汽車底盤輕量化技術引言輕量化這一概念最先起源于賽車運動，它的優(yōu)勢其實不難理解，重量輕了，可以帶來更好的操控性，發(fā)動機輸出的動力能夠產生更高的加速度。由于車輛輕，起步時加速性能更好，剎車時的制動距離更短。隨著“節(jié)能環(huán)保”越來越成為了廣泛關注的話題，輕量化也廣泛應用到普通汽車領域，在提高操控性的同時還能有出色的節(jié)油表現(xiàn)。汽車的油耗主要取決于發(fā)動機的排量和汽車的總質量，在保持汽車整體品質、性能和造價不變甚至優(yōu)化的前提下，降低汽車自身重量可以提高輸出功率、降低噪聲、提升操控性、可靠性，提高車速、降低油耗、減少廢氣排放量、提升安全性。有研究數(shù)字顯示，若汽車整車重量降低10，燃油效率可提高6-8；若滾動阻力減少10，燃油效率可提高3；若車橋、變速器等裝置的傳動效率提高10，燃油效率可提高7。汽車車身約占汽車總質量的30，空載情況下，約70的油耗用在車身質量上。因此，車身變輕對于整車的燃油經濟性、車輛控制穩(wěn)定性、碰撞安全性都大有裨益。國內外對于車身的輕量化研究比較多，而對于底盤輕量化研究比較少。隨著各國對汽車燃油消耗限值日趨嚴格，我們也應該加大對底盤輕量化的研究以達到整車最大的輕量化。1. 輕量化研究現(xiàn)狀輕量化技術是一門跨學科的集成，其集成了材料，設計，制造工藝及仿真分析等高端技術。目前國內外汽車輕量化的主要途徑如下所述。（1）采用輕質材料。如鋁，鎂，陶瓷，塑料，玻璃纖維或碳纖維復合材料。21世紀的汽車將發(fā)生巨大的變化，而材料是推動汽車技術進步的關鍵，輕量化是今后汽車發(fā)展的關鍵。雖然通過優(yōu)化結構設計可以達到減重的目的，但是要大幅度的降低汽車重量，則需要大量的采用低密度材料。國外很多汽車公司已經盡可能多的采用鋁合金材料以達到減重的目的。如奔馳S級轎車前蓋板、前圍板、副車架、后橋、氣缸、擺臂等都用到了鋁合金。目前鎂合金一般用于離合器的殼體、車架、方向盤和轉向器、輪轂等。塑料在汽車的用量也不斷增加，發(fā)達國家車用塑料已占塑料總消耗量的10%-11%。目前塑料主要用在汽車內外飾件上，未來可以向車身覆蓋件發(fā)展。（2）采用現(xiàn)代設計方法進行結構設計。如用有限元分析，參數(shù)優(yōu)化，拓撲優(yōu)化等。由于計算機技術的飛速發(fā)展。有關理論與軟件的不斷發(fā)展進步使得計算機輔助分析如虎添翼，CAE在汽車工業(yè)起的作用越來越大。改變了過去傳統(tǒng)按經驗設計的模式。如圖1所示它不僅使汽車開發(fā)周期縮短，研發(fā)投入大大減少，而且開發(fā)的產品更為優(yōu)秀可靠。設計測試制造過去： 改進虛擬測試（CAE）制造測試設計（CAD）現(xiàn)狀：改進改進 圖1（3）汽車輕量化材料沖壓理論與工藝技術。加強高強度、輕量化先進材料在汽車制造領域的應用基礎研究。通過開展基于CAE的沖壓工藝設計和優(yōu)化方法研究，提出輕量化材料沖壓回彈預測與補償、起皺和拉裂預測與消除、毛坯反求與優(yōu)化的新工藝、新理論與方法。從機理上研究復雜零件沖壓中不同材料流動不均勻的產生原因和影響因素，開展多種形式的材料流動阻力控制方法及相應工藝理論和設計技術的研究。研發(fā)具有原創(chuàng)性和實用性的高強度鋼沖壓技術、汽車結構件的超高強度鋼成型技術、應用于復雜汽車零件的液壓成型技術和激光拼焊技術等。（4）汽車輕量化激光加工技術與裝備研究。激光加工技術是實現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑之一。