干货 读懂汽车轻量化技术及其应用，此文足矣！

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　　研究资料表明，汽车的燃油消耗与汽车的自身质量成正比，汽车质量每减轻10% ，燃油消耗将降低6%~10%，排放降低4%。因此，汽车轻量化已成为汽车工业发展的方向之一，是提高汽车的燃油经济性、减少排放的重要的技术途径。

　　汽车轻量化技术是在满足汽车使用性能和成本控制的条件下，轻量化结构优化、轻量化材料运用与轻量化加工制造的综合应用技术。

　　轻量化结构优化技术

　　结构优化是一种多标准、多学科的优化理论。结构优化设计可以分为三类，即尺寸优化、形状优化和拓扑优化。尺寸优化是一种参数优化技术，用来获得理想的设计参数组合，例如材料参数、横截面尺寸和厚度等。形状优化是一种对现有零部件的形状进行优化的方法，在不影响安全的情况下，通过修改结构的外形进行的优化。拓扑优化则是在一定的空间结构区域内根据约束、载荷及优化目标寻求材料最佳分布的一种设计方法，其过程一般是从预先定义的某种材料分布开始(如均匀分布)，按照轻量化的目标，经过多次优化迭代，材料分布趋于稳定，优化过程即结束，其中每一次迭代包含有限元分析、灵敏度计算和修改材料分布等子步骤。在多次迭代后，对于连续结构，使用现有商业软件通常能得到或接近材料0~1分布的设计结果。

　　拓扑优化是一种新的设计技术，它可以在结构方案设计阶段给出零部件甚至车身原型合理的材料布局，从而减轻结构重量或提高结构性能。通过这种技术，企业能缩短设计周期，提高产品性能，减少昂贵的样件生产和整车测试的次数。在车身结构上，大多数采用无骨架式结构和空间框架式结构，这类结构均是经拓扑优化后的设计结构。

　　然而，现代汽车工业中通过轻量化结构优化实现对车身的减重，减重空间已经相对狭小，而轻量化技术的应用更多地集中在轻量化材料的运用和轻量化加工制造技术方面。

　　轻量化材料运用技术

　　轻量化材料主要有两大类：一类是高强度钢，可用来降低板料厚度。汽车用高强度钢的主要零部件分三类：一是外覆盖件，如四门两盖；二是白车身；三是悬挂件，如发动机支架、副车架等零部件。另一类是低密度轻质材料，如铝合金、镁合金、塑料和复合材料等，主要用于发动机气缸体、转向盘骨架等零部件。

　　1.高强度钢

　　根据国际上对超轻钢制汽车车身的研究(ULSAB)，把屈服强度在270~700MPa范围内的钢板称为高强度钢板；屈服强度大于700MPa的钢板称为超高强度钢板(见图1)。

　　现代汽车钢板要求兼具高强度和高塑性两方面的性能。ULSAB-AVC、ABC、NSC项目均是采用钢作为其轻量化的技术路线。高强度钢是汽车轻量化后能够保证碰撞安全的最主要材料，所以高强度钢的用量直接决定着汽车轻量化的水平。使用高强度钢板代替普通钢板制造汽车车身，汽车自身质量可减轻30%~40%，代替普通钢制成的传动轴质量可减轻约10%。

　　(1) 双相钢(DP：Dual Phase)

　　DP钢板包括热轧、冷轧、电镀和热镀锌板。其微观组织是软质的铁素体和硬质的马氏体，其中马氏体的含量在5％~20％，随着马氏体含量的增加，强度线性增加，强度范围为500~1200MPa。双相钢具有低的屈强比、高的加工硬化指数、高的烘烤硬化性能、没有屈服平台和室温时效等特点。

　　DP钢一般用于需高强度、高抗碰撞吸收能且成形要求也较严格的汽车零件，如车轮、保险杠、悬架系统及其加强件等。

　　(2)相变诱导钢

　　(TRIP：Transformation Induced Plasticity)

