【技研】汽车结构的轻量化设计方法综述

随着科学技术的发展，汽车技术也日新月异。作为汽车结构设计的发展方向——汽车结构轻量化技术也随之迅速发展。文章从新研发的轻量化材料以及采用新技术、新工艺等方面综述了汽车结构轻量化的设计方法。

目前，国内外汽车技术的发展主要有以下三个方面的趋势：一是轻量化；二是环保；三是安全。现在，人们已经渐渐认识到，想要让汽车工业长久发展下去，就要走可持续发展之路。可持续发展之路一个很明显的要求就是要节约资源，减少消耗。针对汽车工业，为了达到这样的要求，就必须采取提高发动机的效率、改善传动机构或者降低车身重量等方法。其中降低车体重量的一个重要方法就是汽车结构的轻量化设计，其可以显著减轻汽车的重量。在现实生活中，无论是普通的柴油汽油汽车、电驱动汽车还是燃气驱动汽车，车身机构轻量化都有极为重要的意义。汽车行业一直在追求舒适、安全、快速，而为了达到这一目标，汽车轻量化是最佳途径之一。

        在汽车结构中，使用最多的材料就是钢。因此，利用高强度钢来减少汽车结构中钢的使用，对于汽车结构的轻量化设计有重要意义。一般来说，钢的强化途径主要有以下五种：一是加碳强化。由于钢中含碳的百分比不同其刚度也不同，因此想要得到高强度钢就需要控制钢中碳的含量。为此，必须适当增加钢中珠光体的含量，降低铁素体的含量；二是合金强化，在钢中添加合金元素可以大大增加钢的强度，而且不同的合金元素能够使钢所具有的性能也不同，能够大大扩大钢的适用范围；三是固溶强化，即在钢中添加磷、硅或者锰等元素来加强钢的强度的方法；四是热处理强化。一般来说，钢在经过一定顺序的冷热交替处理之后，其金相组织的结构会发生变化，从而使钢的强度增加。另外，热处理还可以使钢内碳等元素的含量发生变化，从而可以使钢内部形成一层一层地具有不同性质的结构；五是应力强化，钢在受到一定限度内的拉力之后，其屈服强度可能会提高。因为钢在受到一定限度内的应力后表面会存在残余应力，这种应力可以抵消钢在今后使用中受到的弯曲应力、扭转应力等。高强度钢主要是用于制造汽车的外壳和结构件，其优点是经济性好、强度较大；但是其缺点也比较明显，就是耐腐蚀性差。由于铝合金、镁合金等新型材料具有各自不同的使用限制，高强度钢依旧在很长一段时间将是汽车的主要制造材料。

球墨铸铁在同体积下的重量约为钢的百分之九十，因此，在汽车结构中使用球墨铸铁代替钢可以显著降低车体的重量。现在世界各国的汽车研发机构和生产商都在尝试在汽车结构中使用球墨铸铁来代替钢。另外，球墨铸铁由于其独特的性质，可以将多个零件集成为一个零件。

合理使用铝来代替钢是有可能减少汽车结构的重量的，但是铝的强度和杨氏模量都比钢要低，因此使用起来相对比较困难的。为了能使铝在汽车结构中代替钢，人们正在进行新的汽车铝材研发，主要的研发集中在三个方面：一是整个车身或者大型铝材的研发；二是车门等汽车刚性结构的全铝化；三是汽车部分零件的全铝化。在理想情况下，汽车零件中使用铝代替钢可以使汽车的零件减重30%～50%，而汽车结构全铝化可以使整个汽车减重30%～40%。从经济方面来考虑，如果汽车全铝化实现60%以上时，这样的方案是可取的。当然，使用铝作为汽车的主要材料目前还有很多不成熟的地方，比如铝的抗承载能力相对较弱、铝的加工难度相对较大等，这都是未来汽车行业需要解决的问题。总之，未来汽车结构中铝代替钢是一种必然的趋势。

镁的密度比较小，是目前最轻的金属结构，但是其强度比钢要大，且机加工性能好，耐腐蚀性强，其减振性等也远远高于铝合金，毫无疑问，集各种优良属性于一体的镁是汽车结构轻量化材料最好的选择之一。另外，镁合金的低密度、低熔点等的特点使其具有熔化耗能少、充型变速快等优点，非常适合被应用于复杂加工成型。因此，在汽车机构轻量化的设计过程中，选择镁合金代替钢、铝合金等材料不仅可以进一步降低车体的重量，还可以在保持车体强度的基础上具有更多的优良特性。而且镁合金还有一个非常优良的特性，就是容易回收利用。目前，美国一些著名汽车公司——通用等都在尝试在汽车结构中更多地加入镁合金。在全球都看好镁及镁合金将在汽车行业中被广泛应用的大前提下，相信在不久的将来，镁及镁合金或许将成为重要的汽车制造材料。

