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[摘 要]随着经济的高速发展，汽车已经广泛普及到人们的生活中。汽车保有量的不断提高，让人们深刻认识到庞大的汽车保有量方便了人类出行的同时也产生了巨大的污染，环境问题日益突出，资源消耗局势也十分严峻。而汽车轻量化通过采用新型技术和新型材料减少汽车的质量，是降低汽车排放量、保护环境的一条可行措施。本文论述了汽车的基本结构以及汽车工业发展史上各阶段的特点，阐述了汽车轻量化的必要性和发展，以及汽车轻量化与汽车性能、节能环保、安全性和操纵性的关系。介绍了汽车轻量化的相关技术，并且对汽车轻量化的未来趋势进行分析和展望。
[关键词]汽车；轻量化；轻量材料
中图分类号：U465 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）15-0397-02
1.汽车及其结构
汽车是我们熟悉的交通工具，不管是长途还是短途，汽车在人们的出行中都扮演着重要的角色。汽车通常由发动机、底盘、车身和电气设备等组成。作为汽车动力装置的发动机，其作用是使供入的燃料燃烧而产生动力，一般采用往复活塞式内燃机，可以说发动机是汽车最主要的装置之一。底盘作为传动装置将发动机输出的动力传给驱动车轮的装置，它包括变速器、离合器、差速器等部件。汽车的全身上下一共有几万个零件，各个系统相互配合，缺一不可，每个结构的设计都必须十分严谨。
2.汽车轻量化的必要性
2.1 汽车轻量化设计的必要性
（1）汽车轻量化是节能的需求。汽车是石油消耗的大户，国际能源机构的统计数据表明，2001年全球57%的石油消费在交通领域。美国能源部预计，2020年以后，全球石油需求与常规石油供给之间将出现净缺口。数据显示，全球石油储量仅够在用约50年，石油资源短缺已成为全球问题。目前中国已成为世界第三大汽车生产国，机动车产量、销售量和保有量的增长都十分迅速。因此，汽车资源消耗量大，汽车排放污染已经严重影響到我国的环境，制约了经济的可持续发展。而采用轻量化结构的汽车能在汽车载荷不变的条件下，显著降低汽车燃油消耗，从而大大减少能源消耗、减少排放，对于建设环境友好型社会有着巨大的意义。
（2）汽车轻量化是性能的需求。汽车是现代交通运输的重要交通工具之一，人们对汽车的发展和制造要求越来越高，主要反映为洁净化、安全化、轻量化、舒适化、信息化五大方面。汽车行驶的阻力由4部分组成：滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力、空气阻力，而除空气阻力外，其它形式的阻力都与汽车的质量成正比，由此看来，汽车轻量化是节能的一项有效措施。通过轻量化设计，汽车在安全和性能的表现丝毫不输给普通汽车。前人的研究也表明，汽车轻量化设计后，汽车的性能基本上没有任何改变（如图2所示），安全性也可以得到有效的保障。
2.2 汽车轻量化的现状
国内外很多学者对关于减轻汽车自身质量与减少燃油消耗之间的关系做了相应的研究，有确切的证据可以表明减少整车质量可提高汽车节能性和环保性、降低燃油消耗和排放量。汽车保有量越来越高的中国，资源消耗和环境污染程度不断提高，可持续发展战略受到牵制，对中国的发展来说，无疑是一大阻碍。汽车排放的污染物成了雾霾的主要来源。减少汽车污染物排放是控制雾霾的有效措施。轻量化设计后的汽车每公里耗油量减少，污染物的排放也随之减少。庞大的汽车数量群给交通出行带来巨大压力，交通堵塞和不文明的交通行为也滋生了噪音污染。而汽车轻量化能在结构上缩小汽车尺寸，使汽车更灵活，也使道路的容纳量有所提高，一定程度上减少了噪音污染。我国国产汽车与发达国家产出的汽车相比，平均油耗高出15%～20%。载货汽车的质量利用率则低11%～20%，这与我国的道路条件差，零部件加工精度低以及其他因素有关，当然也受汽车自身的设计及使用的材料影响。总的来说，我国汽车的轻量化研发还在初级阶段，基础不够扎实，技术提升较慢，轻量材料以及汽车轻量化方面的意识也不够到位，但是这也表明汽车轻量化在我国具有巨大的发展空间。