　　TRIP钢板的金相组织由铁素体、贝氏体和残余奥氏体组成。当钢板受到外加载荷，在应力集中区域的残余奥氏体转变成马氏体，使该区域的强度提高，即所谓TRIP效应，这种效应延迟了应力区的进一步变形，增加了该区的延展性，从而提高了钢板的强度与塑性，满足了汽车复杂形状零件的成形、减重和安全的要求。

　　TRIP钢具有高强度、高成形性、容易加工、碰撞时高吸收能量和疲劳强度好等优点，是汽车保险杠、车门防撞杠及悬架系统等零件的理想材料，此外还可用于轿车的底盘等深拉延零件。

　　(3)孪生诱导钢(TWIP：Twining Induced Plasticity)

　　TWIP钢的成分通常主要是Fe，添加15~30%的Mn，并加入一定量的Al和Si。

　　TWIP钢在使用时无外载荷，室温下的组织是稳定的残余奥氏体，但在外载荷的作用下，特定成分的钢会有大量的孪晶形成，呈现出高的强度和良好的塑性，即所谓的TRIP效应。

　　TWIP钢具有高塑性、高强度和高的应变硬化率，对冲击能量的吸收程度是现有高强钢的两倍多，车身减重效果更加显著，抵抗撞击能力更强，且刚度增加。

　　2.低密度轻质材料

　　目前汽车上实现轻量化的主要轻质材料有铝合金、镁合金、工程塑料等材料。

　　(1) 铝合金

　　铝的密度只有钢的1/3，具有良好的导热性、机加工性能、铸造性能和良好的抗腐蚀性。在纯铝中加入Cu、Mg、Zn、Si 、Mn、稀土等合金元素配制成各种铝合金，可用强化措施提高其强度、硬度、疲劳性能等材料综合性能，且铝合金几乎能完全回收再利用，有利于节能、环保。铝合金应用在零部件中能有效减轻汽车整车的重量。在欧美产轿车中，平均使用铝材量达到了200kg左右，铝化率约为20%。

　　铝合金在汽车上的应用主要有铸造铝合金、形变铝合金和锻造铝合金。铸造铝合金主要用于发动机系统、底盘传动系统以及底盘行驶和控制系统等零部件制造中；形变铝合金主要用于车身系统部件和热交换器系统部件的制造中；锻造铝合金的价格昂贵，一般只用于高档车。由于锻造铝合金热锻时不氧化、表面光洁、机加工余量小、无加工缺陷，所以其在汽车上的应用正在逐渐增加，主要用于汽车的托架和载货汽车的车轮等。

　　(2)镁合金

　　镁的密度约为钢的2/9，镁合金具有比强度和比刚度高、尺寸稳定性好、导热导电性能好、吸振性和易于加工成型等特点，所以镁合金是更具有竞争力的汽车轻量化材料之一。

　　在汽车上使用镁合金制造的零部件目前绝大部分是压铸件，且比铝合金使用长。镁合金压铸件主要制作汽车仪表板、座椅骨架、变速器壳体、转向盘操纵系统部件、发动机零部件、车门框架、轮毂、支架、离合器壳体、车身支架等。

　　(3) 工程塑料

　　塑料成型容易，可使形状复杂的部件加工简单化；塑料制品的弹性变形特性能吸收大量的碰撞能量，对撞击有较大的缓冲作用，具有吸收和衰减振动和噪声的能力；塑料的耐腐蚀性强，其抗腐蚀能力远大于钢板；通过添加不同的填料、增塑剂和硬化剂可制出所需性能的塑料，可以满足汽车上不同部件的用途要求。

　　汽车上可采用塑料的零部件包括：油路阀门系统、发动机装饰罩盖、电路系统、燃油系统等的部分零部件。塑料在汽车领域的应用不断扩大，主要表现在纳米复合材料、可喷涂和免喷涂塑料、塑件镜片和塑料玻璃，以及纤维增强热塑性塑料等的应用。

