汽车车身结构轻量化研究

汽车车身结构轻量化研究

陈若时,苗宝春

长城汽车股份有限公司 河北保定 071000

摘要：21世纪，汽车呈现出系统化、模块化、轻量化、电子化和个性化的总体发展趋势。当前，一次性能源的急剧减少和环境污染是全球两大主要问题，汽车车身轻量化的重要性日益凸显。低能耗、低排放、高性能的汽车是社会可持续发展的必然要求，车身结构轻量化正是实现这一目标的有效方法。车身轻量化设计可以减少原材料的使用量，降低生产成本和油耗，减少尾气排放，实现节能环保。本文将基于汽车车身结构轻量化技术存在的不足来探讨其发展策略。

关键词：汽车；车身结构；轻量化

前言：在人类进入二十世纪以后，汽车成为最重要的交通方式之一，帮助人们减少在路途中的时间损耗而迅速到达目的地，然而，过去由于汽车设计和制造水平的限制，汽车往往非常沉重，加之油耗控制不当，所消耗的资源量非常巨大，对环境的污染也不容小觑。而在未来，环保和节能会逐步成为汽车设计和制造的重要考量，除了改变能源利用方式以外，將汽车设计得更加轻量化也是重要的研究方向。

1、汽车轻量化的效果

1.1 降低油耗和减少排放

汽车质量的降低使汽车滚动阻力、加速阻力、爬坡阻力减小，从而降低了燃油消耗；如果动力性能保持不变，通过恰当的齿轮传动比还可以使燃油消耗进一步降低。

1.2 改善性能

汽车轻量化可以有效改善汽车的性能，主要体现为：1）汽车质量减轻后，车身质心降低，汽车行驶更加稳定、舒适，加速性能以及转动和振动部件的NVH性能都有明显的改善；2）汽车质量减轻使制动距离缩短，碰撞惯性和碰撞时动量也得以减小，降低了对汽车的损害，提高了汽车的主动安全性；3）动力总成质量减轻可以改善前轮轴荷，进而改善汽车操纵稳定性；4）轮辋、制动钳等质量减轻可以改善簧下质量，从而提高汽车乘坐舒适性。

2、汽车车身轻量化设计所存在的不足

汽车轻量化听上去似乎并不复杂，然而却是一个非常困难的问题。汽车的车身内安装了许许多多的电子部件，而且承担着符合全车大多数重量的任务，因此必须要保证其强度和空间，否则就会失去其实用性。而想要同时做到这两点并不现实，至少在优秀的新型材料出现之前是很难做到的，受限于汽车厂家的制造技术以及成本，过度追求轻量化只会使得空间及强度中的一个被放弃，亦或者倒退回来，放弃轻量化而保全这两方面的需求。总之，在技术还未完全成熟之前，轻量化的过程受到了许许多多的限制，使得其最终效果很难尽如人意。

    2.1 评价标准缺失

上文提到，轻量化的研究对汽车厂商的技术储备和财力都提出了很高的要求，受限于此，许多小厂商很难参与到其中，而诸多汽车巨鳄则把有关轻量化的研究视为机密而三缄其口，使得有关轻量化的技术标准和评价标准都没有做到很好的统一，直到现在，许多厂商仍然各自有各自的标准，各自有各自的侧重点，想要集合各种力量难上加难。

    2.2 材料单一性

可以说，优秀材料的贫乏是限制汽车车身结构轻量化发展的一大重要原因，在当下，绝大多数厂商都使用低碳钢作为制造汽车的主要材料，高碳钢虽然价格便宜，加工简单，强度也比较不错，但其重量表现却并不好，同等强度条件下，低碳钢的重量要远远大于镁合金和铝合金，更不要说化学合成的高分子材料了。尽管当下存在许许多多的优质材料，不仅重量轻，而且强度够，但是成本都很高，如何把这些材料的制作成本降低成为了材料研究中的难题。

