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汽車的輕量化技術(shù)與節(jié)能環(huán)保

文檔作者：馮奇等		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月29日
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A T＆M 界
汽車的輕量化技術(shù)與節(jié)能環(huán)保
汽車輕量化是當(dāng)前汽車工業(yè)的發(fā)展方向，也是當(dāng)前節(jié)能環(huán)保的重要策略。本文重點(diǎn)闡述輕量化材
料技術(shù)、先進(jìn)輕量化工藝、輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及輕量化連接技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，討論汽車輕量化與節(jié)能環(huán)
保關(guān)系，提出了我國汽車輕量化技術(shù)與節(jié)能環(huán)保的發(fā)展方向。
1前言
■ 上海汽車集團(tuán)股份有限公司新能源汽車事業(yè)部馮 奇 范軍鋒
王斌凌天鈞
隨著我國汽車產(chǎn)量和保有量的不斷攀升，我國汽車
的能源消耗和有害排放逐年遞增。在日益短缺的能源狀
況和日益惡化的環(huán)境狀況下：發(fā)展節(jié)能、低排放的汽車
技術(shù)是減少能源消耗和減少環(huán)境污染的必由之路。
為了達(dá)到降低油耗、減少環(huán)境污染及節(jié)約有限資
源的目標(biāo)。目前，從國際發(fā)展趨勢上看，解決汽車節(jié)
能環(huán)保問題的主要措施如下。一是發(fā)展電動(dòng)汽車等新
型能源汽車；二是大力發(fā)展先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)：三是汽
車輕量化。比較以上3種主要措施，在當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)技
術(shù)提升難度日益加大的背景下，減輕汽車自身質(zhì)量，
是節(jié)能環(huán)保的最有效措施之一。
2 汽車的輕量化技術(shù)
汽車輕量化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的重要途
徑，下面介紹目前主流的汽車輕量化技術(shù)。
2．1輕量化環(huán)保材料
隨著汽車輕量化需求，新環(huán)保材料(材料本身具有
環(huán)保性和可回收性)將扮演愈來愈重要的角色。目前，
可用來減輕汽車自身質(zhì)量的新環(huán)保材料有兩大類：一類
是高強(qiáng)度材料，如高強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度不銹鋼、結(jié)構(gòu)鋼、
高強(qiáng)度鑄鐵和粉末>臺(tái)金等；另一類是輕質(zhì)材料，如鋁合
金、鎂合金、鈦合金、塑料和復(fù)合材料、精細(xì)陶瓷、金
屬基復(fù)合材料、非金屬基復(fù)合材料等。
圖3 圈
4 I汽車T 藝與材料AT&amp;amp;M 2 01 0年第2期
AT&amp;amp;M 櫻 界
2-2輕量化綠色制造技術(shù)
(1)激光拼焊板技術(shù)
激光拼焊板技術(shù)是根據(jù)汽車零件設(shè)計(jì)的要求，將
不同厚度、不同強(qiáng)度和不同鍍層種類的鋼板，通過激
光拼焊成一塊整體板，然后再進(jìn)行沖壓得到所需零件
形狀的工藝技術(shù)。
激光拼焊工藝與傳統(tǒng)工藝對(duì)比見圖1。它最顯著
的優(yōu)勢是，減少了零件數(shù)量和材料消耗，減輕了整
車質(zhì)量，簡化了裝配工藝， 因而得到越來越廣泛的
應(yīng)用。
IⅢ■l『酬耋鞠 一呤 ?！?l二I Ii)
藩料 個(gè)體成形 焊接
國峰Ⅲ
落料 激光焊接 整體成形
圖1傳統(tǒng)工藝和激光拼焊對(duì)比
目前，在汽車上的應(yīng)用主要有前／后車門內(nèi)板、
前／后縱梁、側(cè)圍、底板、車門內(nèi)側(cè)的AIB／C立柱、輪
罩、尾門內(nèi)板以及車身等。
(2)液壓成形
液壓成形技術(shù)是把管狀或板狀材料放在密封的
模具中，然后采用液態(tài)的水或油替代剛性的凹?；蛲?