3.汽车轻量化的相关技术
3.1 结构优化
结构优化一般包括尺寸优化和形状优化，在设计层面上起到了关键性的作用。
（1）尺寸优化。尺寸优化就是根据质量、强度等优化目标对板壳厚度、梁截面以及平面惯性距等尺寸进行优化，以使应力分布均匀化对汽车整体结构进行分析、研究和优化，对汽车零部件精简化、整体化、集成化。在汽车轻量化的同时还需要考虑汽车车身各个节点的最佳刚度以及汽车的耐撞性等问题。利用CAD、CAE等结构解析技术，在保证汽车功能完整，性能不受影响的前提下，消除无用材料，减薄零部件壁厚，精简数量，结构整体化、合理化。
（2）形状优化。形状优化法能够减小零件质量，增加零件寿命。它的基础是模拟一种凭借经验确定的生物学增长规律，用有限元法研究生物增长载体的力学特征。它启发设计师借助形状的变异使应力分布均匀化，这种方法既能减小零件质量，又能避免局部应力高峰。如图3所示。
3.2 革新工艺
通过优化汽车生产制造工艺，可以有效地减少汽车及其零部件的质量。
（1）冲压技术。板材冲压成型中，汽车覆盖件是最复杂的冲压件，通常需要经过成型、切边、翻边等几道甚至十几道工序才能形成。其对尺寸精度的要求也很高，通常采用以下方法来提高精度：1、采用屈服极限低，弹性模量和塑型模量大、硬化指数值高的材料。2、通过修正拉深筋、凹模圆角等措施增加压料面作用力，使凹模内部的毛坯受到较大的附加拉力，产生较大的塑性形变，已改善不均匀分布的情况。3、通过加大压边力、减轻润滑效果等措施增加对凹模内毛坯的附加拉力。
（2）激光拼焊板技术。激光拼焊技术一般采用专用的平焊钢板，主要有普通拼焊板（TB）、工程拼焊板（TEB）和补片型拼焊板三种。普通拼焊板以线性拼焊为主，利用材料性能和厚度，使零部件结构和防撞性能达到最佳。工程拼焊板主要为非线性焊缝，形状可自由变化，能使零件质量、强度、撞击性能及材料利用达到最佳。补片型焊板是通过电阻点焊将所需形状的补片固定在母板上。自由组合的激光拼焊板具有几个特点：减少零件数量，减少结构件质量，提高结构件质量和可靠性。车体采用激光焊接技术后，简化了冲压工艺，减少了模具数量和模具费用，增加了局部强度，实现了轻量化。 （3）液压成型技术。液压成型是指采用液态的水、油作为传力介质，替代刚性的模具。液压成型在加工方面能克服常规工艺不足，有制模简单、周期短、成本低和产品质量好、形状和尺寸精度高等特点。与传统工业相比优势在于：获得较大的拉深力、较低的模具成本、形状和尺寸精度高、耐冲性能高、表面精度提高。
3.3 材料优化
材料优化是减少汽车质量的最直接方式，在材料优化中一般应用铝合金、高强度钢和复合材料较多。
（1）铝合金。银白色的金属铝，不论是固态或是熔融状态，其密度都随纯度提高而降低。铝的机械性能与其纯度有较大关系，纯铝软、强度低，但铝的合金不但在某种程度上保持铝固有的特点，而且显著提高了它的硬度和强度，使它几乎可以与软钢甚至结构钢媲美。同时，铝的表面有一层致密的氧化膜，拥有很好的抗腐蚀性。20世纪70年代，铝合金被用于汽车的发动机罩、行李箱盖、汽车挡泥板和车门等部件使汽车轻量化，降低油耗，对车身承载性影响并不大。车的各个覆盖件相互连接在一起，与传统的车身骨架上覆上覆盖件的组装方式不同。多样化的装配方式，实现了全铝车身覆盖的设计制造。
铝合金拥有较高的比强度、很好的挤压性，它的使用降低了材料的消耗以及构件的质量，从而降低成本，提升经济效益。目前，每台车的铝合金平均用量为121千克，约占整车质量的10%，而“铝密集型汽车”中铝合金比例更高，可达37%。
（2）高强度钢。高强度钢是为了达到车身轻量化目的而开发的一种新型钢材，即屈服强度大于210MPa的钢。20世纪70年代，相继开发出固溶强化钢、析出强化钢、复合组合强化钢等，多以提高强度为主。20世纪80年代，为实现轻量化开发出以组织控制为特点的高强度钢。钢板的高强化度和表面处理也得到了进一步发展。