3、汽车轻盈化技术应用的必要性

近几年来，全球变暖的趋势越来越明显，公众关于节能减排的呼声也越来越高。全球变暖的主要原因是温室气体的排放，而其中有很大一部分都源自于汽车燃烧化石燃料产生的尾气。汽车轻量化能够极大地提高发动机对于能源的利用效率，而且重量的减轻可以使得汽车的操纵更加灵活，刹车更加及时，可以有效地保障驾驶人员的生命安全。在未来的很长一段时间内，人类将使用燃油车辆，燃油车辆的长续航等优点也是新能源汽车暂时所不能企及的，所以，与其鼓吹汽车全盘新能源改造，不如在最直观的轻量化上下功夫。

4、汽车车身轻量化的方法

虽然汽车轻量化技术在发展中并不十分顺利，但也不是说没有解决的方法，事实正相反，如今在飞快的科技发展中，已经出现了许多新的思路，能够帮助汽车轻量化改造从简单地削减部件到整体优化。以下是具体的方法介绍。

    4.1 减去车身部件上多余的质量

这一点是最为直接也是最开始被研究的策略。汽车作为诸多零部件的集合，也并不是所有的部件都是必要的。通过工艺的改进和技术的进步，过去需要多组元件才能实现的功能，如今只要一个就可以了。

    4.2 车身部件整体化

在过去，车身铸造工艺非常的不成熟，因此需要分段进行铸造然后再进行组合，不仅繁复冗杂，而且部件的结合处都需要专门的机械装置进行连接，这一部分也是不小的重量。如今，技术的进步可以实现车身的一体塑型，从而减少了连接处的组件，而且整体化的车身组件可以极大地提高其强度。

    4.3 采用更加轻量的材料

虽然当下汽车制造仍然大量使用低碳钢，但是随着更多更优秀的材料出现，未来会逐步地应用到实际生产当中。比如化工领域制造的高分子塑料，虽然听上去是塑料，但其强度却非常出色，重量也很轻。再比如各种合金，镁合金、铝合金等，都有着不错的表现，是未来取代低碳钢的优良选择。接下来的研究方向便是把材料成果和汽车工业生产进行紧密结合，探讨如何在工业化条件下实现成本降低的同时尽可能地保持原有的性能。

5、汽车车身轻量化发展趋势

    利用高强度板材来代替传统板材：

5.1 铝合金

铝合金在轴向载荷作用下会产生渐进叠缩稳态变形，比吸能远远高于低碳钢结构。铝合金作为缓冲吸能元件，在碰撞安全性方面有明显的优势，而且应用于车身时，由于质量降低，碰撞时产生的动能减小，所以其在汽车上的应用呈现连续增长趋势。

5.2 镁合金

镁合金的弹性较弱，在同等的受力情况下会发生较大的变形。所以，使用镁合金材料时，要提高镁合金板材的厚度或者重新设计板材结构。

5.3 多孔材料

在大自然中，有很多动物的筑巢方式值得人们学习，在向大自然的学习中，人们制造出各种各样的用于能量吸收的轻质多孔材料，如泡沫材料、蜂窝材料等。蜂窝材料用作吸能材料，具有明显的方向性，用于各种夹芯板和薄壁填充管具有突出的优势。泡沫材料可分为开孔泡沫材料和闭孔泡沫材料两种。其中，开口材料的抗压性总体优于闭孔材料。开孔材料又可以分为金属材料和非金属材料两种。金属泡沫材料，尤其是泡沫铝，密度小、变形能力大、比吸能好，具有均匀稳定的能量吸收特性曲线，是非常理想的能量吸收材料。但是，泡沫铝含有空隙而且强度较低，在受到拉、压、扭转时容易发生断裂破坏，而且破坏后不容易保持完整，故而一般将泡沫铝作为薄壁管的填充材料。非金属泡沫材料多用作汽车内部装置，作为装饰材料和承重架中间的缓冲物。

结语：虽然采用更加清洁的能源作为汽车的动力是大势所趋，但短时间内，轻量化才是对汽车性能和驾驶体验提升最明显的措施，过去受限于技术水平，很难取得有效地成果，如今随着铸造工艺的升级换代以及新材料的不断出现，相信未来的汽车会变得越来越省油，驾驶体验也越来越好。

参考文献：

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