模，使板料在傳力介質(zhì)的壓力作用下貼合凸模或凹模
成形。由于液體替代了剛性模具，不僅減少了模具數(shù)
量，降低了費(fèi)用，還可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和成形極限，
從而實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。
使用液壓成形方式制造的零件，可將原來分割成數(shù)
個(gè)零件組合的部件，改為用單一零件代替，減少了零件
組合的工作，同時(shí)增加了車體的剛性，從而達(dá)到減輕質(zhì)
量、降低成本的目的。典型的零部件有底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)支
架、排氣系統(tǒng)與懸掛系統(tǒng)等。成形原理見圖2。
(3)熱成形
熱沖壓成形技術(shù)是將鋼板加熱~lJAc3點(diǎn)以上的A
(奧氏體)區(qū)域進(jìn)行沖壓成形，然后在沖模中從Ar3
相變點(diǎn)以上進(jìn)行急冷，以獲得具有均勻馬氏體組織的
圖2金屬板料液壓成形原理
高強(qiáng)鋼構(gòu)件的成形方式。熱沖壓原理見圖3。熱沖壓
技術(shù)優(yōu)勢： a．具有高的強(qiáng)度且具備良好的延展性，
保證復(fù)雜零件的成形；b．可適當(dāng)降低零件的厚度，
有效減輕零件質(zhì)量；C．具有高的尺寸精度；d 降低
壓機(jī)的噸位 e．能夠提高整車的碰撞性能。目前，
應(yīng)用輕量化熱成形技術(shù)的車身零部件有前、后保險(xiǎn)
杠、A柱、B柱、中通道、前門防撞梁、防撞桿等。
機(jī)器人 加熱爐及保護(hù)氣單元 擠壓機(jī)霆囊薹
圖3 熱沖壓工藝原理
(4)鋼板柔性軋制技術(shù)— — 輥壓成形技術(shù)
鋼板柔性軋制技術(shù)是指首先將截面厚度變化的規(guī)
律輸入計(jì)算機(jī)，工作過程中在計(jì)算機(jī)的控制下自動(dòng)調(diào)
整軋輥間隙，使鋼板的厚度按規(guī)定的要求呈周期性變
化，從而得到可變截面厚度的鋼板卷料，這種卷料可
廣泛用于車身零部件。
(5)其他技術(shù)
新興的滲浸陶瓷工藝，陶瓷碳素技術(shù)，納米材料
技術(shù)也將是未來選項(xiàng)。
2．3 輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)
車身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指在車身開發(fā)階段應(yīng)用CA×一
體化技術(shù)，用數(shù)值模擬技術(shù)代替實(shí)車試驗(yàn)，對(duì)車身進(jìn)
行靜剛度、振動(dòng)、疲勞和碰撞等結(jié)構(gòu)性能分析，得到
2 01 0年第2期 汽車T 藝-9 材料AT&amp;amp;M I 5
I
一 一
A T＆M 弼l 界
車身的力學(xué)結(jié)構(gòu)性能，并應(yīng)用現(xiàn)代優(yōu)化技術(shù)對(duì)車身結(jié)
構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。
當(dāng)前主流輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)有拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)
計(jì)、零部件整合、汽車小型化、形狀優(yōu)化等。
2．4環(huán)保型連接技術(shù)
環(huán)保型連接技術(shù)要求以自然資源的保護(hù)和生產(chǎn)
過程的優(yōu)化為目標(biāo)，替代傳統(tǒng)連接方式，且符合經(jīng)濟(jì)
性、環(huán)保性、安全性的基本要求。當(dāng)前，主流環(huán)保型
連接技術(shù)有沖鉚、激光焊接、迭邊壓接、超塑性擴(kuò)散
連接等。
3汽車輕量化技術(shù)對(duì)節(jié)能環(huán)保的貢獻(xiàn)
(1)新環(huán)保材料
汽車使用新環(huán)保材料以后，整車質(zhì)量隨之減輕。
帶來的好處不僅是性能更好，操控更靈活。除此以
外，耗油量也會(huì)大幅下降。更重要的是鋁合金、鎂合
金都是可以不斷循環(huán)再造的金屬，雖然首次鑄造鋁合
金和鎂合金比鋼所用的能源增加，但輕量化汽車行駛
時(shí)所省能源很快便彌補(bǔ)了鑄造時(shí)的能源。在循環(huán)使用
時(shí)，鋁合金所需的能源亦遠(yuǎn)比再造鋼鐵為少。從長遠(yuǎn)
看，鎂合金、鋁合金的輕量化、1 00％循環(huán)再制造等