系統(tǒng)進行激光與材料相互作用機理、激光加工過程無損檢測和控制等基礎理論研究，建立激光加工工藝方法和工藝參數(shù)的優(yōu)化數(shù)據(jù)庫；研究不同材料的激光切割方式，開展激光切割、焊接、精細燒蝕、直接快速成型、激光涂敷、激光輔助切削加工等理論的研究，開發(fā)激光三維切割工藝技術，建立工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)；研究激光深熔焊接理論，開發(fā)激光三維焊接技術與裝備；研究不同板厚、不同汽車材料，尤其是輕量化材料的激光加工拼焊技術與裝備。（5）采用高強度材料。強度大說明材料在靜力作用下不容易變形，也不容易斷裂（裂開）；多數(shù)情況下硬度、耐磨性也比較好。目前國外在輕量化方面用高強度材料已經成為了一種主流。在家用轎車零部件中使用高強鋼，則其重量比目前所用的鋼輕27%，但其強度仍然一樣。通過綜合利用現(xiàn)有的先進高強鋼和超高強鋼，可以使得標準尺寸的小型家用轎車，即C-segment車型（歐盟確定的汽車尺寸分類，類似于北美的緊湊型汽車，其代表車型包括豐田卡羅拉、福特福克斯、現(xiàn)代伊蘭特等車型）的車門重量從18.3kg降至13.3kg。安賽樂米塔爾公司估計未來幾年將可以進一步減重1kg。 國際鋼協(xié)的“世界汽車鋼”（WorldAutoSteel）項目組確信，不久的將來鋼制汽車車身結構的重量就可以像今天的鋁制車身結構一樣輕，而且可以滿足所有汽車碰撞標準。更為重要的是，在成本上也可以與目前相媲美。 “世界汽車鋼”項目組估計，可以提高未來鋼質汽（FutureSteelVehicle，F(xiàn)SV）減輕重量的目標。FSV設計的最初目標是減重35%，但“世界汽車鋼”項目組稱，鋼鐵業(yè)最新研究可以將車重減輕39%。最佳的FSV車身應該僅重176.8kg，屆時將與今天的鋁制車身重量一致。“世界汽車鋼”項目組稱，通過結合先進高強鋼與FSV技術，汽車制造商可以避免使用價格更昂貴的替代競爭材料和多材料設計并實現(xiàn)其目標。2. 我國汽車輕量化所面臨的問題目前，我國汽車輕量化技術無論在理論研究方面還是在實際應用方面與國外均有較大差距，輕量化技術的發(fā)展主要面臨如下問題：（1）輕量化技術涉及眾多學科的研究領域，需要運用多學科交叉融合所形成的綜合性、系統(tǒng)性知識體系，而在目前的研發(fā)體系下，各研發(fā)機構往往只注重單個技術的研發(fā)很少開展各技術間的交叉與融合；（2）汽車輕量化技術涉及眾多的共性技術和前沿技術其關鍵、核心技術的突破不可能由單個企業(yè)或科研機構獨立完成.必須要由國家級的研究機構對其關鍵、重大問題進行戰(zhàn)略性和前瞻性的超前部署而目前此類機構尚未建立：（3）產、學、研結合不夠緊密，沒有明確定位、合理分工，基礎研究和技術開發(fā)研究的有機銜接不夠.企業(yè)規(guī)模小而分散，輕量化技術開發(fā)能力薄弱，研發(fā)人才短缺.工藝水平落后。要提高我國汽車輕量化技術水平，當務之急是集成全國輕量化技術優(yōu)勢，開展產、學、研大聯(lián)合，建立資源共享的汽車輕量化技術科技創(chuàng)新平臺。該平臺應積極推進產、學、研的合作與交流：促進汽車輕量化技術研究成果向產業(yè)化方向轉化：制定汽車輕量化技術重要產品和檢測方法等規(guī)范及標準；建立高水平的相關產業(yè)技術人才培養(yǎng)基地和提供技術咨詢的服務機構。汽車輕量化技術科技創(chuàng)新平臺，應重點開展幾個方面的研發(fā)工作。（1）汽車輕量化先進材料開發(fā)研究（2）汽車輕量化結構優(yōu)化設計研究（3）汽車輕量化材料沖壓理論與工藝技術研究（4）汽車輕量化激光加工技術與裝備研究3.底盤輕量化的出路目前國內外在車身輕量化的研究越來越多，也越來越深入，但是對于底盤輕量化的研究確實很少。但是底盤的輕量化對整車的性能起著舉足輕重的作用，影響操作穩(wěn)定性和舒適性。未來對于汽車的油耗法規(guī)越來越嚴格，所以我們應該花大力氣研究底盤的輕量化。