高强度钢相对于其他轻量材料来说技术更成熟、成本更低廉。是汽车的主要材料，并保持相对稳定的主导地位。它在抗碰撞性能、耐腐蚀性能和成本方面有较大优势，在轿车用钢中所占比例已达到60%。与其他轻量材料相比有以下优点：1、价格低，经济性好。2、性能优越，能保证大零件的刚性。3、可适用现代汽车生产线，节约设备投资。
（3）复合材料。复合材料是指将两种或两种以上物理性质和化学性质不同的物质结合起来而制得的一种多相固体材料。复合材料是二战后发达国家首先发展起来的高科技技术，后来在造船、石油化工、以及汽车业等方面广泛应用。化学工业的发展推动了复合材料汽车的发展，许多化学公司每年推出上百种高性能的材料，使复合材料的抗压、抗拉、抗弯曲、抗振动以及冷、热、固、液状态的加工处理和电镀等工艺达到理想状态。
复合材料因投资少、见效快、生产周期短等特点而迅猛发展。拥有防锈、隔热、隔声、密度小等许多金属材料无法比拟的优点，可适应超高温、超低温、真空等条件下的震动、减压、热胀冷缩等工作環境，其维修也较为简单，通常在汽车内饰中采用。
4.汽车轻量化的未来展望
汽车轻量化凭借更适合现代化生活、更环保、更安全的发展理念；更小、更轻、更强、更节能的发展趋势，不光在汽车工业，在其他行业也是最佳的设计理念。不过，汽车轻量化的技术也存在难点：车身结构开发设计与分析未能做到并行；结构拓扑优化理论快速发展，但真正用于实际则相对较少；车身结构建模方面现有的分析基本上基于部分参数化的车身结构模型。但相信在科技的发展，工艺的提升，坚持不懈的工作态度及创新精神下，汽车轻量化的未来将是美好的蓝图，轻量化的设计不仅仅局限于汽车领域，火车、飞机的设计同样可以探索轻量化的潜力，其他领域的设计同样可以借鉴轻量化设计的灵感，将轻量化带入未来生活的各个角落。
参考文献
[1] 范子杰，桂良进，苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报，2014（01）：45-49.
[2] 叶志伟，伍丽娜.分析专用汽车新能源与轻量化技术趋势[J].中国战略新兴产业，2017（24）：56-57.
[3] 王明喜.汽车轻量化技术应用分析[J].黑龙江科技信息，2017（13）：126-129.
[4] 李悦.汽车用高强度钢的发展[J].汽车工艺与材料，2012（09）：65-67.
[关键词]汽车；轻量化；轻量材料
中图分类号：U465 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）15-0397-02
1.汽车及其结构
汽车是我们熟悉的交通工具，不管是长途还是短途，汽车在人们的出行中都扮演着重要的角色。汽车通常由发动机、底盘、车身和电气设备等组成。作为汽车动力装置的发动机，其作用是使供入的燃料燃烧而产生动力，一般采用往复活塞式内燃机，可以说发动机是汽车最主要的装置之一。底盘作为传动装置将发动机输出的动力传给驱动车轮的装置，它包括变速器、离合器、差速器等部件。汽车的全身上下一共有几万个零件，各个系统相互配合，缺一不可，每个结构的设计都必须十分严谨。
2.汽车轻量化的必要性
2.1 汽车轻量化设计的必要性
（1）汽车轻量化是节能的需求。汽车是石油消耗的大户，国际能源机构的统计数据表明，2001年全球57%的石油消费在交通领域。美国能源部预计，2020年以后，全球石油需求与常规石油供给之间将出现净缺口。数据显示，全球石油储量仅够在用约50年，石油资源短缺已成为全球问题。目前中国已成为世界第三大汽车生产国，机动车产量、销售量和保有量的增长都十分迅速。因此，汽车资源消耗量大，汽车排放污染已经严重影響到我国的环境，制约了经济的可持续发展。而采用轻量化结构的汽车能在汽车载荷不变的条件下，显著降低汽车燃油消耗，从而大大减少能源消耗、减少排放，对于建设环境友好型社会有着巨大的意义。