特性，都是發(fā)展環(huán)保事業(yè)中不可不使用的金屬材料。
以塑代鋼的塑料零部件可減輕整車質(zhì)量，是汽車
輕量化的重要輕質(zhì)材料，其中75％塑料還可以循環(huán)再
利用，可以大幅降低能源消耗和推動(dòng)環(huán)保進(jìn)程。
(2 )輕量化綠色制造技術(shù)
輕量化綠色制造技術(shù)如激光拼焊板技術(shù)、液壓成
形技術(shù)、高強(qiáng)鋼熱成形技術(shù)等簡化了模具 縮短產(chǎn)品
周期，能制造出其他工藝無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，不但
對(duì)提高汽車性能，減少零件數(shù)量和汽車輕量化有十分
重要意義，而且能降低制造零部件能源消耗，減少環(huán)
境污染。
(3)輕量化結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)能從根本上促進(jìn)汽車輕量化發(fā)展。
可以廣泛采用現(xiàn)代優(yōu)化技術(shù)對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在
確保車身的功能、性能和質(zhì)量的前提下，去除冗余材
料，使車身部件精簡化、小型化、薄壁化和中空化，
以達(dá)到減輕整車質(zhì)量的目的，從而降低整車運(yùn)行過程
中的能耗和排放。
(4 )現(xiàn)代連接技術(shù)
現(xiàn)代連接技術(shù)如激光焊接、鎖鉚連接、壓力連接
等除了在節(jié)能、環(huán)保、安全上比傳統(tǒng)的焊接工藝具有
其先天的優(yōu)勢外，同時(shí)在不同特性材料連接、合金材
料連接、鍍層材料連接等方面具有絕對(duì)優(yōu)勢。
4 汽車輕量化技術(shù)節(jié)能環(huán)保的LCA評(píng)
估
全生命周期分析(Life Cycle Analysis，LCA)是
一種用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期中，即從原材料
的獲取，產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用直至產(chǎn)品使用后的處置過
程中，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響的技術(shù)和方法。這種方法被認(rèn)
為是一種“從搖籃到墳?zāi)埂钡姆椒?。按國際標(biāo)；隹化組
織的定義(ISO 14040)，生命周期分析是對(duì)一個(gè)產(chǎn)
品系統(tǒng)的生命周期中的輸入、輸出及潛在環(huán)境影響的
綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)全生命周期分析方法，對(duì)汽車輕量化
的4種主流技術(shù)進(jìn)行分析和比較如下。
(1)新環(huán)保材料不僅本身具有環(huán)保性和可回收
性，可以減輕整車質(zhì)量，而且減少材料使用和浪費(fèi)，
降低整車運(yùn)行過程中的能耗和排放。
(2)綠色制造技術(shù)不但簡化了模具結(jié)構(gòu)，縮短了
產(chǎn)品的生命周期，而且可以制造出其他方法所不能制
造的復(fù)雜工件，這對(duì)提高汽車性能、減少零件數(shù)量和
減輕汽車自身質(zhì)量有十分重要的意義，在制造過程中
可實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。
(3)先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念可從根本上杜絕資源
浪費(fèi)，可以使資源達(dá)到合理配置，不但提升整車性
能，還可以優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)，是減輕整車質(zhì)量的重
要手段。
(4)現(xiàn)代連接技術(shù)以經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、安全性為
基本要求，以輕量化連接為目標(biāo)，可以從根本上降低
能耗和減少污染物排放。
(下轉(zhuǎn)第11頁)
6 f l汽 車 工 藝 -9 材料AT&amp;amp;M 201 0年第2期
AT＆M 碗 界
面處理試驗(yàn)研究。開展了鎂合金材料及鑄造工藝的研
究與開發(fā)：開展了鎂合金鑄造工裝設(shè)備的開發(fā)及應(yīng)用
大型薄壁復(fù)雜鎂合金零件的機(jī)械加工技術(shù)，建立了鎂
合金技術(shù)標(biāo)；隹和鑄造工藝規(guī)程。見圖6。
