汽车材料及结构轻量化的研究进展

汽车材料及结构轻量化的研究进展

梅贰

合肥江淮汽车有限公司，安徽 合肥 230022

摘要:随着科学技术的发展，汽车技术日新月异。作为汽车结构设计的发展方向，汽车新材料及结构轻量化技术也发展迅速。本文从汽车结构轻量化设计的方法、轻量化材料的分类以及轻量化未来的发展方向等方面综述了汽车结构轻量化设计的方法。

关键词：汽车材料；结构轻量化；研究进展

引言

随着绿色环保、节能理念的日益普及，人们对汽车的研发和生产越来越重视。然而，在当前的汽车研发和生产中，汽车自重问题一直是制约汽车发展应用和推广的一大难题。因此，有必要引入汽车轻量化技术来降低汽车自重，促进汽车的更好发展。

1 汽车和轻量化技术

汽车按照驱动能源不同分为常规能源驱动和非常规能源驱动的车辆，所谓非常规能源是指汽油、柴油、天然气、液化气等以外的燃料。非常规能源汽车有四种类型，一种是混合动力电动汽车，利用电能和燃料能为汽车提供动力；另一种是纯电动汽车，利用电能或太阳能为汽车提供动力；第三种是燃料电池电动汽车，利用燃料电池为汽车提供动力；第四是其他汽车，如超级电容器、飞轮等高效储能装置。与普通汽车相比，汽车不仅能有效节约燃油，提高燃油利用率，起到很好的节能减排作用，还可以有效改善驾驶体验，保证车辆安全稳定运行，并不断丰富车辆的智能网联化体验。

汽车轻量化技术主要用于“减重”。通过采用一些新型轻合金材料，加强设计，提高汽车结构的合理性，达到减轻汽车重量的目的。与普通汽车相比，企业需要更轻的重量。据有关资料显示，在相同车重的情况下，汽车的油耗提高了15%左右，当车重降低100kg时，百公里油耗可降低0.3至0.6L，因此，加强轻量化技术在汽车上的应用非常重要。

2 汽车材料的轻量化

汽车材料的轻量化与汽车结构的轻量化相辅相成。通过减轻汽车的重量，可以减少环境污染、能源消耗和汽车性能。上世纪80年代，大多数汽车材料都是用钢制造的，但世界石油危机爆发后，人们开始追求轻质汽车材料来降低油耗。因此，高强度钢、镁合金、铝合金、钛合金、锌合金、塑料、橡胶等低密度、高强度、高性能汽车材料的使用量增加，而钢材在汽车工业中的应用比例在一定程度上降低。

2.1 金属材料

随着汽车材料制造技术的不断更新，镁、铝合金等轻质材料出现了取代传统钢材的趋势，导致了钢铁生产企业的危机。面对不断下降的市场需求，钢铁企业迅速采取有效措施，开发制造低密度、高强度的汽车用高强度钢。高强度钢可分为高强度钢、超高强度钢和超高强度钢板。与普通钢材相比，高强度钢材可减轻车身重量16%，提高燃油经济性10%。高强度钢虽然密度高于镁、铝合金，但具有强度高、塑性好、韧性好、安全性高、成本低等优点，在汽车上得到了广泛的应用。钢材主要分布在车身，但车身重量占整车重量的40%-60%，因此采用高强度钢材可以大大减轻车身重量，实现轻量化。

2.2 非金属类材料

2.2.1 碳纤维

碳纤维是一种含碳量高达90%的纤维状碳材料，具有密度低、耐高温、强度高、耐腐蚀性强等特点。欧美、日本等发达国家的汽车工业巨头正在引领和推动碳纤维材料在汽车上的应用。宝马还率先将碳纤维材料应用于汽车的各个方面，包括车身、底盘、车顶、车门、引擎盖、尾部、仪表板、传动轴、顶盖、压尾、中控台等系统。宝马生产的碳纤维量产电动车全部采用碳纤维制造，车身重量仅为112.2kg。除了宝马，丰田、大众、奔驰、现代等各大汽车厂商都在加大碳纤维的开发力度，以实现轻量化。

2.2.2 塑料

汽车塑料具有重量轻、耐热、耐腐蚀、韧性好等优点，因此汽车塑料的使用量逐年增加。汽车上使用的主要塑料有：用于仪表板、轮罩和发动机零件的聚丙烯（PP）；用于汽车油箱、风道、地毯的聚乙烯（PE）；用于汽车格栅、标牌、亮条的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）。现在材料巨头企业已经开发出了更为优秀的汽车复合塑料，它不仅减轻了重量，而且兼顾了汽车制造的成本、质量和功能。在未来，新型复合塑料将广泛应用于汽车。