　　对于一个具体的汽车零部件而言，选择什么材料不能简单地归因于材料的密度，而是要考虑综合性能指标的要求，不能单纯追求轻量化而忽视汽车的整体性能。在材料的选择上，要将结构设计、材料运用和加工制造作为整体综合考虑因素。例如，德国宝马公司推出的一款水冷式发动机的曲轴箱，此款发动机曲轴箱体的内部采用铝合金，而外部采用镁合金，这种外镁内铝的复合箱体，既有铝的高抗腐蚀性又有镁的减重效果，如图2所示。

　　轻量化加工制造技术

　　1.液压成形技术

　　液压成形有两种典型的成型方式：管件内高压成形和金属板料液压成形。

　　(1)管材液压成形

　　管材内高压成形是一种采用高压液体制造空心构件的制造技术。其工作原理是：通过对管材内部施加超高压液体并且对轴向施加外力，把毛坯压入到模具型腔，从而成型出具有一定形状的零件，其成型原理如图3所示。

　　汽车上的副车架、底盘构件、前后轴、驱动轴、排气系统异型管件和车身框架等均可以采用内管材液压成形工艺制造，并且能够取得明显的减重效果。宝马5系车采用了管材液压成形技术成形后轴，并且通过该技术使焊接件由6000多个降到5000个左右。沃尔沃850同样大量采用了管材液压成形工艺，使白车身减重50%，零部件数量减少了45%，焊缝减少了45%，同时提高了零部件的尺寸精度。

　　(2)板材液压成形

　　金属板材液压成型技术是指利用液体介质代替传统模具中的凸模和凹模，通过液体介质对板料的压力作用而成型工件的一种工艺。此工艺不仅可以成型形状复杂的工件，而且成型后的零件精度高、表面质量好。采用此工艺后，减少了焊接组装的工序，也降低了模具成本(见图4)。

　　变截面拉延技术

　　汽车中铝材的应用有效实现了对汽车的减重。特别是在重型汽车中，底盘框架结构采用铝材能显著降低车身自重且增加有效载重。铝材的变截面拉延技术作为一种新技术逐渐引起了人们的重视，变截面拉延工艺主要用来成形侧轨等构件。

　　传统的拉延工艺只能在固定模具下成型同一截面形状的型材。在变截面拉延工艺中，通过计算机控制可动模具的运动轨迹，可以成型出不同截面形状的产品。

　　变截面拉延工艺很适合汽车上的侧轨的加工，侧轨的截面形状不是单一的，而是连续变化的，通过变截面拉延工艺很好地满足了它的结构要求，该技术开始在汽车零部件制造中受到重视。目前可用此技术制造的汽车零部件包括座轨、公交车框架、保险杠、横梁、减振结构、前纵梁结构等。本田公司的Insight采用了挤压成型铝合金的前纵梁结构，其断面为正六边形，整个前纵梁结构只需一次挤压成型，与原钢结构相比，省去了焊接工艺过程，在保证原有刚度及吸能性特性的同时，减重效果达37%。

　　2.变截面薄板技术

　　用于车身制造的变截面薄板主要分为两种，一种是激光拼焊板(TWB)，另一种是通过柔性轧制工艺生产的连续变截面板(TRB)。

　　(1) 激光拼焊板(TWB)

　　TWB是根据车身设计的强度和刚度要求，通过采用激光拼焊技术把不同厚度、不同表面镀层甚至不同原材料的金属薄板焊接在一起，然后对它进行冲压。激光拼焊板的性能能够很好地满足汽车零部件冲压的要求，其原理如图5所示。

