汽车轻量化概述摘要汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。
实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。
若滚动阻力减少10％，燃油效率可提高3％；若车桥、变速器等装置的传动效率提高10％，燃油效率可提高7％。
汽车车身约占汽车总质量的30％，空载情况下，约70％的油耗用在车身质量上。
因此，车身变轻对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。
当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。
关键词：汽车轻量化材料结构优化有限元分析1.国内外轻量化研究现状早在上世纪初期，参与赛车运动的赛车就由赛车运动协会提出了重量上的限制，这也成为世界上最早的汽车轻量化事件。
这项规定也为汽车轻量化同后的快速发展提供了一个良好的开端。
自此，汽车零部件开始出现钢板冲压件，以替代以前经常使用的圆管材料，底盘及车架、车身等零件的制造往往采用这些钢板冲压件。
而且，更加轻量化的铸造件或冲压件也开始出现在悬架及底盘系统中的部分零件上。
上世纪中叶第二次世界大战后，为了克服战争带来的汽车用材料短缺的困难，德国大众公司开始将轻量化措施大量应用在汽车设计和制造上，更加值得一提的是，镁合金材料被第一次使用在“甲壳虫”车的发动机和变速箱壳体上，这一创举即使在今天的汽车业仍有着使用价值和历史意义。
但是，直到上世纪70年代以前，汽车轻量化技术并没有能够引起人们足够的重视，甚至在第二次世界大战后，当时人们为了追求汽车的“大而安全”，结果导致了汽车总重普遍都超过了l 500kg。
自上世纪70年代开始，随着全世界范围石油危机的爆发，也随着汽车设计、制造工艺技术及汽车材料技术的发展，人们才开始逐渐重视汽车轻量化技术的研究，并开始逐步应用在汽车产品上，汽车的总重才开始出现逐年减少的趋势。
据统计，美国中型汽车的平均整车总重量，从上世纪80年代初的大约1520kg逐步下降到90年代末的大约1230kg。
到上世纪末本世纪初期，百公里油耗仅仅3L的汽车开始出现在了汽车生产制造强国，而且汽车总重量都控制在800kg左右。
如德国大众在1998年推出的路波3L TDI，汽车总质量只有800kg。
奥迪公司推出的全铝轿车Audi A2，汽车总质量只有895-990kg。
商用车系列产品中，汽车轻量化技术也开始得到了大量的应用，比如意大利依维柯商用车，2004年其驾驶室的质量已降为960kg。
我国汽车轻量化技术发展起步虽然较晚，但是近年来，也取得了不少成果。
尤其是在国家“九五”和“十五”期间，一批被列为国家“863”、“973”高新技术项目和国家科技攻关重大项目的汽车新材料项目，大大促进了我国汽车轻量化技术的进步和发展。
“九五”期间，铸件生产成套工艺技术和铝合金材料技术的开发研究项目，开发出了多种可以使用在汽车上的铸造合金和高性能轴瓦材料；半固态成型、快速凝固成型等先进成型技术的研究与应用也取得了突破；耐热铝合金、铝基复合材料等新型汽车用材料的研究也取得了较大的进展。
铝合金铸造生产线也开始出现在一汽等几大汽车生产厂家；国内的大学及研究所也开始进行相关的研究，如湖南大学开始开展汽车大型铝合金结构件整体铸造成形技术和关键设备的研究；铝合金板材的成形性研究也在重庆汽车研究所、西南大学、东北大学和一汽开始开展。