（2）汽车轻量化是性能的需求。汽车是现代交通运输的重要交通工具之一，人们对汽车的发展和制造要求越来越高，主要反映为洁净化、安全化、轻量化、舒适化、信息化五大方面。汽车行驶的阻力由4部分组成：滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力、空气阻力，而除空气阻力外，其它形式的阻力都与汽车的质量成正比，由此看来，汽车轻量化是节能的一项有效措施。通过轻量化设计，汽车在安全和性能的表现丝毫不输给普通汽车。前人的研究也表明，汽车轻量化设计后，汽车的性能基本上没有任何改变（如图2所示），安全性也可以得到有效的保障。
2.2 汽车轻量化的现状
国内外很多学者对关于减轻汽车自身质量与减少燃油消耗之间的关系做了相应的研究，有确切的证据可以表明减少整车质量可提高汽车节能性和环保性、降低燃油消耗和排放量。汽车保有量越来越高的中国，资源消耗和环境污染程度不断提高，可持续发展战略受到牵制，对中国的发展来说，无疑是一大阻碍。汽车排放的污染物成了雾霾的主要来源。减少汽车污染物排放是控制雾霾的有效措施。轻量化设计后的汽车每公里耗油量减少，污染物的排放也随之减少。庞大的汽车数量群给交通出行带来巨大压力，交通堵塞和不文明的交通行为也滋生了噪音污染。而汽车轻量化能在结构上缩小汽车尺寸，使汽车更灵活，也使道路的容纳量有所提高，一定程度上减少了噪音污染。我国国产汽车与发达国家产出的汽车相比，平均油耗高出15%～20%。载货汽车的质量利用率则低11%～20%，这与我国的道路条件差，零部件加工精度低以及其他因素有关，当然也受汽车自身的设计及使用的材料影响。总的来说，我国汽车的轻量化研发还在初级阶段，基础不够扎实，技术提升较慢，轻量材料以及汽车轻量化方面的意识也不够到位，但是这也表明汽车轻量化在我国具有巨大的发展空间。
3.汽车轻量化的相关技术
3.1 结构优化
结构优化一般包括尺寸优化和形状优化，在设计层面上起到了关键性的作用。
（1）尺寸优化。尺寸优化就是根据质量、强度等优化目标对板壳厚度、梁截面以及平面惯性距等尺寸进行优化，以使应力分布均匀化对汽车整体结构进行分析、研究和优化，对汽车零部件精简化、整体化、集成化。在汽车轻量化的同时还需要考虑汽车车身各个节点的最佳刚度以及汽车的耐撞性等问题。利用CAD、CAE等结构解析技术，在保证汽车功能完整，性能不受影响的前提下，消除无用材料，减薄零部件壁厚，精简数量，结构整体化、合理化。
（2）形状优化。形状优化法能够减小零件质量，增加零件寿命。它的基础是模拟一种凭借经验确定的生物学增长规律，用有限元法研究生物增长载体的力学特征。它启发设计师借助形状的变异使应力分布均匀化，这种方法既能减小零件质量，又能避免局部应力高峰。如图3所示。
3.2 革新工艺
通过优化汽车生产制造工艺，可以有效地减少汽车及其零部件的质量。
（1）冲压技术。板材冲压成型中，汽车覆盖件是最复杂的冲压件，通常需要经过成型、切边、翻边等几道甚至十几道工序才能形成。其对尺寸精度的要求也很高，通常采用以下方法来提高精度：1、采用屈服极限低，弹性模量和塑型模量大、硬化指数值高的材料。2、通过修正拉深筋、凹模圆角等措施增加压料面作用力，使凹模内部的毛坯受到较大的附加拉力，产生较大的塑性形变，已改善不均匀分布的情况。3、通过加大压边力、减轻润滑效果等措施增加对凹模内毛坯的附加拉力。
（2）激光拼焊板技术。激光拼焊技术一般采用专用的平焊钢板，主要有普通拼焊板（TB）、工程拼焊板（TEB）和补片型拼焊板三种。普通拼焊板以线性拼焊为主，利用材料性能和厚度，使零部件结构和防撞性能达到最佳。工程拼焊板主要为非线性焊缝，形状可自由变化，能使零件质量、强度、撞击性能及材料利用达到最佳。补片型焊板是通过电阻点焊将所需形状的补片固定在母板上。自由组合的激光拼焊板具有几个特点：减少零件数量，减少结构件质量，提高结构件质量和可靠性。车体采用激光焊接技术后，简化了冲压工艺，减少了模具数量和模具费用，增加了局部强度，实现了轻量化。 （3）液压成型技术。液压成型是指采用液态的水、油作为传力介质，替代刚性的模具。液压成型在加工方面能克服常规工艺不足，有制模简单、周期短、成本低和产品质量好、形状和尺寸精度高等特点。与传统工业相比优势在于：获得较大的拉深力、较低的模具成本、形状和尺寸精度高、耐冲性能高、表面精度提高。