只有車身和底盤都進行了輕量化設計才能達到整車的最大輕量化，所以我們必須引起重視。對于上一部分所說的輕量化思路照樣可以用于底盤的輕量化并且大有可為。以下將舉些例子說明：（1）高強度鋼的運用底盤的零件因為要直接承受地面的沖擊所以某些零件的應力會大些，所以必須得同過增加材料來降低應力。比如某微型車擺臂支撐桿，制動時候受的應力比較大。我們要是使用普通材料必須要用30mm的桿才能保證其應力達到250Mpa以下達到材料許用的安全范圍,但是重量達到2.33kg.如果我們采用高強度鋼我們可以使用20mm的桿應力可以達到408Mpa,重量減少到1.21kg。這可以看出高強度鋼對底盤零件的減重效果是相當明顯的。30桿（重量2.33kg）20桿(重量1.21kg)（2）高強度彈簧鋼的運用高強度彈簧鋼在彈簧設計中大有可為，眾所周知底盤懸掛中的彈簧即是安全件又是性能件。我們需要它既要滿足剛度要求又要滿足耐久要求。但是剛度和耐久又是一個矛盾體。我們有了高強度彈簧鋼后就可以很好的解決了這個問題。例如某微車后懸彈簧，我們按照傳統(tǒng)材料設計，需要設計的圈數(shù)是5.75圈簧絲直徑15.4mm才能達到要求的剛度，但是其重量為2.66kg，如果采用高強度彈簧鋼我們彈簧的圈數(shù)可以做到4.5圈，簧絲直徑14.3mm就可以達到所要求的剛度并且應力也符合高強度彈簧剛度材料許用極限，其重量為1.8kg。高強度鋼材料彈簧不僅耐久，剛度都滿足要求，質量比傳統(tǒng)彈簧輕了0.86kg，彈簧的圈數(shù)少了質量輕了對整車的舒適性更好了。傳統(tǒng)材料彈簧（重量2.66kg）高強度鋼材料彈簧（重量1.8kg）（3）對底盤零件采用先進的工藝技術。采用先進的工藝技術可以減少應力集中，可以減少材料浪費。比如某車扭轉梁原來采用的是普通的沖壓成型。零件為了滿足耐久要求必須使用大量的鋼材，使得零件質量比較大，重量達到了25kg。但是如果我們采用管材的液壓成型技術，我們可以使得零件在滿足設計要求的情況下重量僅為21kg。傳統(tǒng)工藝（25Kg）液壓成型工藝（21kg）（4）對汽車輕量化結構優(yōu)化設計研究一個優(yōu)秀的結構設計也可以大大降低零件重量。一個優(yōu)秀的產品工程師，他能夠在設計產品的時候能夠不浪費材料，使得材料用在需要它的地方，也就是好鋼用在刀刃上。結構的變截面就是一個最好的例子。比如某車的鋼板彈簧，我們使用傳統(tǒng)的等厚鋼板它的片數(shù)為6片重量為24.5kg,它之所以這么重就是因為很多材料是多余的，它類似于一個懸臂梁的形式其實端部的材料可以少些中間部分的材料需要多些。我們使用了變截面的鋼板彈簧后片數(shù)為3片重量可以達到17.4kg。而且這兩副板簧的強度剛度幾乎不變。鋼板彈簧片數(shù)減少了，重量降低了，可以減少板簧的板間摩擦和整車的簧下質量。這對整車的舒適性是非常有好處的。 變截面等厚板簧(24.5Kg)變截面板簧（17.4Kg）應力658Mpa，剛度80N/mm應力645Mpa, 剛度80N/mm（5）充分運用CAE優(yōu)化技術用于底盤結構設計中來利用CAE優(yōu)化技術可以改變過去依靠經驗進行結構設計的落后辦法。運用CAE技術用于結構設計可以更快，更好，更直觀的知道零件傳力路徑知道那些地方需要加強，哪些地方需要減重這樣才能設計出更好的產品。以下列舉某車型的副車架設計運用拓撲優(yōu)化技術，可以在不增加零件重量的情況下顯著提高副車架模態(tài)。 拓撲優(yōu)化圖片優(yōu)化前模態(tài)（196.8Hz）優(yōu)化后模態(tài)(224.96Hz)(6)加大鎂鋁合金在底盤零部件中的使用范圍鋁合金的密度是鐵的1/3，在保證零件剛度強度的情況下我們可以大量的使用鎂鋁合金。這樣可以大大降低零件的質量。比如某車轉向節(jié)我們使用鎂鋁合金在保證剛度強度的情況下使得