“十五”期问，镁合金材料的应用与开发被列为我国材料领域的重点项目，国内的大型汽车生产厂家如一汽、东风及长安等建立了压铸镁合金生产线；重庆汽研所则在镁合金材料零件的性能测试、疲劳试验及计算机仿真等方面开展了大量的研究工作；国内高校如上海交大、湖南大学及重庆大学等就镁合金材料的强韧化、阻燃性和抗高温蠕变性等开展了较深入的研究。
与此同时，国内在汽车轻量化的零件结构形状优化设计等方面也取得了大的进步，改变了原来的单纯依靠经验进行零件轻量化设计开发，逐步发展到利用有限元技术等新的设计方一法上。
如湖南大学与上汽通用五菱合作开发的薄板冲压工艺与模具设计理论的课题，取得了较高的研究与应用成果，获得了国家科技进步一等奖；北航利用有限元技术和现代设计方法，对客车结构进行了优化设计与分析，实现了客车轻量化设计。
2.可用于汽车轻量化设计的金属材料2.1轻质合金材料福特汽车公司负责人在一次国际材料学会议上强调指出，2l世纪的汽车将发生巨大的变化，而材料技术是推动汽车技术进步的关键，如：铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等；以乘用车来说，1973年每辆车所使用的有色合金占全部用材的重量比为5.0％，1980年增至5.6％，而1997年则达到了9.6％。
有色合金在汽车上应用量的快速增长是汽车材料发展的大趋势。
铝合金：铝的密度约为钢的l/3，是应用最广泛的轻量化材料。
以美国生产的汽车产品为例，1976年每车用铝合金仅39kg，1982年达到62kg，而1998年则达到了100kg。
2.1.1铸造铝合金许多种元素都可以作为铸造铝合金的合金元素，但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li在大量生产中具有重要意义。
当然，在汽车上广泛应用的并不是上述简单的二元合金，而是多种元素同时添加以获得良好的综合性能。
汽车工业是铝铸件的主要市场，例如日本，铝铸件的76％、铝压铸件的77％为汽车铸件。
铝合金铸件主要应用于发动机气缸体、气缸盖、活塞、进气歧管、摇臂、发动机悬置支架、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件、把手及罩盖壳体类零件等。
图2.1 铸造铝合金2.1.2变形铝合金变形铝合金指铝合金板带材、挤压型材和锻造材，在汽车上主要用于车身面板、车身骨架、发动机散热器、空调冷凝器、蒸发器、车轮、装饰件和悬架系统零件等。
图2.2 变形铝合金2.1.3镁合金在汽车上的应用镁铸件在汽车七的应用大致分为两大类：一类是非结构铸件，这类镁铸件不需承受巨大的冲击；另一类是结构铸件，这类镁铸件需承受特定的载荷，且能满足一定的抗冲击要求。
应用镁铸件的汽车非结构件包括变速器、气阀/凸轮罩盖、离合器壳、电动机，发电机罩、进气歧管和油底壳等。
采用AM5和AM60合金镁压铸件的汽车结构件有方向盘、仪表盘、座椅框架、座椅、座椅升降器、制动器，离合器支架、转向柱部件和安全气囊座等。
随着材料及成型技术的进一步发展，镁合金的强度得到提高，应用范围将进一步扩大，镁合金在汽车上的应用正从内饰件转向发动机和外车身，镁合金将应用于缸体、缸盖、车顶篷、发动机罩盖和后行李箱盖板等零件。
镁合金在汽车卜的应用逐年增加，预计在今后的20年里，汽车上的镁用量将会超过100kg?车，是当前使用量的30倍。
欧洲正在使用和研制的镁合金汽车零部件有60多种，单车上的镁合金质量为9.3-20.3kg。
如仪表板骨架、转向盘、气缸体、气缸盖、进气歧管、轮毂、车身部件等。
北美正在使用和研制的镁合金汽车零部件有100多种，是世界上汽车用镁合金量最大的地区，单车上的镁合金质黄为5.8～26.3kg。
