汽车结构设计的轻量化设计探析

蒋天翔

摘要：近年来，我国国民经济增长迅速，国家综合实力显著提高。在汽车行业，科学技术的革新发展，使得汽车的设计技术得到有效发展，汽车结构设计逐渐朝着结构轻量化的方向发展。本文从两个方面介绍汽车结构设计的轻量化设计途径以及在实际中的应用。

关键词：汽车产业;结构设计;轻量化设计;实际应用

前言：现阶段，汽车逐渐成为人们日常出行的主要交通工具，极大的改变了人们的生活方式。随着社会的飞速发展，汽车的保有量显著增多。汽车在为人们出行带来便利的同时，也产生了不少的问题，其中油耗及排放等问题越发受到社会的强烈关注。而与油耗及排放密切相关的则是汽车的重量，有关资料显示，若汽车整车重量降低10%，油耗可降低6～8%。因此开展轻量化设计，其目的就是帮助降低汽车整体质量，强化其动力性和安全性，从而降低油耗和排放，使得汽车的经济型及环保性得以提高。轻量化设计作为一种新型汽车技术，满足新时代汽车的结构设计要求，对于推动汽车产业健康发展有着重要意义。

一、结构轻量化

（一）利用结构设计实现汽车结构轻量化

降低汽车整体质量，可以通过优化汽车结构的设计方案，从而降低汽车的零件数量或者制造过程中的用材来降低整车重量，這也是推动汽车产业发展的重要途径。比如，通过夹层钢板，在汽车结构中应用，可以节约能源和材料，从而降低工艺成本[1]。简单来讲，夹层钢板的外层材料一般为铝合金、高强度钢等，其硬度比较强，有着较好的承载能力。但是其内层钢板一般采用网状菱形钢板，因此该种设计结构的零件重量相对较轻，从而达到降低重量的目前，且该结构有着非常良好的隔音效果，其减震效果也比较好。目前广泛应用于汽车车身及零部件的设计制造当中。

（二）改进连接方式实现汽车结构轻量化

在设计过程中，要想实现汽车的整体重量降低，可以通过减小零件重量或者减少零件的使用等方式来实现，此外，改变零件之间的连接方式也可以实现汽车结构的轻量化。通常情况下，如果需要将多个零件进行集成，最为简单便捷的方式就是改变连接方式，比如零件连接结构中，如果采用点焊连接结构代替螺纹连接结构，可以省去螺栓、螺母等连接零件，从而达到降低整体重量的目的。

（三）采用零件集成实现汽车结构轻量化

在保障汽车原本的性能以及车身强度的前提下，尽可能的降低汽车整体的重量，在设计过程中，可以选择多种设计方式达到此目的。比如选择容易加工和成型的材料，通过新型工艺，将各类材料集成在一起，通过这种方式，不但能够大幅度降低汽车质量，还可以帮助汽车设计减去繁琐的工序流程，缩减一些不必要的设计环节，使得工艺成本得到减低。在选择材料时，最好选择与铸件和塑料材质类似的材料[2]。比如，目前较为常见的拼焊板成形技术，将多个不同性能具有超高强度的钢板结合实际的设计要求进行拼装整合，通过钢板集成，不但让汽车车身的强度大大增加，还缩减了加工程序，其工艺要求也得到减低，最终实现降低成本的目标。

二、材料轻量化

（一）高强度钢的应用

汽车结构在设计过程中，使用最为频繁的就是钢材，而通过应用强度较大的钢材，可以在保证同等强度要求的前提下降低汽车制造中钢的使用量。在汽车车身及零部件制造中提升高强度钢的使用比例，对于实现整车重量降低有着积极作用。一般情况下，提升钢材的强度有几种方式：其一，控制碳的含量。由于钢的强度和炭的含有量存在密切联系。如果想要提高钢的强度，需要对其含碳量进行把控。其二，加强合金。向钢内添加某些金属元素，可以有效提升钢的强度，不同材质的合金，对于钢的强度的提升效果也不同，能够使钢的适用范围显著提高[3]。其三，基于热处理技术加强钢的强度。钢在经历冷热交替后，其内部结构发生转变，也可以使得强度增加。其四，锻压工艺处理，可以使钢材的质地紧密，同样也可以提升钢的强度。

（二）铝合金的应用

由于铝合金材料具有较小的密度，在汽车上对强度要求不高的部位使用铝合金替代钢铁等密度较大的金属材料，能够有效的降低汽车整体质量。值得注意的是，由于铝合金强度较小，无法大量应用。因此，为提高铝的强度，可以开展研究工作。具体内容包括：其一，针对整个车体或者较大体型的铝材进行研究。其二，将汽车的刚性结构全部铝性化，其三，实现整体零件的铝化。通常情况下，人们针对汽车结构的要求是实现全部零件的全部铝化。通过这种方式，可以帮助汽车零件减少30%到50%的重量，如果将铝化设计应用到汽车零件，可以减轻40%的重量;将铝化应用到车身，能够减轻60%的重量，这些轻量化措施对于降低整车重量有着明显的作用。在实际工作中，如果汽车整车都采用铝合金材料，由于铝合金强度较低，使得应用效果差强人意，比如应用铝材质打造汽车结构，虽然降低车身质量，但是其承载能力也会随着降低，因此在进行汽车设计时，铝合金一般应用于对强度要求不高的部位。

（三）球墨铸铁的应用

球墨铸铁的密度只有钢的90%，所以将其应用在汽车车身及零部件的制造时，也会降低汽车的重量。目前，球墨铸铁由于其强度较高，而密度较低，已被世界各国所广泛关注，越来越多的汽车生产商开始在汽车结构设计过程中利用球墨铸铁来代替钢的使用，从而达到降低车体重量的目的[4]。除此之外，该材质有着较为独特的特点，能够将多种不同的零件集成，组合为一个零件，不但可以缩减零件的使用量，还可以让汽车零件的重量得到降低，从而使汽车整体质量降低，实现汽车结构的轻量化设计。

结束语

总而言之，我国作为汽车生产大国，在汽车保有量不断增加的同时，更要注意生态环境的保护，因此在降低汽车油耗和排放方面，显得格外重要。在汽车设计方面，不仅要保证其具有良好的刚性强度，还要确保汽车性能低碳环保，应用轻量化技术，提升汽车的设计水准，选择更为合适的材料，在满足各种系统使用及强度需要的同时，降低整车的质量，将是未来汽车设计及制造技术的发展方向。

参考文献

[1]刘雨婷，胡代钧，刘献栋，etal.关于汽车结构设计中存在轻量化极限的分析[J].汽车工程，2019（8）.

[2]依克热木·阿木提.汽车轻量化技术的应用发展趋势[J].汽车与配件，2018（20）.

[3]赵国伟.有限单元法在汽车产品轻量化设计中的应用研究[J].时代农机，2019（5）.

[4]辛鹏.基于有限元分析的汽车零部件轻量化设计[J].南方农机，2019（15）：133-133.