轻量化技术在汽车工程中的应用探讨
发布时间：2020-09-08
摘要：轻量化技术在汽车行业的应用具有重要的意义，符合汽车行业可持续发展的要求。在确保汽车性能的情况下，使用新材料降低汽车产品质量，从而达到节能降耗的作用。轻量化技术的应用需要材料的开发利用、结构设计的优化及先进的成形技术共同完成，在汽车工程中具有良好的应用前景和重要的意义。
关键词：汽车工程;轻量化技术;车身设计;技术应用
引言
轻量化技术在汽车工程中的应用主要是采用现代设计手段优化汽车产品设计，该技术的应用，通过现代化的设计理念与手段，优化了汽车的整体设计，提升了汽车的整体性能，降低了燃油消耗，实现了节能减排，提升了汽车的安全性与舒适度，对汽车行业的长远发展具有重要的意义。有关研究表明，轻量化技术在汽车工程中的应用，主要表现在其可以改善汽车的转向、制动等性能，减弱汽车的振动与噪音，因此该技术的应用大大提高了汽车设计的整体水平，推动了我国现代汽车行业的发展。
1轻量化技术在汽车工程中的应用前景
轻量化技术在汽车工程中的应用前景主要涉及以下内容：汽车工程的轻量化是汽车未来设计发展的趋势，在动力驱动、节能降耗和节能减排等方面都有重要的应用意义。中国的汽车轻量化技术还面临着更多难题，与国外具有较大的差距。轻量化技术涉及多个领域，是由多学科交叉形成的综合性体系，在目前的研发体系中还多为单科的研究，很少实现各学科间的交叉融合。轻量化技术的核心技术不可能由单科或科研机构独立完成，必须进行多种学科的战略性部署和融合研究，但是目前此类科研机构还没有建立，产学研结合不紧密，缺乏明确的定位和分工，研究与开发方面的衔接不足，企业规模较小，科研开发能力弱，缺乏充足的研发人员。目前的趋势是结合全国轻量化技术优势，开展产学研一条龙，实现技术资源共享，积极推进多学科间的合作交流，实现科研成果转化，建立一定的检测规范和标准，建立起相关产业人才培训基地和科研机构。
2轻量化技术在汽车工程中的应用
2.1铝合金
铝本身与一般的合金材料相比，其塑性较好，加工工艺简单。基于此优势，该材料在汽车轻量化设计中有着较为突出的优势，比如在车身、底盘设计中，应用铝合金可以减轻汽车的自重。近年来，在铝合金材料的开发上，逐步出现了新型铝合金材料，虽然其在轻量化设计上的优势突出，但是其成本较高，使得该材料难以得到大力推广与使用。因此，未来研究的重点就是尽量降低其成本。
2.2钛合金
钛合金一般用于发动机配气系、曲轴连杆结构等零部件，有些汽车也将该材料用于消声器、车轮等部位。从该材料的应用来看，其最初被应用于赛车。近年来，随着新材料的开发，钛合金材料才逐步开始应用于普通的轿车，但是目前尚没有研究出该材料在车身上的适用性。钛合金材料的性能较好，随着材料开发力度的增大，其生产与加工成本逐年降低，使得该材料未来将具有良好的应用前景。
2.3工程塑料和复合材料
从工程塑料的特性来看，其密度小、塑性好，具有抗腐蚀、防震动、隔音等性能，这就使得其在汽车设计中可以充分应用此材料发挥其优势。复合材料主要是由工程塑料与增强纤维复合形成，其本身具有密度小、设计灵活、成型简单、耐腐蚀等特性，如果在汽车设计中应用此材料，能够大大降低汽车的质量。从这些材料的应用来看，工程塑料逐步被应用于一些车身结构，而且该材料本身可以实现回收利用，这就使得其具有良好的应用价值。复合材料主要用于车门、车顶板、车厢后挡板等位置。
2.4镁合金的应用
