汽车结构设计的轻量化设计分析

王伟博

长城汽车股份有限公司 河北 保定 071000

引言

经过相关调查统计发现，最近几年的汽车使用量直线提高，这足以证明，汽车已经发展成为当前最受民众欢迎的交通工具，但是汽车在为民众出行提供方便条件的同时，汽车使用过程中所产生的燃油消耗和空气污染问题也越来越严峻，细究导致以上问题的具体因此，大部分原因是汽车重量所导致的，由此可见，在汽车结构设计中合理融入轻量化设计理念是很有必要的，有效分析高强度钢等各种轻量化材料的具体应用，以及汽车车身轻量化设计的合理途径，有利于促进汽车设计的良性发展。

1 轻量化设计概述

1.1 产生背景

随着时间的推移，国内外汽车制造都在逐渐向轻量化设计的方向靠拢，一来汽车轻量化设计是考虑环保和安全的同时兼顾考虑的内容，二来人们环境意识越来越强，要想让一个行业持续发展，就需要寻找可持续发展的道路，寻求资源和消耗的平衡，保证尽可能以一辆汽车成本和消耗，制造有用的材料并应用下去[1]。工作人员在设计汽车的时候，要最大程度提高发动机应用效率，让汽车的车身更轻，同时合理的利用新能源，让汽车的环保价值得到更好的提升，降低汽车的油耗以及提高燃油效率，尽可能实现清洁排放，降低尾气给环境造成的污染。在进行设计的时候，需要不断提高发动机效率，根据具体的要求来做好规划。柴油机、汽油机是以往汽车设计时用到的传统发电机，现在发展到一个比较高的水准，实际设计的时候只有微量、提高发动效率的空间。这种改造带来的效果是有限的，只有从其他角度着手来做更深入的研究和应用，才能让汽车的环保效果更加突出。新能源汽车是现在环保价值最高的一类汽车，但是电池问题限制了汽车的发展。为了进一步降低能耗，收集者就需要考虑尽可能降低汽车本身的重量。不过所有改造设计、优化设计的前提都是汽车有足够的安全性。这样降低自重的方法可以让发电机的能效更佳，让新能源更好地发挥出效果。目前发电机技术以及新能源技术还没有巨大突破，而轻量化技术是可以看到的、可以着手设计的主要方向。

1.2 设计要求

相关的技术人员在进行轻量化设计的时候，需要从实际情况出发，明确轻量化设计的若干要求。有研究表明，一辆汽车自重降低10%，相应的燃油消耗会随之降低6%～8%，而排放则会降低5%～6%[2]。需要注意的是轻量化设计不只是降低自重，而是必须兼顾汽车应用安全性，所以设计者在轻量化设计的过程中，一定要从科学的角度出发，保证结构安全性，让汽车能达到安全标准。相关工作人员要注意规划好汽车使用性能，从各个角度出发来做好材料优化，明确各种材料的实际应用效果。要尽可能在做计划设计的同时，让汽车的使用性能和传统钢材质汽车持平、甚至超越传统汽车。以往在进行切割设计的时候，轻量化与安全性是相互冲突的，很多时候轻量化意味着安全性低。想要让汽车有足够好的安全性，就要通过各种方式提高汽车结构的抗弯、抗侧翻、抗碰撞这一系列的性能。这些优化工作和汽车的重量息息相关，需要提高材料性能，正视降低重量会面临的诸多问题。轻量化设计有非常强的综合性，设计者需要考虑材料生产工艺、工业设计、结构力学、人体工程学这一系列的内容，才能从各种综合的角度出发做好汽车重量优化。

2 轻量化材料的应用

2.1 高强度钢的应用

通常来说，汽车生产应用和钢材料有非常密切的联系。而使用高强度钢材料的时候，就可以减少钢材料的用量，减轻汽车的整体重量。技术人员通常会通过以下几种方法来强化高材料[3]。

2.1.1 加碳强化。钢的碳含量与钢的强度息息相关，要提升钢的强度，就必须要控制碳元素占的百分比，根据实际情况适当增添或减少碳元素。要合理提升珠光体比例，一定程度降低铁元素含量，让强度可以有所提高。

2.1.2 合金强化。提高钢强度还需要合理应用各种合金。不同元素的合金给钢带来的性能影响是不一样的，所以相关的工作人员要做技术分析，添加不同种类的合金来提升钢材某一方面的特性。

2.1.3 固溶强化。适当添加锰元素、硅元素、磷元素可以一定程度提高钢的强度和钢的性能。

2.1.4 热处理强化。通常来说，温度的变化可能给金属的物理结构带来一定的改变，尤其是在冷热交替的条件下，钢的强度会发生一定变化，所以工作人员要适当做好热处理，在此过程中改变碳元素和其他元素百分比，让钢的结构产生指向性变化，让钢更具有卓越的性能。

2.1.5 应力强化。在进行锻造的时候，钢在拉力作用下很可能会提高强度，如果表面有残余应力，那会抵消钢在使用时遭受的扭转或弯曲所产生的应力，这让钢的性能得到更好的提升。高强度钢和很多方面的内容息息相关，在应用的时候需要结合钢材料各方面的特性来提高材料强度，增强经济优势，让汽车的性能得到强化。但是需要注意的是，高强度钢本身的抗腐蚀性不强，需要做好调整，合理应用。镁铝合金这些新材料的应用往往存在很多限制，这时候高强度钢的重要性也就凸显了出来，需要更妥当地投入到实际应用中。