　　TWB工艺的应用可以根据车身各个部位的实际受力和变形，预先为车身部件制作一块不等厚的拼接板料，从而达到节省材料、减轻重量且提高车身零部件性能的目的。TWB工艺的性质决定了它具有很大的灵活性，可以任意拼接，并且可以根据强度优化设计原则将原来是等厚度车身的零部件设计成不等厚构件，然后进行冲压加工，一方面提高了结构的强度和刚度，另一方面又节省了材料。图6为用TWB工艺在汽车零部件生产上的应用。

　　TWB也存在缺陷，那就是焊缝和应力集中。如果焊缝布置不合理将是结构件承载的薄弱环节。焊缝的存在还影响材料的成型性，在后续的冲压中容易产生裂纹。若要避免此种缺陷需增加对焊缝的热处理工序，消除对焊缝的硬化效应。由于有焊缝的存在，即使采用任何涂装措施，难以保证零件的光洁度，所以TWB主要应用于汽车内覆盖件的加工过程中。

　　(2) 连续变截面板(TRB)

　　TRB是一种轧制的变截面板材。它的成形原理是在钢板的轧制过程中通过计算机实时控制调整和调整轧辊的垂直间距，以获取沿轧制方向上按预先定制的厚度连续变化的板材，设计人员可以根据后续加工中钢板各个部位的实际受力和变形以及整个车身的承载情况，在轧制之前选定有利于连续加工的板料型面。它的原理如图7所示。

　　TRB使以往基于等截面研究得出的很多力学以及冲压成形理论都无法适用，因此车身覆盖件的模具设计相当困难，所以针对变截面板的模具设计是一项关键技术。同时，TRB在深冲压时，必须有多道后续的热处理工序才能保证其最终成形的精确性。

　　TRB是连续变截面，不存在应力突变和焊缝，相对于TWB而言，TRB有更好的机械性能，由于不存在焊缝对成型后零件光洁度的影响，所以成型零件的表面质量较好，适合成型汽车的外覆盖件。此外，由于TRB的变截面是由制造过程中轧辊的运动形成的，而不像TWB需要拼接不同厚度的钢板，因此TRB的截面变形次数的增加对成本不会造成太大影响。

　　3.辊弯成形技术(Roll Forming)

　　辊弯成形(Roll Forming)，是通过顺序配置的多道次成型轧辊，把卷材、带材等金属板带不断地进行横向弯曲，以制成特定断面型材的一种板金属深加工工艺。大部分金属都可以通过辊弯工艺加工制造，如铝、铜、高强度钢等，轧辊模具成本低，模具使用寿命长，产品截面形状可以是开口和闭口的，并且通过合理的轧辊设计能制造出高尺寸精度和高表面光洁度的零部件。辊弯机组与其它如冲孔、开槽、焊接等工序易组合成生产线，容易实现自动化操作。

　　辊弯成形是一种先进适用的净成型技术，其在保证产品质量的同时能显著降低成本，广泛应用于汽车零部件的制造。车身结构中的前后保险杠、门梁、框轨、车顶弓型架、侧门防撞梁、车身的B柱及底盘构件等由辊弯成形工艺制造。

　　目前国际上新车型白车身的开发设计上，广泛采用了先进高强度钢板，其中有相当部分的结构件是经辊弯成形工艺加工制造的。辊弯成形、电磁成形与激光成形被共同列入了欧洲的ProForm计划中，该计划是针对汽车白车身的制造计划，期望通过上述工艺的综合运用，达到对白车身轻量化的目的(见图8)。

　　柔性辊弯成形是一种能够使产品截面在纵向发生变化的板金属成型技术。在柔性辊弯生产线中，每个道次的机架都是一个独立的单元，由计算机分别控制电动机，电动机按照计算机生成的程序驱动轧辊进行横向移动，通过改变轧辊的横向位置来改变型材的横截面形状。柔性辊弯成形工艺在传统辊弯成形工艺的基础上，通过计算机程序成型出截面更加合理的辊弯产品，这些产品具有优异的结构强度、刚度与稳定性。柔性辊弯成形工艺的应用，能有效地实现对汽车结构件的轻量化(见图9)。