東風(fēng)H3∞ 一2O發(fā)動(dòng) I鎂合金齒輪璧(4 550 g)
圖6
C．非金屬材料的應(yīng)用研究
在非金屬材料方面的研究主要有：熱塑性發(fā)動(dòng)
機(jī)氣門室罩蓋：商用車底盤功能件固定支架塑料化應(yīng)
用；塑料燃油箱的開發(fā)及性能研究；空氣懸架系統(tǒng)橡
(上接第6頁)
5 汽車輕量化技術(shù)在節(jié)能環(huán)保方面的
應(yīng)用
汽車輕量化技術(shù)不是汽車零部件的簡單材料替
換，工藝更新，結(jié)構(gòu)優(yōu)化和使用先進(jìn)連接技術(shù)，而是
一個(gè)涉及到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境等多方面的復(fù)雜
系統(tǒng)工程，它不但是國家能源安全的戰(zhàn)略需求，也是
節(jié)能減排的戰(zhàn)略需求，需要將從材料到汽車零部件結(jié)
構(gòu)設(shè)計(jì)和檢測、綠色制造、輕量化連接、汽車零部件
回收再制造、零部件維修等關(guān)鍵技術(shù)集成開發(fā)與應(yīng)
用，需要各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)相互支撐。
上海汽車新能源汽車事業(yè)部以科委要求新能源汽
車整車減輕質(zhì)量7％ ～1O％ 為目標(biāo)，與同濟(jì)大學(xué)、上
海交通大學(xué)、上海理工大學(xué)等開展產(chǎn)、學(xué)、研合作，
重點(diǎn)針對(duì)車身、底盤、動(dòng)力系統(tǒng)零部件，集成開發(fā)和
研究新材料、新工藝、優(yōu)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)連接工藝。以
膠減振件的設(shè)計(jì)；EPDM中冷器出氣膠管的開發(fā)及應(yīng)
用；頂蓋扶手氣輔注塑成型應(yīng)用研究：D31 O駕駛室
非金屬材料設(shè)計(jì)及零部件性能研究：D530駕駛室非
金屬材料設(shè)計(jì)及零部件性能研究。
4 結(jié)束語
輕量化是汽車工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，是汽車產(chǎn)品研發(fā)
的方向。隨著國家節(jié)能減排、綠色環(huán)保政策法規(guī)的逐
步實(shí)施，汽車輕量化為越來越多的企業(yè)所重視：東風(fēng)
公司近年來開展了一些工作，針對(duì)局部細(xì)分市場，開
發(fā)了一些輕量化車型。存在的主要難點(diǎn)是商用車超載
情況比較嚴(yán)重，對(duì)載荷的預(yù)知性把握相對(duì)困難。
今后要充分發(fā)揮輕量化聯(lián)盟的作用，行業(yè)信息
共享，行業(yè)共同促進(jìn)，進(jìn)一步加大新材料、新工藝的
研究與應(yīng)用，進(jìn)一步加大零部件總成輕量化的技術(shù)研
究，加大投入，與鋼廠、高校、研究機(jī)構(gòu)合作，進(jìn)一
步推進(jìn)輕量化工作向產(chǎn)業(yè)化、商品化的轉(zhuǎn)化。 圃
儀表板骨架輕量化開發(fā)為例，原鋼制儀表板骨架質(zhì)量
為5．545 kg，采用鎂合金材料進(jìn)行全新優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)
合先進(jìn)制造工藝，新的鎂合金產(chǎn)品質(zhì)量為1．895 kg，
達(dá)到減輕質(zhì)量65％。
6結(jié)束語
當(dāng)今世界，環(huán)境的日益惡化成為擺在人類面前
的重大難題，保護(hù)環(huán)境、減少有害物排放是全世界的
共同目標(biāo)。汽車作為能源消耗、資源消耗及排放的大
戶，降耗、減排、降重成為其技術(shù)發(fā)展的重中之重。
綜上所述，汽車工業(yè)快速發(fā)展的今天，隨著環(huán)境
保護(hù)呼聲愈來愈高，我國汽車工業(yè)應(yīng)推廣使用新環(huán)保
材料和輕量化綠色制造技術(shù)，重視汽車輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)
化設(shè)計(jì)和汽車材料回收利用技術(shù)，在政府、生產(chǎn)商和
消費(fèi)者的共同努力下，來實(shí)現(xiàn)我國汽車輕量化，生產(chǎn)
適合我國國情的輕量化、節(jié)能環(huán)保型汽車。圃
2 01 0年第2期 汽車工藝與材料AT＆M J 1 1

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