轻量化技术在汽车工程中的应用

郭韦华

（方盛车桥（柳州）有限公司，广西 柳州 545006）

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。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 轻量化技术概述

在我国汽车工程领域，轻量化技术的应用已经成为促进汽车行业稳定发展的重要技术。轻量化技术主要是通过对汽车结构加以合理设计、优化汽车的相关功能、应用新型节能材料等，降低汽车的自重，提升整车的性能，使得汽车在原有设计的基础上，具备更高的安全性与舒适度。在我国汽车行业，轻量化技术的应用已经取得了一定的成果，在一定程度上为汽车行业的发展创造了动力。但是，我国汽车行业的整体水平较低，必须在加强技术创新的基础上加强对轻量化技术的应用。

2 新型材料在汽车轻量化技术上的应用

2.1 铝合金

铝本身就有密度小、导电与导热性好的优势，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 镁合金

镁合金在汽车中的应用主要包含了结构铸件与非结构铸件。对非结构铸件而言，其不受冲击力的影响，比如汽车的变速器、离合器壳、发电机罩等。而结构铸件受到冲击力的影响，还会承受一定的荷载，往往用于汽车的方向盘、仪表盘、离合器支架等。随着对镁合金材料的开发，其强度逐步提高，具有了更广的适用性，如一些新型的镁合金材料被用于打洞机、外车身等。对镁合金材料而言，其可以实现循环利用，具有良好的节能环保效益。在我国，镁资源分布广泛，加快对镁合金材料的开发与利用具有重要的意义。

2.3 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。

2.4 高强度钢

高强度钢的性能较好、成本较低，其在车身的大部分零件中都具有适用性，有效实现了车身的轻量化设计，在一定程度上提高了汽车的安全性。近年来，在汽车制造与加工中，高强度钢的使用量逐步增多，满足了人们对于汽车的安全性追求。随着高强度钢材料的开发，其强度逐步提高，实践研究表明，在轻量化设计上应用此材料，其效果优于铝合金，且提高了车辆本身的防碰撞等级，在轻量化设计、安全性能提升等方面的优势突出。因此，在汽车加强板、固定板、发动机支架等方面的应用较多。

2.5 工程塑料和复合材料

工程塑料和复合塑料是汽车轻量化设计中应用最为普遍的材料。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。

2.6 其他材料

在汽车轻量化设计中，可用材料较多，除以上几种外，近年来还逐步应用了一种精细陶瓷，这种材料的物理与化学性能突出，耐热、抗腐蚀，可以在汽车热量较多的部位使用，如发动机燃烧室、热交换位置等。该材料在这些部位的应用大大降低了汽车运行中的燃油消耗。另外，蜂窝夹层材料也是近年来逐步探索的新材料，由于该材料的强度与刚度都较高，且密度较低，因此有在汽车轻量化设计中应用的可能性。玻璃增强材料作为一种新型材料，其具有密度小、强度高、隔热隔音等性能，且其成本较低，在一些复杂的零部件中，这种材料的性能远远优于金属材料，比如保险杠、防撞杆等。纺织复合材料也是一种新型的材料，其力学性能较好，将该材料与现代复合材料结合使用，其材料性能更为突出，更有利于提升汽车轻量化的设计效果。

3 车身设计在汽车工程轻量化设计中的应用

3.1 优化结构设计

汽车轻量化技术的应用中，也可以从车身的优化设计着手。车的结构的轻量化设计需要以不降低整车性能为前提，尽量减少整体结构中冗余的零部件，简化结构设计，保证结构的紧凑性，提高汽车轻量化设计的效果，从整体上改变车的结构设计，实现零件轻结构设计。结构设计是轻量化设计的关键环节。

3.2 优化汽车实体结构布局设计

汽车结构的优化，需要有关的实际人员加强对汽车总体结构的优化分析，从轻量化的角度出发，实现汽车实体结构布局设计，使得该结构与整车之间实现良好的协调效果，加强车身实体结构与布局设计的配合，尽量应用轻质材料零部件。

3.3 优化拓扑设计

我国汽车拓扑结构的设计上，主要受到传统设计理念的影响。汽车概念设计早期，材料布局的优化过程也是汽车形状的优化与改善过程，此优化过程也影响着汽车的整体性能。而车身轻量化设计中必须进行拓扑结构的优化，以保证车身结构设计的后续形状与尺寸等能够达到轻量化设计的要求，提升材料的利用价值，使得设计人员可以充分遵循零件设计的相关要求，提高零件结构设计的科学性与合理性，减轻车身的质量，保证在整车中，零件的性能最优化。

3.4 形状优化

车身形状的优化主要是为了降低汽车的自重，使得汽车形状的质量更低，保障汽车零部件的耐久性，延长汽车的使用寿命。从整体设计的最优化角度着手，为提高汽车的整体性能与实用价值，在汽车相关部位的设计上要尽量避免应力的过度集中，使得汽车在标准荷载下可以保持相对均匀、平衡的受力。在形状的优化过程中，要利用形状来改变汽车相关结构的应力分布状态，比如，可以在高负荷位置添加部分材料，而低负荷部位去除部分材料。

4 制作工艺在汽车工程轻量化设计中的应用

4.1 激光焊接

在汽车轻量化设计中，激光焊接工艺一般应用复合拼焊板的焊接处理，如果将此焊接工艺应用于汽车零件的制造，可以大大提升零件的整体性能，减轻汽车的自重，使得汽车在运行过程中具有更高的安全性。另外，应用此焊接工艺还可以保证焊接效果，避免汽车加工与制造中材料的消耗，减轻汽车零部件的质量，有利于提高汽车车身设计与加工的整体质量，使得车身可以承受较大的冲击力，提升汽车的安全性。

4.2 液压成型

液压成型处理方式主要是将需要成型的管件放于密闭的模具中，在管件内腔引入流体介质，提高水的压力，使得管件在水的压力作用下逐步驱动模具变形。这种情况下，模具会逐步成为汽车零部件的形状。这种液压成型技术近年来逐步取代了传统的零件生产工艺，液压成型所生产的零件质量较高，且其制造成本较低，满足了汽车零部件的轻量化设计要求。一般情况下，在汽车制造中，液压成型主要用于排放系统、发动机支架等相关结构件的生产。

4.3 半固态铸造

半固态主要是指液态向固态的转变过程。在汽车零部件的生产中，应用此生产工艺的条件下，金属材料呈现为固态与液态的双重状态，此时，在此温度区间内对其加以加工处理，使得其变为成品形状。因此，这种制造工艺被称为半固态铸造技术。一般情况下，半固态铸造技术包含了流变与触变铸造两种，其在制造与加工的过程中能源的消耗较少，且其工艺操作简单。由于流变铸造的金属输送具有一定的难度，因此此铸造工艺的应用很少。触变铸造是应用较多的工艺，但是其成本高、能源消耗大、工艺复杂，需要进行工艺的改进与优化。

4.4 喷射成型

喷射成型属于一种新型的成型加工方式，这种工艺的作用主要是快速凝固粉末冶金工艺，利用高压惰性气体，在其作用下，金属容易逐步被雾化，此时，金属溶液逐步变为细小的液滴，随后这些液滴会逐步沿着轴向方向飞行。由于液滴的凝固是一个循序渐进的过程，未完全凝固的情况下，会出现部分沉淀物，这些沉淀物的收集利用可以进行其运动方向的把控。

5 结束语

汽车工业作为我国的国民经济中的支柱产业，随着技术的发展与汽车需求的增加，汽车行业处于快速发展的时期。但是，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。