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隨著社會(huì)的快速發(fā)展，汽車保有量越來越多，給人們出行帶來方便快捷。目前，節(jié)能、環(huán)保、安全和智能都成為汽車發(fā)展的新動(dòng)向。與此同時(shí)，能源和環(huán)境是當(dāng)今世界面臨的兩大問題，兩者都與汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)，制造出“低能耗”、“低排放”甚至“零排放”的汽車是汽車行業(yè)及政府等部門都需要思考的問題。
在采用相同動(dòng)力系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的前提下，乘用車的整車質(zhì)量每減少10%，燃油消耗就可降低6%～8%。巴斯夫公司統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，汽車每減重100kg，每百公里油耗可降低0.3～0.6L、二氧化碳排放可減少5g/km。相較于汽車的動(dòng)力系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)改革，輕量化是降低能耗、減少排放的最為有效的措施之一。在《中國(guó)制造2025》中關(guān)于汽車發(fā)展的整體規(guī)劃中也強(qiáng)調(diào)了“輕量化仍然是重中之重”，“輕量化”已然成為國(guó)家的重要戰(zhàn)略，越來越多的研究機(jī)構(gòu)和汽車行業(yè)將其研究工作的重點(diǎn)放在汽車輕量化上。
汽車輕量化即在汽車保證其基本的使用性能要求、安全性要求和其成本控制要求的前提下，從結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面，應(yīng)用新設(shè)計(jì)、新材料、新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車整體的減重，以完成汽車向“低能耗”、“低排放”的轉(zhuǎn)變。
目前，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化主要有三種途徑：⑴結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使部件薄壁化、中空化、小型化或復(fù)合化；⑵新材料的使用，如高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂合金及一些非金屬材料的使用；⑶工藝的改進(jìn)，主要包括成形技術(shù)和連接技術(shù)。
從車身結(jié)構(gòu)方面實(shí)現(xiàn)輕量化，主要有整體車身的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、尺寸形狀再優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化為基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)函數(shù)的宏觀優(yōu)化，尺寸形狀再優(yōu)化和材料布局優(yōu)化則為局部的調(diào)整細(xì)化。
拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是在給定的空間范圍內(nèi)，通過不停地迭代，重新規(guī)劃材料的分布和連接方式，將車身整體中的冗余部分去掉，使部分零部件薄壁化、中空化，完成宏觀層面的拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化是數(shù)學(xué)運(yùn)算方法和有限元分析的有效結(jié)合。
尺寸形狀優(yōu)化是在確定了車身結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料分布的前提下展開的，主要對(duì)各個(gè)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫截面積、幾何尺寸以及節(jié)點(diǎn)位置尋求最優(yōu)解，在達(dá)到保證基本剛度要求的前提下車身重量最小。尺寸優(yōu)化是建立在數(shù)學(xué)模型之上得到的最優(yōu)解，可作為拓?fù)鋬?yōu)化的進(jìn)一步完善和提高。
輕質(zhì)新材料的應(yīng)用是汽車實(shí)現(xiàn)輕量化的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)輕量化，世界各大汽車生產(chǎn)商和材料生產(chǎn)廠家一直致力于輕量化材料的研發(fā)，輕量化材料應(yīng)用的多少已經(jīng)成為衡量汽車生產(chǎn)技術(shù)和新材料開發(fā)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。目前用于汽車輕量化的新材料主要分為金屬材料和非金屬材料。
金屬材料主要是高強(qiáng)度鋼和輕質(zhì)合金。使用高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金，車體重量可分別減輕15%～25%、40%～50%和55%～60%。目前，高強(qiáng)度鋼主要被應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件、安全件、前后保險(xiǎn)杠等部位；鋁合金主要應(yīng)用在車身結(jié)構(gòu)材料的替換上；鎂合金主要應(yīng)用在零部件上，其中包括殼體類與支架類零部件。
高強(qiáng)度鋼具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、成本低等特點(diǎn)，有助于汽車的輕量化，而且能夠提高安全性。所以，汽車用高強(qiáng)度鋼已成為頗具競(jìng)爭(zhēng)性的輕量化材料。就目前的工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r來看，車輛的主要部分如懸架、底盤和車身結(jié)構(gòu)需要高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用較多。這些部位的高強(qiáng)度鋼，大多是在原有材料的基礎(chǔ)上，添加不同成分的合金，從而提高了合金鋼的強(qiáng)度和韌性。
鋁及鋁合金是目前應(yīng)用較為成熟的輕量化金屬材料，其優(yōu)勢(shì)為低密度、高輕度、高彈性、高抗沖擊性能、易著色等。在當(dāng)前汽車制造中，已大量的使用在汽車輪轂、動(dòng)力系統(tǒng)及懸架系統(tǒng)等零部件中，近年來奧迪、捷豹路虎、福特等都使用了全鋁式的車身結(jié)構(gòu)，鋁合金已經(jīng)成為了一種比較理想的輕量化材料，未來隨著成形技術(shù)和連接技術(shù)的發(fā)展，鋁合金的使用會(huì)越來越廣泛。