3.3 材料优化
材料优化是减少汽车质量的最直接方式，在材料优化中一般应用铝合金、高强度钢和复合材料较多。
（1）铝合金。银白色的金属铝，不论是固态或是熔融状态，其密度都随纯度提高而降低。铝的机械性能与其纯度有较大关系，纯铝软、强度低，但铝的合金不但在某种程度上保持铝固有的特点，而且显著提高了它的硬度和强度，使它几乎可以与软钢甚至结构钢媲美。同时，铝的表面有一层致密的氧化膜，拥有很好的抗腐蚀性。20世纪70年代，铝合金被用于汽车的发动机罩、行李箱盖、汽车挡泥板和车门等部件使汽车轻量化，降低油耗，对车身承载性影响并不大。车的各个覆盖件相互连接在一起，与传统的车身骨架上覆上覆盖件的组装方式不同。多样化的装配方式，实现了全铝车身覆盖的设计制造。
铝合金拥有较高的比强度、很好的挤压性，它的使用降低了材料的消耗以及构件的质量，从而降低成本，提升经济效益。目前，每台车的铝合金平均用量为121千克，约占整车质量的10%，而“铝密集型汽车”中铝合金比例更高，可达37%。
（2）高强度钢。高强度钢是为了达到车身轻量化目的而开发的一种新型钢材，即屈服强度大于210MPa的钢。20世纪70年代，相继开发出固溶强化钢、析出强化钢、复合组合强化钢等，多以提高强度为主。20世纪80年代，为实现轻量化开发出以组织控制为特点的高强度钢。钢板的高强化度和表面处理也得到了进一步发展。
高强度钢相对于其他轻量材料来说技术更成熟、成本更低廉。是汽车的主要材料，并保持相对稳定的主导地位。它在抗碰撞性能、耐腐蚀性能和成本方面有较大优势，在轿车用钢中所占比例已达到60%。与其他轻量材料相比有以下优点：1、价格低，经济性好。2、性能优越，能保证大零件的刚性。3、可适用现代汽车生产线，节约设备投资。
（3）复合材料。复合材料是指将两种或两种以上物理性质和化学性质不同的物质结合起来而制得的一种多相固体材料。复合材料是二战后发达国家首先发展起来的高科技技术，后来在造船、石油化工、以及汽车业等方面广泛应用。化学工业的发展推动了复合材料汽车的发展，许多化学公司每年推出上百种高性能的材料，使复合材料的抗压、抗拉、抗弯曲、抗振动以及冷、热、固、液状态的加工处理和电镀等工艺达到理想状态。
复合材料因投资少、见效快、生产周期短等特点而迅猛发展。拥有防锈、隔热、隔声、密度小等许多金属材料无法比拟的优点，可适应超高温、超低温、真空等条件下的震动、减压、热胀冷缩等工作環境，其维修也较为简单，通常在汽车内饰中采用。
4.汽车轻量化的未来展望
汽车轻量化凭借更适合现代化生活、更环保、更安全的发展理念；更小、更轻、更强、更节能的发展趋势，不光在汽车工业，在其他行业也是最佳的设计理念。不过，汽车轻量化的技术也存在难点：车身结构开发设计与分析未能做到并行；结构拓扑优化理论快速发展，但真正用于实际则相对较少；车身结构建模方面现有的分析基本上基于部分参数化的车身结构模型。但相信在科技的发展，工艺的提升，坚持不懈的工作态度及创新精神下，汽车轻量化的未来将是美好的蓝图，轻量化的设计不仅仅局限于汽车领域，火车、飞机的设计同样可以探索轻量化的潜力，其他领域的设计同样可以借鉴轻量化设计的灵感，将轻量化带入未来生活的各个角落。
参考文献
[1] 范子杰，桂良进，苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报，2014（01）：45-49.
[2] 叶志伟，伍丽娜.分析专用汽车新能源与轻量化技术趋势[J].中国战略新兴产业，2017（24）：56-57.
[3] 王明喜.汽车轻量化技术应用分析[J].黑龙江科技信息，2017（13）：126-129.
[4] 李悦.汽车用高强度钢的发展[J].汽车工艺与材料，2012（09）：65-67.