2.2 球墨铸铁的应用

相关的工作人员在展开设计的时候，需要能够从实际情况出发，合理利用球墨铸铁技术。同样的体积下，球墨铸铁只有钢的90%的重量。技术人员设计汽车结构的时候，合理使用球墨铸铁可以大大减轻汽车本身所具有的重量。很多汽车企业研发部门都在关注球磨铸铁的情况，并进行各类实验，希望能够以最快的速度取代钢材料并投入实际使用。球墨铸铁可以让很多零件在一起形成一个整体，可塑性非常强。

2.3 铝及铝合金的应用

实际设计工作中，相关的工作人员也需要考虑使用一定比例的铝和铝合金替换原有的钢材料。铝和铝合金能大大减轻重量，但是各类性能比较差，在应用时会遇到重重的困难。有研究人员研究了铝和铝合金，寻求其在汽车制造上广泛应用的可能性[4]。他们首先研究了大型铝材料与车身的结合，然后研究了铝材料代替钢材料汽车车门的可能性，第三研究了汽车零件使用铝材料的可能性。如果一辆汽车用铝和铝合金代替钢材料，整体减重可以达到30%～40%。但是目前阶段铝和铝合金材料还存在着很多技术以及应用层面不成熟的问题，需要更进一步的开发。

2.4 镁及镁合金的应用

在金属化学性质上，镁的密度小，属于可应用的重量最小的金属。它易于加工，并且有很好的减震能力，投入实际使用时比钢的强度还要大，抗腐蚀能力非常强，所以在实际使用时，镁是非常好的轻量化材料，技术人员可以最大程度地研究镁材料的应用给汽车制造带来的影响，最大程度地让镁合金发挥效果。镁合金熔点与密度低，相对来说更容易加工融化。尤其是一些加工非常复杂的地方，使用镁材料可以缩短加工的周期。实际应用中使用镁来代替铝材料、钢材料有非常好的应用价值，在降低车身重量方面也有非常重要的优势。镁合金的应用可以提高车身强度，而回收的时候也更加方便。综合来看，镁和镁合金应用价值非常高，生产加工材料涉及的内容也更加全面。

2.5 钛合金的应用

自然界中，钛属于稀缺的一类基础资源，熔点达到了1600℃，非常耐热，可以做耐热材料使用，在机械性能方面也有着非常好的表现。而抗腐蚀性上，钛合金也有着很好的表现，很多项目都广泛的使用到了钛合金，而通过钛合金应用加工的汽车零部件，减震性能非常好，使用寿命非常长[5]。钛合金可以提高赛车性能，投入使用时能让汽车的强度得到提升。钛合金技术开始应用到汽车的车门部分、装饰部件、消音器等一系列区域，有非常好的应用价值。然而钛很难提炼，如果大范围使用，难度非常高，成本也非常高，所以只适合局部使用，不适合在汽车制造上广泛使用。

2.6 精细陶瓷的应用

在进行工艺加工的时候，相关的工作人员也会合理考虑精细陶瓷的应用。精细陶瓷的工艺非常特殊，不是金属材料却有非常高的机械性能，可以用在发动机以及传感器的设计制造上。

2.7 塑料的应用

在进行轻量化设计的时候，合理应用塑料也是减轻重量的一大重要途径，目前已经有一部分汽车的零部件使用到了塑料，比如汽车保险杠就用到聚丙烯，然后在此基础上填充石灰粉，让保险杠的结构密度因此降低，同时也让车身的重量得到了一定的控制。实际应用时，塑料具备一定的强度，可以起到防护效果，并且在装饰上也有比较好的应用特点，无论是车灯还是方向盘，都可以适当应用塑料。

2.8 复合材料的应用

现代社会，汽车领域轻量化的方向和复合材料的应用也脱不开关系。研究人员在研究复合型材料的时候，专注于提升材料在强度性能方面的优势，发挥复合型的材料更容易成型的特点，目前来说汽车设计上已经有了成功案例，那就是道奇srt-10[6]。这个材料用到了很多复合材料以及技术，应用效果比较好。汽车轻量化设计可以用到的最广泛的材料是碳纤维增强材料、有机合成纤维复合材料、玻璃纤维增强材料。

3 汽车轻量化设计的措施

工作人员在进行现代化设计的时候，可以合理地进行三维数字化设计，使用CAD、CAE这一系列技术和软件，最大程度减轻汽车厚度，让零部件的数量、重量得到减轻[7]。合理的做好材料替换，根据不同区域、不同结构的配置特性、形状特性来做好调整，明确设计中可能存在的问题，一步一步地进行解决。综合来看，要从布局、形状、拓普、尺寸等方面做更深入的优化。要考虑汽车的整体布局和驱动方式，根据质量强度要求优化尺寸，根据强度、抗震性的要求替换零部件和材料，让不同特性的材料应用在合适的位置并发挥作用。可以采取有限元分析来找到不同部件的应力集中处，然后做针对性的处理，在集中点增厚材料，而其他的分散的地方则减薄材料，以此来最大提升材料的应用价值。

4 结束语

现如今我国已经成为世界闻名的最大的汽车市场之一，而且汽车的使用量仍在逐年递增，为了有效改善汽车使用过程中的燃油消耗和空气污染问题，必须采取针对性措施，给予合理解决，鉴于减轻汽车重量在解决以上问题方面能够发挥重要作用，所以笔者建议相关设计人员针对汽车结构设计的轻量化设计进行深入研究探讨，以便促进汽车设计的优化与改进。