油罐车的罐体轻量化技术的应用（共5则范文）

第一篇：油罐车的罐体轻量化技术的应用（共）

油罐车的罐体轻量化技术的应用

包海涛 范钦满 王军

淮阴工学院交通工程系

江苏淮安 223003

摘要：简要介绍了目前汽车轻量化技术的背景和意义，阐述了油罐车罐体实施轻量化的基本要求和途径，最后通过实例说明油罐车罐体轻量化研究是可行的，为油罐车轻量化的研究提供了依据。

关键词：油罐车 罐体 轻量化

1研究的背景和意义

所谓汽车轻量化，就是采用科学方法和手段对汽车产品进行优化设计，在确保汽车综合性能指标的前提下，通过使用新型材料，尽可能降低汽车产品自身重量，达到减重、降耗、环保、安全的综合目标。研究表明，汽车所用燃料约60%消耗于汽车自重，汽车的质量每减轻100 kg，每公里的燃油消耗将减少0.4 L～0.8 L，CO2排放量也将减少。燃油效率提高，意味着降低汽车的耗油量和排污量，改善人类生存环境。同时汽车轻量化也提高了车辆性能，在同样的输出功率下，较轻的车对于发动机来说就是较轻的负载，汽车的操控稳定性也有所提高。所以减少汽车车体重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应。

国家标准对汽车的设计进行了严格的规定，特别是轴荷和总质量的限制。对于油罐车而言，罐体自重占整车重量比例较大，减轻罐体的重量已成为企业关注的焦点。由于铝的比重约为钢的1/3，铝合金被公认是汽车轻量化的理想材料。近年来，在欧美发达国家，使用铝合金制作的液罐车已非常普遍。而在我国通常使用钢板制作罐体。由于钢罐体自重很大，无形中加大了燃油的消耗，使得运输成本大大提高。铝合金除了重量轻之外，它还具有优良的抗腐蚀性。与同样用钢做成的部件相比，用铝及铝合金制成的部件再利用价值更高。95%的铝合金都能实现再利用。如果使用铝合金制作油罐车的罐体，可大大降低车辆的自重，节约燃油，减少能源的浪费。2 实现油罐车罐体轻量化的途径

实现油罐车罐体轻量化的途径一般有两种：一是从结构的设计入手，通过有限元法和优化设计法对现有钢结构罐体进行结构分析和结构优化，在保证承载能力和可靠性的前提下减轻其质量；二是从材料入手，通过采用轻材料或现代复合材料等低密度材料替代现有的钢材料，达到罐体轻量化的目的。2.1 合理的结构设计

现代汽车制造工业中，CAD/CAE/CAM技术涵盖了汽车设计和制造的各个环节。运用该技术可以准确实现车身的结构和布局设计，实现对汽车零部件的整体化和轻质化，实现汽车的轻量化设计、制造。近几年来，我国在压力容器新产品的开发中已成功地应用了ANSYS有限元分析软件。

实现汽车轻量化合理的结构设计常有三种方法：一是通过结构优化设计，减小车身骨架、车身钢板的质量，优化后对车身强度和刚度进行校核，确保汽车在满足性能要求的前提下降低自重；二是通过结构的小型化，促进汽车轻量化，主要通过其主要功能部件在同等使用性能不变的情况下，缩小结构尺寸；三是采取运动结构方式的变化来达到目的，如采取发动机前置、前轮驱动等使结构更紧凑，采取发动机后置、后轮驱动使整车或局部结构变小。2.2 轻质材料

目前国内外汽车应用较多的轻质材料有铝合金、镁合金、高强度钢、塑料及复合材料等。

研发轻质高强度汽车用钢材，已经成为降低汽车车身自重，减少汽车耗能和尾气排放有效的根本性控制方式。

铝是最早用于汽车制造的轻质金属材料，也是结构材料中最为经济实用、最具竞争力的汽车用轻金属材料。从生产成本、零件质量、材料利用率等方面，铝合金具有多种优势，如密度较小，用其替代传统钢铁，可减小整车重量的30%～40%。回收率高，仅次于钢铁，目前可达87%，符合环保要求。它还具有优良的抗腐蚀性、压力加工和铸造加工性，也为专用汽车生产企业所认可。

综上所述，采用轻质材料轻量化的效果明显，减重幅度较大，但具有研发成本高，工艺复杂等缺点；而采用合理的结构设计，成本低、容易实现，但轻量化的效果一般不显著。应用实例

我校与某公司合作开发出新油罐车，通过对油罐车的罐体选用铝合金轻质材料，使用ANSYS软件进行分析，满足强度和刚度要求。在罐体产品的结构开发中，主要考虑二方面：罐体外壳能承受一定外压，通过调整加强圈的数量和尺寸，减小壁厚；容器的设计，在防波板的结构、安装的位置及改变材料等方面进行优化。

