汽車輕量化技術的應用發展趨勢

作為實現節能減排的重要措施之一，汽車新材料、先進的設計和工藝制造技術，能促進汽車工業可持續發展。輕量化材料一方面節約汽車制造成本，另一方面還可以低碳環保循環利用。新材料和新技術之間相輔相成，先進的工藝技術為輕量化材料更新提供基礎，新材料的廣泛應用推動工藝技術的發展。在未來汽車制造中，輕量化材料取代鋼材已經成為一種趨勢。
汽車輕量化發展現狀
高強度鋼板
高強度鋼板性能大大優于一般的鋼材，高強度鋼板具有厚度薄、質量輕的特點，同時具有更高的強度保證車身安全性。在當前高科技新材料成本高、普及率低的背景下，并考慮綜合性能，高強度鋼板是車身輕量化的首材料，主要應用于車輛的關鍵結構件，如地板、AB柱、門檻等。寶馬部分車型中的B柱、中通道、車門防撞桿、地板均采用高強度鋼。
凱迪拉克通過結構優化設計，使鋼制下車體結構比鋁制車體減重6 kg，其AB柱內板、橫梁、地板中通道等關鍵部件均采用先進的高強度鋼。
鋁合金
輕質金屬鋁合金在汽車領域的用量逐步增加，且種類多樣化，是汽車輕量化的理想材料。鋁合金擁有諸多優良性能，不僅耐腐蝕而且強度和剛度高，加工成型性良好，回收利用率高。鋁合金一般分2種，以熔融金屬充填鑄型，獲得各種形狀零件毛坯的鋁合金就是鑄造鋁合金；還有一種是變形鋁合金，是將鋁合金通過沖壓、彎曲、軋、擠壓等工藝使其組織、形狀發生變化而成。鑄造鋁合金多用于重力鑄造件和特種鑄造件，變形鋁合金多用于空調系統零件、行駛系部分零件、發動機冷卻系統散熱器件等。制動卡鉗、驅動軸及車輪等汽車零件一般采用鋁基復合材料，這是一種由多種性質不同材料組成的復合材料。
馬自達、奧迪等采用鋁合金板材制造外覆蓋件，發動機罩和行李廂蓋是鋁合金在車身上應用早的部位，后面逐漸發展到全鋁車身，國外部分汽車鋁合金和鋁復合材料的比例可達80%以上。鋁合金材料作為性能優異的新材料同時還具有很好的循環利用性，回收1 t鋁合金要比加工制造1 t少耗能95%，目前汽車用鋁合金材料中60%以上的都是再生鋁。另外，相比加工鋁合金，加工鋼鐵所需的工裝設備需要汽車制造商投資更多資本，以鋁擠壓型材為主的汽車鋁制車身框架，焊點少、裝配效率高。
熱塑性塑料
熱塑性塑料主要應用在汽車的后尾門，市場上比較典型的應用是雷諾汽車的后尾門，其比鋼制后尾門減重10%，不僅能降低生產成本，并且注塑、組裝工藝簡單，裝配效率高。
復合材料
復合材料是由至少2種不同材料通過先進的材料制備技術組合而成的新材料。組合優化后，其綜合性能比單一的原組成材料更加優異，能滿足不同的要求。如碳纖維復合材料是汽車輕量化應用中比較典型的復合材料，耐腐蝕、質量輕、高模量而且強度是鋼的5倍。由于該材料的優良性能，其在汽車市場已經得到了廣泛推廣，但是該材料成本較高，初僅在超級跑車、F1賽車、小批量車型上應用，在汽車中的應用有限。隨著復合材料制造工藝的成熟，碳纖維制造成本有所下降，如今已推廣至轎車上。
熱沖壓成型技術
熱沖壓成型技術用于高強度鋼板沖壓件成型，成型后強度達到1500 MPa以上。熱成型件車身安全性高、舒適性好，能減輕車身質量，提高零件尺寸精度，控制回彈。AB柱、前縱梁、車門防撞梁、地板橫梁、鉸鏈加強板等關鍵部件用熱成型件較多。
車身結構優化設計
設計思路
從多種輕量化材料的匹配及零部件的優化等方面著手，再加上輥壓成型、差厚板等工藝技術，這可以大幅減少零部件數量實現車身輕量化。雷諾采用的差厚板設計，實現了減重2 kg。在保證汽車整體性能不受影響的前提下，優化的結構設計還能減少制造工序，從而降低生產成本。目前國內已經有汽車輕量化技術采用了結構的輕量化設計和分析，汽車設計的前期就已經融入結構輕量化設計。國產歐寶的B柱就是采用熱成型與差厚板結合的方式，形成局部低強度區和局部高強度區，車身剛度及吸能性得到提高。
設計方法要實現汽車車身輕量化，在開始的車身實體結構設計時就要開始考慮，可以通過優化結構、差厚板等方式合理設計，具體方法有：
1.通過結構優化設計，優化車身強度和剛度的校核，減輕車身鋼板質量，減小車身骨架，確保汽車在滿足性能要求下減輕自重；
2．主要功能部件在使用性能不變的情況下，縮小尺寸，通過結構的小型化，實現汽車輕量化；
3. 通過改變運動結構方式實現汽車輕量化。如采取發動機后置、后輪驅動，使整車的局部變小，實現輕量化的目標。或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。
結論
目前，隨著經濟的發展，對汽車的需求會越來越強烈，但是考慮到環境環保問題日益嚴峻，汽車空氣污染不容忽視。試驗表明，汽車車身質量降低一半，汽車燃料消耗也能降低一半。從環保和節能的角度來看，未來，汽車輕量化設計將是汽車制造的潮流。本文從新材料、新技術方面著手分析汽車輕量化技術的發展現狀，認為目前材料、工藝、設計等方面在汽車輕量化技術中的應用水平在不斷提高，未來汽車設計發展的方向是針對不同的產品、材料、工藝的混合結構設計，以實現所用的材料與零件功能的組合。