鎂及鎂合金具有密度低、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度優(yōu)于鋁合金和鋼等優(yōu)勢(shì)，但由于其高溫疲勞性能較差和抗蠕變能力弱，限制了其在汽車上的應(yīng)用，目前主要應(yīng)用在殼體類和支架類零件上，如儀表盤、變速箱體、轉(zhuǎn)向支架、剎車支架等。我國(guó)鎂含量?jī)?chǔ)備大，但是從鎂合金的生產(chǎn)、成形等方面都需要加大研究投入，將其轉(zhuǎn)化為我國(guó)的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。
圖1 奧迪A8全鋁車身
隨著汽車輕量化進(jìn)程的飛速發(fā)展，非金屬制品的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，其中使用最為廣泛的是塑料制品，碳纖維作為新型材料也逐步進(jìn)入了汽車產(chǎn)業(yè)中。
塑料的應(yīng)用已經(jīng)從內(nèi)飾擴(kuò)展到零件和構(gòu)件上，“以塑代鋼”已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。國(guó)外很多汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)將塑料制品的用量作為衡量汽車發(fā)展的重要指標(biāo)。
碳纖維復(fù)合材料是目前最主要的車用復(fù)合材料，具有密度小、耐腐蝕、比強(qiáng)度和比剛度高等特點(diǎn)，主要應(yīng)用在汽車的結(jié)構(gòu)件上，如汽車車身、底盤等，能在保證強(qiáng)度和剛度的前提下，大量減輕汽車重量。但碳纖維的生產(chǎn)成本高是制約其在汽車工業(yè)應(yīng)用和推廣的一個(gè)主要原因。目前，碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用于一些小批量生產(chǎn)的高檔轎車和賽車中。
為了實(shí)現(xiàn)全面減重的目的，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和新材料使用的情況下，仍需要研究開發(fā)更先進(jìn)的生產(chǎn)制造工藝，以滿足新結(jié)構(gòu)和新材料的需求。輕量化工藝主要是新材料的零部件在生產(chǎn)過程中的連接技術(shù)和成形技術(shù)。當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的有板材鎖鉚連接、粉末注射成形和內(nèi)高壓成形等。
傳統(tǒng)的板材連接方式如點(diǎn)焊，表面前處理過程復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高、生產(chǎn)效率較低，無法滿足輕量化車身對(duì)板材連接的要求。而鎖鉚連接技術(shù)在連接輕質(zhì)材料如鋁合金、鎂合金等材料上具有很大優(yōu)勢(shì)，在連接異種材質(zhì)或表面有鍍層的板料時(shí)，其優(yōu)勢(shì)更加顯著。鎖鉚連接在連接前無需預(yù)沖孔、工藝步驟簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高，在輕量化車身制造上具有廣闊的發(fā)展前景，在汽車車身連接中占據(jù)很重要的地位。
鎖鉚連接是將鉚釘在外力的作用下，穿透第一層材料，并在底層材料中進(jìn)行流動(dòng)和延展形成一個(gè)互相鑲嵌的塑性變形過程，具有較高的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。目前鎖鉚連接技術(shù)在汽車行業(yè)的發(fā)展主要受限于汽車行業(yè)用的相關(guān)鎖鉚連接設(shè)備的發(fā)展水平較低。
粉末注射成形是傳統(tǒng)粉末冶金工藝與現(xiàn)代塑料注射成形工藝相結(jié)合的一項(xiàng)新型近凈成形技術(shù)。其可以得到致密度高、力學(xué)性能良好、表面粗糙度小的零件；同時(shí)能夠大量制備具有高性能的復(fù)雜形狀零件；生產(chǎn)效率較高，可以有效地降低成本，加速汽車輕量化發(fā)展的步伐，具有巨大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。目前已被大量應(yīng)用在汽車輕量化上，主要包括汽車動(dòng)力傳輸零件、渦輪增壓器、燃油噴油器、安全氣囊傳感器嵌入件、壓力傳感器、電動(dòng)門鎖組合零件等。
圖2 鎖鉚連接的工藝過程
圖3 粉末注射成形工藝流程
內(nèi)高壓成形又稱充液成形、液壓成形，是始于20世紀(jì)初的一種軟模成形技術(shù)。該工藝尤其適用于形狀復(fù)雜、尺寸多變、外觀質(zhì)量要求高、批量不大的大型板材零件的生產(chǎn)，使復(fù)雜形狀板材零件的生產(chǎn)簡(jiǎn)單化、柔性化，實(shí)現(xiàn)零件的快速制造，并且大幅度降低模具費(fèi)用。
根據(jù)原材料形狀的不同可分成兩類，即板材和管材。板材液壓成形主要是車身的覆蓋件；管材液壓成形主要應(yīng)用于汽車復(fù)雜異形截面的管件零件，如曲軸、凸輪軸、排氣管道、支架梁等。
日本豐田在20世紀(jì)90年代初已建立了2條以3000t設(shè)備為核心的充液拉深生產(chǎn)線，專門生產(chǎn)高檔車的翼子板，并進(jìn)行模具開發(fā)；Amino2002年成立北美分公司，并建立了以3000t設(shè)備為核心的充液拉深成形生產(chǎn)線，專門研制開發(fā)鋁合金車身覆蓋件充液拉深成形技術(shù)及模具，以減少零件連接數(shù)量，滿足多品種、小批量、個(gè)性化車型對(duì)整體覆蓋件成形的需求，提升汽車品質(zhì)；德國(guó)Schuler公司除了生產(chǎn)充液拉深設(shè)備外，還給主機(jī)廠和零部件廠提供批量生產(chǎn)用模具。而我國(guó)目前轎車車身鋁合金充液拉深零件模具開發(fā)還處于空白，這成為牽制鋁合金在汽車工業(yè)應(yīng)用的另一關(guān)鍵因素。
圖4 內(nèi)高壓板材成形示例
汽車工業(yè)作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，其發(fā)展勢(shì)頭不容小覷，面臨當(dāng)前世界能源和環(huán)境的危機(jī)，汽車輕量化已然成為汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路?，F(xiàn)階段我國(guó)輕量化技術(shù)的應(yīng)用與國(guó)際先進(jìn)水平尚有差距，輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新材料的使用以及新工藝的研發(fā)，三者之間息息相關(guān)，互相制約，綜合平衡發(fā)展才能促進(jìn)整個(gè)輕量化的進(jìn)展。