镁合金应用于汽车工程，主要分为非结构铸件和结构铸件，其中非结构铸件不需要承受较大的冲击力，应用于汽车的变速器、离合器壳以及发电机罩等，结构铸件需要满足一定的冲击要求，并且承受一定的荷载，应用范围包括方向盘、仪表盘、座椅框架和离合器支架等。新材料研发过程中，镁合金的强度在不断提升，应用范围也进一步扩大，并逐渐向发动机和外车身转变，应用于缸体、缸盖、发动机罩盖等[1]。镁合金回收容易，是典型的绿色结构材料，具有明显的资源优势。中国镁资源储量丰富，面对传统金属矿产日益枯竭和全球性技术革新、资源浪费和开采污染、固体废弃物污染的现状，加快研究镁合金在汽车工程中的使用具有重要意义。
2.5高强度钢的应用
高强度钢的使用量越来越大，用户对于车辆的安全性能要求的提高也使高强度钢的应用效果越发明显。高强度钢的强度得到提高，而且车身减重比铝合金更有效，车辆的强度、碰撞安全等级也在提高，对于满足汽车轻量化和安全性能的要求有重要作用，增加了汽车的安全性，降低噪声和行驶中的振动，提高了燃油效率，减轻了汽车的总质量，使汽车的加速性和驾驶性能得到了有效改善。高强度钢主要应用于加强板、固定板、发动机支架、悬架支架、油箱固定板以及底板横梁加强板等。
2.6副车架结构优化设计
汽车在行驶过程中车架会长期受到车身、货物以及其他重物的重力作用，在这些载荷的作用下，车架会发生弯曲变形。当汽车路过坑洼路面时，汽车车轮不在同一平面，车架又会发生扭转变形。考虑到汽车刹车和转弯的情况，车架在加速度方向还会受到惯性载荷。而这些工况不是单独出现的，因此使用解析法不能准确分析车架在组合工况下的静态响应，利用有限元分析方法对前副车架结构进行静态特性分析，可以了解副车架在受到不同载荷冲击下的应力分布情况，并分析评判副车架结构的承载能力。通过分析静态强度和刚度，求解出副车架结构在多个工况下的静态特性，识别结构中的高应力区域，为之后的结构优化设计提供参考依据，使优化后的副车架结构具有良好的静态特性。若只将前副车架的材料由钢替换为铝合金，将难以满足性能要求，因此需要对车架结构进行适当修改。对原前副车架主要从以下几个方面进行优化改进:(1)原前副车架主体部分为薄钢板冲压件，各个部件通过焊接装配在一起，车架结构较为复杂，此次轻量化设计制造工艺采用铸造法，减少了成本。(2)为了改善副车架的刚度(悬置安装点Z向刚度)，一般会在副车架结构下部增加一个盖板，与原副车架相比，新副车架的盖板更为简单，有利于轻量化。(3)重新设计前副车架的肋板，使其满足性能要求。经轻量化设计后，前副车架质量由原17kg减少到11.76kg，减重比例达到30.8%，达到了减重30%的预期目标。
2.7PP-LGF在仪表板轻量化上应用展望
轻质高强复合材料在汽车零部件上的应用已经成为汽车轻量化技术的应用焦点，PP-LGF凭借其优异的材料特性和减重效果，已成为汽车仪表板轻量化的重要途径，具有良好的实用价值。目前PP-LGF材料已经在国内外众多车型上成功应用。在满足仪表板性能要求的基础上，采用PP-LGF的仪表板可以大幅度减重，同时也具有结构强度更好的优势，产品综合成本上也与传统材料相当，因此，PP-LGF材料在未来汽车仪表板的轻量化中必将有更加广泛的应用。
结语
总之，汽车行业的发展中，我国轻量化技术的应用效果并不明显，在一定程度上阻碍了汽车行业的长远发展。因此，为提高汽车的整体性能、节约能源与资源，实现汽车行业的可持续发展，各个汽车企业要加强轻量化技术的应用。——论文作者：张龙晓
期刊推荐：《汽车工程》创刊于1979年,是由中国汽车工程学会主办并编辑出版的、综合反映我国汽车行业研究水平的学术性期刊。本刊的主要内容是关于汽车整车及零部件在产品开发、设计、制造、使用和试验研究等方面的学术论文，全面反映各种高新技术(如：信息、计算机及网络、自动化、微电子、通信、新能源、新材料、新工艺、环保等技术)在汽车及交通领域中的应用，同时也适量刊登有关汽车产业和汽车技术发展战略研究与企业经营管理研究的学术论文等。