2.2.3 橡胶

①汽车密封制品。一般汽车上的密封制品主要用于一些液体的密封，避免液体外流，选择用橡胶制品是因为橡胶具有抗腐蚀耐高温等性能，所以能够维持很好的密封现象，在汽车连续行驶很长时间的时候，能够有效的保持耐磨抗疲劳现象。

②汽车减震橡胶制品。汽车在减震方面采用橡胶减震制品会起到很大的作用，这也是汽车上面很重要的零件。在我们开车行驶途中遇到坑时，橡胶弹簧就起到了很大作用，它能够保证我们在凹凸不平的路上保持平衡而继续行驶。还有一些关键零部件的减震垫能够承受零件所受压力。所以现在的橡胶制品在汽车行业中的运用早已不可缺少，只会不断的创新更多的橡胶汽车配件。

3 汽车结构轻量化

3.1 车辆结构设计优化

汽车结构优化设计包括拓扑优化、尺寸优化、形状优化、多学科设计优化等。汽车结构的科学设计和加工，不仅可以在一定程度上提高汽车结构的强度，而且可以节约生产材料，降低汽车质量。例如，在结构设计中广泛采用夹芯板，在建造主体结构框架时，为了减少或避免悬臂梁的产生，广泛采用环形结构。夹芯钢板的外部用高强度钢、铝合金、镁合金等材料包裹，而夹芯为网状波纹钢板。这种设计不仅减轻了车身重量，而且增强了隔音效果。邱常州设计了单层尾部，可使整车重量减轻50%以上，生产成本降低50%。注射成型是为了加快成型速度，充分利用材料。这是一种省时省力的汽车尾部设计方法。

3.2 汽车零部件设计优化

将生产工艺简单、结构单一、材料简单的汽车零部件进行集成；将零部件进行薄壁化、空心化、小型化、复合化，这样有利于减轻汽车的重量，提高汽车的刚度，降低成本，减少零件之间的连接。通过对汽车车身力的传递方式的设计，优化车身各部件的连接方式，应用轻量化设计技术，达到减轻车身重量的目的。

3.3 新型动力能源

随着社会的发展，环保、绿色能源的追求一直在不断的探索，燃油汽车的数量也在不断的增加，但是石油等能源却越来越少，总有一天会用光的，而这一天也越来越快的到来。汽车作为最耗油的设备之一，也会产生大量的废气，造成环境破坏。当前，中国和世界各国都在倡导可持续发展，新能源应运而生。汽车主要有两种模式，即“混合动力”汽车和“纯电动”汽车。“混合动力”汽车又称“混合动力汽车”，仍需与机油配合使用，无法实现真正的零排放，而“纯电动”汽车则采用动力电池提供汽车的前进动力，完全取代了原有的发动机。虽然纯电动汽车已经实现了零排放，但行驶里程和电池质量仍需要更大的技术改进来保证。但在当前科技发展水平、发展快车和5g时代到来的背景下，这些问题将得到更快的优化和解决。纯电动汽车发展前景广阔。

3.4 塑料材料

塑料是一种由树脂合成的高分子材料。在汽车上的应用率约为9%。它的密度比钢和其他材料小得多。它可以大大减轻车身的整体重量，使汽车更轻，更好地吸收冲击能量。但塑料的缺点是易改性、易老化、抗拉强度和抗压强度低，从这个角度看，它无法与钢材相比，而且塑料是可回收的，可以重复利用，减少环境污染。目前主要用于车保险杠、仪表台、汽车座椅、汽车内板等。

如果汽车选用塑料作为零部件材料，不仅可以减轻汽车的重量，而且具有良好的防腐效果。而且，塑料材料能更好地满足装饰加工，使外观美观，色彩鲜艳。根据需要，它可以成为它最喜欢的颜色在汽车的塑料外壳上。

4 结语

随着汽车生产技术的不断发展，环保标准的不断提高，节能减排意识的增强，汽车生产企业自主创新能力的不断提高，未来汽车轻量化将有更大的突破。汽车制造企业在追求汽车轻量化的同时也必须考虑到汽车的性能，在保证安全性能的前提下实现汽车轻量化。

参考文献：

[1]马捷,乔冰.化工新材料在汽车轻量化领域的应用[J].化学工业,2019,37(01):21-29+49.