钛作为一种稀有金属，其熔点有1600多℃，可以作为耐热材料。并且钛具有良好的机械性质和耐腐蚀性，其强度也是常用工程材料中最高的。利用钛合金制造的汽车零件寿命长、重量轻、减振性好。钛合金在汽车上最早的应用是使用在高速赛车的部分零件上，结果这样的赛车具有良好的特性，取得了许多优异的成绩。随着科学技术的不断发展，钛的开采和研发也逐渐成熟，钛合金的零件开始逐渐被应用于普通的轿车，一般被应用在轿车的车门、消音器以及装饰等。钛的主要缺点是成本高且加工难度较大，而且提炼比较困难，提炼技术还不够成熟，所以现在的钛合金零件只有在赛车或者高档轿车上才能看见。

        精细陶瓷是一种非金属材料，其是高纯超细粉末经过特殊的加工过程得到的。这种材料具有较好的机械性能，一般被应用于制造汽车的发动机和各种传感器。

        各种塑料也可以在汽车的结构中有所应用，如汽车的前后保险杠可以使用聚丙烯，并加入石灰粉作为填充。这样的结构的相对密度只有1.2左右，但是其还是具有一定的强度。因此利用塑胶代替一些金属制造汽车的零件能够有效减小汽车的重量。目前，塑料主要应用于汽车的内饰和外饰，比如车灯、扶手以及仪表盘等。而塑料在汽车车身和发动机周围的应用也在不断增多，其占车身总重的比例在不断升高。

随着世界汽车技术的发展，基于复合材料的轻量化已成为汽车结构轻量化技术发展的一个重要方向。自从人们将复合材料引入到汽车结构中之后，复合材料以其较高的强度、较好的机械性质以及易成型性，已成为世界汽车行业轻量化材料的发展方向。复合材料在汽车轻量化设计中一个典型的应用实例就是道奇SRT-10，这种汽车采用了多种复合材料极其制造的工艺。一般被使用到的复合材料有以下三种：一是玻璃纤维增强材料（GFRP），这种材料目前的应用范围正在逐渐扩大，主要用于制造车体的外装件；二是碳纤维增强材料（CFRP），这种材料具有较高的强度和弹性，很多国家已在研究，主要用于制造赛车车身或者概念车的车身；三是有机合成纤维复合材料（Kevlar），这种材料目前也在研发过程中，但由于其成本较高，其在汽车轻量化设计中的应用比较有限。

优秀的工程结构设计和工艺设计是实现汽车结构轻量化的一个重要途径。一个典型的例子就是在汽车结构中使用夹层钢板，能最大程度节约材料和能源。一般来说，夹层钢板的外层是高强度钢、铝合金以及镁合金等材料，而夹层则使用网状楞型钢板。这种结构不仅质量小，而且还具有很好的隔音效果。

为了在不降低汽车性能和强度的基础上减少汽车的重量，可以采取多个零件集成的方式。采用易成型和易加工的材料，将多个零件集成在一起，不仅可以显著减少汽车的质量，而且还可以减少汽车零件的加工制造程序，降低成本。在众多材料中，塑料和铸件拥有这样的性质。例如新兴的拼焊板成形技术，通过将多块不同性能的高强度钢板根据相应的设计在其冲压前拼接在一起，使其不仅具有较高的强度，还具有很好的耐腐性，同时还减少了零件数量，减少了加工程序，降低了工艺要求，从而减少了成本。

实现汽车结构的轻量化设计不仅可以通过减少零件或者减小零件重量，也可以通过改进零件间的连接方式。从某种意义上来说，多个零件的集成就是改进连接方式，实现连接方式轻量化的一种。这个方面的研究主要包括连接材料、连接方式以及连接结构等的研究。

综合来说，轻量化设计方法要注意以下三个方面：首先，要正确认识汽车结构轻量化设计的重要地位，这样才能学会协调汽车性能、特性与其轻量化之间的关系；其次，要注意积累汽车轻量化设计的知识，将已研发的方法技术形成一种知识技术体系以用于以后的相关设计；最后，要加强汽车结构轻量化设计过程中的管理。汽车的设计是一个系统工程，其轻量化设计也要遵循一定的设计流程，比如先进行零件的轻量化设计，再进行总体的轻量化设计。同时，在进行汽车轻量化设计的同时，我们还必须考虑这种设计方案的成本、性能、技术以及可靠性等多个方面。毫无疑问，汽车结构的轻量化设计已成为现代汽车行业的研究热点。随着新工艺、新材料以及先进技术的发展，汽车结构轻量化设计也取得了许多可喜的研究成果。为了紧跟世界汽车结构轻量化设计技术的发展，我国汽车企业必须不断提高自主创新能力，提高民族汽车企业的核心竞争力，向着安全环保轻量化三大目标不断努力