镁合金变速杆被很多日本汽车生产企业所采用。
日本采用镁合金座椅架的车种在不断增加，另外镁合金变速器壳体、仪表板、车门框也将在日本生产的汽车七得到广泛应用。
欧美的汽车用镁合金压铸件正在以年均25％的速度增加，汽车用镁量正在以年均20％的速度上升。
世界各大汽车公司都已经把采用镁合金零部件的多少作为衡量其汽车产品技术是否领先的标志。
镁合金和塑料、铝合金零件相比，除易于回收利用、是典型的绿色结构材料外，还具有突出的资源优势。
我国是一个镁资源大国，镁矿产品种类多、储量丰富，占世界可利用镁资源储苗的70％左右。
因此，在许多传统金属矿产日益枯竭和全球对技术革新、能源消耗、废气污染及噪声限制不断升级的今天，加速镁合金的研究、开发和产业化具有重要的现实意义。
图2.2 镁合金轮辋2.1.4钛合金钛合金在车身上的应用还未见报道。
1956年，通用汽车公司(GM)和其供货商装配了一种展览用的理想小汽车，其车体是全钛的。
自此，GM一直想在发动机中使用钛，包括排气气门和连杆。
汽车上用钛量最多的国家是美国与日本。
美国已生产出赛车用的钛制进排气气门、气门护圈和连杆等部件。
每年专用于汽车上的钛达50t。
日本早在20年前就把钛应用于赛车及一部分跑车，但在重视成本的一般小客车中尚未应用。
目前，钛及其合金可用于制造发动机配气系、曲轴连杆机构和底盘零件，如气门、气门弹簧、凸轮轴、连杆等。
此外，钛合金板材和管材还可用于消声器及车轮。
钛合金材料的应用范围已从赛车逐渐扩大到批量生产的轿车。
美国在其新一代汽车研究计划中指出，钛在汽车上的可能应用主要分布在发动机零件和底盘部件上，每辆汽车仅底盘部件的潜在用钛量就达9．9kg。
由于汽车用钛合金零部件的出色性能，发达国家的汽车用钛最持续增长。
1995年，全球汽车领域用钛量只有100t，2002年就超过了1000t。
随着材料技术的进步，钛合金材料的生产和加工成本将不断降低，有望在汽车领域得到更大的应用。
2007年，中国海绵钛和钛加工材料均呈翻番式增长，海绵钛的产量已居世界第一位，2009年我国海绵钛产量达到了61505.51吨，这是我国使用钛合金材料的有利条件。
图2.4 钛合金铣刀2.2、高强度金属材料钢铁材料在与有色合金和高分子材料的竞争中继续发挥其价格便宜、工艺成熟的优势，通过高强度化和有效的强化措施可充分发挥其强度潜力，以致迄今为止仍然是在汽车生产上使用最多的材料。
2.2.1高强度钢板一汽于上世纪90年代末，在国内率先应用冷轧高强度钢板生产商用车车身零件。
大量采用抗拉强度340MPa级烘烤硬化钢板、含磷钢板代替普通强度钢板生产商用车车身零件，使零件厚度减薄。
2000年开始，开发屈服强度500MPa级高强度大梁板，陆续在一汽新开发的中、重型商用车上应用；与传统材料16MnL相比，屈服强度提高43％，疲劳强度提高44％3冲压工艺条件不变，进行了车架优化设计，使车架减重300kg左右。
BH340烘烤硬化钢板共有23种零件，BIF340钢板共有18种零件，两种钢板每车用量228kg，单车降重约2 1kg。
高强度冷轧钢板BIF340、BH340在商用车车身上有41种零件得到应用，使高强度钢板占整车用冷轧钢板的用量由原来的8％提高到当前的57．6％；2006年开始，研究开发了屈服强度700MPa级超高强度钢板，用辊压成型技术制造商用车纵梁。
轿车自重的25％在车身，车身材料的轻量化举足轻重。
90％的车身钢板使用现已大量生产的高强度钢板，可以在不增加成本的前提下实现车身降重25％，且静态扭转刚度提高80％，静态弯曲刚度提高52％，第一车身结构模量提高58％，满足全部碰撞法规要求。