该车达到的主要性能指标：铝合金油罐车在能实现轻量化的基础上，油罐的防腐性能与不锈钢罐相当，罐身的强度在优化设计的基础上满足要求。通过可靠性道路试验和罐体密封性试验。铝合金油罐车，应用铝合金来制作罐体，不仅大大减轻整车质量，原来采用钢制作的罐体重量为8 850 kg，现在用铝合金制作的罐体只有7 570 kg。这样每行驶百公里可节约燃油4 L以上。在提高汽车动力性的同时，污染物排放比原来减少10%以上。该技术国内领先，与欧美国家技术持平。该车售价为26万，第一批50辆该车已完成出口。

参考文献

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作者简介：包海涛，男，1969年生，讲师，车辆工程专业硕士研究生，主要从事机械基础、流体力学和车辆设计等方面的研究。基金项目：淮安市科技局项目（HAG06006）

第二篇：轻量化在汽车上的应用

轻量化在汽车上的应用

一、轻量化”是新能源汽车发展方向之一

■ 轻量化是新能源汽车发展方向

汽车轻量化设计，不仅带来油耗降低，更能促进综合性能的全面提升。科技部部长万钢强调了“轻量化”是中国电动汽车的发展方向之一。

德国联邦经济与能源部委托德国工程师协会（VDI）编制的2015年《德国轻量化现状盘点》研究报告中指出，轻量化对汽车制造业等许多行业意义深远，它决定了德国工业在未来的全球市场中是否能以创新、高能效和资源节约型的产品取得统治地位。

研究表明，在市区的运行工况下，平均车重1600kg的电动车如果减重20%，能量消耗可以减少15%。如果采用增加电池来增加行驶里程，成本往往会非常高。

有关专家认为，在电池技术短期内难有重大突破的情况下，电动汽车迫切需要采用轻量化技术来降低重量，以减轻电池增重的压力。

■ 新能源汽车轻量化设计有多种趋势

新能源汽车企业正在做轻量化设计，北汽、长安走在前列，奇瑞、江淮、吉利等也都非常重视。目前正在探讨新能源汽车轻量化的路线，比如，整车包括车身轻量化、全新架构底盘轻量化、电池系统轻量化以及车身内外饰与电子电器等；材料方面包括复合材料及成形工艺、轻质铝合金及成形工艺、高强度钢及成形工艺、轻质镁合金及成形工艺等。

未来新能源汽车轻量化将车身高强钢化和全铝车身两条路线并行，2020年先进高强钢比例达到国际先进水平和应用全铝车身。

汽车车身轻量化的发展趋势是混合多材料设计。碳纤维混合材料车身不仅能够承重，而且更安全。至于目前存在的成本高问题，碳纤维成本居高不下，主要是工艺成本高，未来批量生产，成本有望下降。

汽车对材料的成本要求很高，因此碳纤维在汽车轻量化中的应用，首先要解决成本问题。

■ 仍有问题急需解决

相比传统汽车，新能源汽车车身结构不一样，高强度钢、铝合金、镁合金在新能源汽车上应用较多。由于新能源汽车是未来发展趋势，国家十分重视其轻量化。

与传统节能汽车的轻量化结构设计有所区别的是，新能源汽车的轻量化技术手段、电动汽车整车重量、续航能力与重量设计都需要重新研究。需根据不同车型，设计轻量化方案，这是企业所面临的重要挑战之一。

碳纤维复合材料NVH（减振降噪）水平如何提高是轻量化设计过程中所面临的挑战和问题。随着轻量化技术应用越来越多，多材料的轻量化技术路径成为必然的趋势，因而连接技术也成为轻量化技术应用过程中的重点技术。

新能源汽车轻量化设计需要开发高集成度的电动一体化底盘产品技术，高度集成电池系统、高效高集成电驱动总成、主动悬架系统、线控转向/制动系统、集成控制系统，实现整车操纵稳定性、电池组安全防护、底盘系统的轻量化研究应用。新能源汽车企业也需要系统规划，围绕整车轻量化开展整车轻量化目标制定，分解和组织行业资源针对轻量化应用技术系统进行开发。

二、专用汽车轻量化制作采用铝合金材料的优势

目前在专用汽车上应用较多的轻量化材料有铝合金、镁合金、高强度钢、塑料及复合材料等。各大汽车公司都已经将采用这些轻量化材料的多少作为衡量汽车生产技术和新材料开发水平是否领先的重要标志。

