系中。其中尤以SMC和GMT的應用最為廣泛。曼、雷諾、沃爾沃、奔馳、依維柯、達夫等歐洲重型卡

15、車制造商的駕駛室材料中，都大量選用了SMC。在國內，SMC材料在汽車領域也得到了廣泛的應用，尤其是商用汽車領域。中國重汽、陜西重汽、福田歐曼、重慶紅巖等主要重型卡車制造商，其駕駛室的制造都不同程度地采用了SMC材料。 2.2.4、其他輕量化材料 精細陶瓷是繼金屬、塑料之后發展起來的第3大類材料。其發展史只有20年左右，但具有優良的力學性能(高強度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損等)和化學性能(耐熱沖擊、耐氧化、蠕變等)。 作為輕量化材料用于汽車零件，不僅直接起到輕量化的作用，更因其優良的耐熱性、耐腐蝕性和耐磨性，用于汽車發動機燃燒室及熱交換器等零件，使功率提高，油 耗大大下降，從節能角度看則間接地起到輕量化效果。蜂窩夾層材料