轻量化节能技术分析

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摘要：车身轻量化是汽车节能减排的有效手段之一，对汽车轻量化的必要性、实施措施、研究现状等进行了研究，明确了在最初设计状态下，注重优化车身结构、各零部件轻量化设计有利于实现车身轻量化的结论。

关键词：轻量化；新型材料；生产工艺；结构设计

近年来，随着中国工业化的不断推进，节能减排已经渐渐进入人们的视线，各国专家学者纷纷致力于轻量化研究。轻量化是实现节能减排的重要措施之一，研究发现实现轻量化的途径主要有采用新型材料、优化生产工艺和采用新技术进行结构设计。总体来说，这三方面是未来轻量化发展的主流。

1车身轻量化措施

轻量化，是指在保证强度和安全的前提下，尽可能降低车身质量从而提高汽车的动力性和经济性，减少排气污染[1]。20世纪以来，安全、节能、环保法规日趋严格，有研究数字显示，如果汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%[2]。在节能减排日益紧迫的背景下，汽车轻量化已经成为当今世界汽车工业发展的潮流。轻量化技术的应用可以极大地提高汽车企业的竞争力。汽车轻量化的益处如图1所示[3]。图1汽车轻量化的必要性目前，实现车身轻量化主要有3个措施，即优化汽车框架结构和形状尺寸，在车身制造上采用轻质材料以及先进制造工艺[4]。第一种措施主要是利用有限元法和优化设计措施进行结构分析和结构优化设计[5]，以减少车身骨架和车身钢板的质量[6-7]；第二种措施目前看来应该是车身轻量化的主流，已经有很多种轻质材料应用于车身制造工业[8]；第三种措施为先进制造工艺的应用，包括激光拼焊板技术、热压成型技术和液压成型技术[9]。

2车身轻量化应用现状

车身结构优化方法如图2所示，从车身结构优化入手实施车身轻量化是最能够体现车身设计和仿真分析水平的一条实施路径。通过车身结构优化所获得的减重收益往往最经济，对于物料成本、项目投资等影响都很小。车身结构优化的主要方法如图2所示，主要包括接头优化、断面优化、零件形状优化等。接头优化和断面优化需要借助于CAE（计算机辅助工程）仿真技术，零件形状优化则需注重零件细节。高强度钢和低密度材料减少的质量及相对成本对比如表1所示，轻量化材料的种类如图3所示。如图3所示，轻量化材料主要有两个发展方向：a)以高强度钢、铝合金、镁合金为代表的金属材料；b)以碳纤维复合材料、玻纤复合材料和工程塑料为代表的非金属材料。如图3所示，从下到上代表了目前车身材料的发展方向。如图4所示，先进制造工艺主要包括零件工艺和车身工艺。零件工艺主要有热冲压成型、TRB（柔性轧制板）差厚板工艺、TWB激光拼焊工艺和Patch钢板工艺等；车身工艺主要有激光焊接、CMT（冷金属过渡焊接技术）焊接、铆接、结构胶等。在实际工作中，采用先进制造工艺实施车身轻量化与新材料的应用密切相关，新技术、新材料往往需要采用新的成型和连接工艺。如果采用铝合金材料代替钢材，铝与铝之间的连接或者铝与钢之间的连接也不能再使用传统的点焊工艺。例如：铝合金发动机盖，其内板及加强板之间一般采用TOX铆接工艺替代点焊工艺，而内外板之间仍然采用包边工艺进行连接。同时，制造工艺设备的技术发展也在促进车身更好地实现轻量化[10]。

3结语

面对日益紧迫的新能源危机和环境污染问题，对汽车轻量化的需求越来越迫切，轻量化技术的应用也越来越广泛。在各大汽车企业中，新的轻量化技术不断涌现并得以应用。主要阐述了A汽车企业所推广应用的轻量化技术———兼顾成本优势的轻量化材料选择及相应新轻量化工艺运用，并在最初设计状态下注重优化车身结构、各零部件轻量化设计。文章对于轻量化技术的讨论可为其他汽车企业选择与之相适应的车身轻量化技术提供参考，同时对企业轻量化技术推进具有一定的指导意义。

参考文献：

［1］朱平，张宇，葛龙.基于正面碰撞性仿真的轿车车身材料轻量化研究［J］.机械工程学报，2005，41(9)：207-211.

［2］陈家瑞.汽车构造［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［3］刘文华，何天明.高强度钢在汽车轻量化中的应用［D］.武汉：武汉理工大学，2008.

［4］刘伟燕，王书伟.轻量化技术在汽车车身上的应用［J］.汽车工程师，2011(2)：50-54.

［5］汉斯•波特•德吉舍尔，西格丽•吕夫特.轻量化［M］.陈力禾，译.北京：机械工业出版社，2011.

［6］张式程.汽车轻量化技术及其发展趋势［D］.长沙：湖南大学，2011.

［7］刘一蒙，刘曦，张攀，等.某特种车驾驶布置室轻量化设计［J］.四川兵工学报，2009(2)：89-91.

［8］陈力禾.汽车轻量化之镁［R］.昆明：中国机械工程学会，2011.

［9］倪晋尚.轻量化技术在现代汽车中的应用［J］.公路与汽运，2008(5)：4-7.

［10］沈建东，王镝.车身轻量化技术策略的研究和应用［J］.上海汽车，2012(6)：42-47.

作者:姚庆伟 单位:长城汽车股份有限公司