铝合金：与钢相比，铝合金具有质量轻、耐腐蚀性好、易于加工等特点，但成本较高，是近20年来在载货汽车上使用最多的轻量化材料。

镁合金：与钢铁相比，镁合金密度小，易于加工，压铸经济，其最大的特点是阻尼减振性和抗凹性好。镁合金在上世纪40年代就被一些公司采用。镁合金在应用上比铝合金发展慢，主要原因是其铸造性差、后处理工艺复杂、成本较高。当前世界上每辆汽车的镁合金平均用量仅2.4KG。随着研制材料技术水平的提高，其应用速度不断加快。

塑料及复合材料：汽车塑料制品一般分为内饰件、外饰件和功能件等，目前世界主要汽车用塑料件的内饰化已基本完成。玻璃纤维增强塑料等新产品已随着新技术的成熟而逐步扩大应用，主要用于车身内装件和功能件。

高钢度钢：在轻量化材料中，与铝合金、塑料相比，高强度钢具有以下特点。价格低，基本上可以利用原有生产线；其弹性模量高、刚性好、耐冲击性好及较高的疲劳强度，有些高强度钢的抗拉强度为普通钢的2～3倍；耐腐性差。

相比之下，铝合金在专用汽车轻量化新材料中更加具有以下优势：

1、整备质量低。铝的密度低，只有2.7g/cm3，是同体积钢的1/3重量。铝合金材料在运输车上的应用，极大的减轻了其自重。如御捷马公司生产的13m铆接式铝合金厢式半挂车，与同类钢制材料半挂车相比自重减轻约3t，一个45m3的铝制半挂罐车，其自重可以减轻5t多。

2、耐腐蚀、寿命长。铝合金具有较好的耐腐蚀性。用铝合金制造的(厢)罐体，内部不需要涂任何防护层就可以运输各种液体和货物，从而保证了油品的清洁，减少了对货物的污染。根据欧美国家的经验，一般铝合金运输车辆的寿命周期一般在1520年，比普通钢制车辆寿命长510年。同时，由于铝合金耐腐蚀性好，可长期保持表面美观，车辆实际使用和维护成本较低。而普通钢制材料车辆特别是拉煤半挂车，新车投入使用不久，就会出现锈蚀“溜黄汤”现象，每年审验时都要做喷漆整容处理，增加了使用维护成本，还给环境造成一定的污染。

3、燃油经济性。根据欧洲铝业协会有关的研究报告，车辆每轻100kg，百公里油耗可降低0.6L，每节约1L燃油可减少CO2排放2.3kg。如果一部运输车减重3t，年行驶12万km，按一半的空载里程计算，每年可节省燃油10800L，可减少CO2排放量24.84t，充分显现出对能源的节约和环境保护的优势。

4、有效承载增加经济性。根据我国颁发的道路安全法规定，交通运输车辆车货总质量不得超过55t。为了取得更好的经济效益，车辆轻量化，增加有效承载能力尤其重要。假如一辆运输车辆将自身减轻的3t重量，有效的转化为增加了3t货物，每年还是按12万km计算，按吨公里运输成本0.5元，可为用户增加收入90000元/年，经济效益非常可观。

5、回收价值高。由于铝合金具有较高的耐腐蚀性，在车辆达到强制报废年限，车体并没有很大的损伤，车体回收价值是原铝的85%以上。也就是说，一辆铝合金罐式运输车如果用铝材料5t，车辆报废回收至少可达8万元，具有较高的再利用附加值。而普通钢制运输车，车辆强制报废后，由于材料的耐腐蚀程度差，其车辆残值和再利用价值很低。

6、加工工艺成熟。铝合金也是除钢铁之外第二大广泛应用的金属，加工工艺已经日趋成熟。MIG、TIG、电阻焊等焊接方法都可以用来焊接铝合金。同时，铝合金也可以进行弯曲、冲压和深拉加工。易于铆接工艺手段加工，强度和承载能力优于碳钢材料。

二、铝合金专用汽车产品系列及其特点

铝合金专用汽车产品主要有：铝合金厢式运输半挂车、铝合金翼开启厢式运输车、铝合金化工罐式车及冷藏保温车等系列产品。铝合金专用汽车造型美观，耐腐蚀，寿命长。

1、铆接铝合金厢式车产品特点。无纵梁承载式车身结构设计；采用铆接工艺制作；厢体选用铝合金板材，耐腐蚀，寿命长；顶板为半透明玻璃钢板；采用空气悬架和无内胎轮胎。

2、铝合金厢式车产品设计特点。上、下边梁：采用高强度铝合金挤压成型材料。车身及外蒙皮：均采用铝合金材料，外蒙皮选用高强度预涂漆铝合金板，省去了现场的喷漆工序，有效的保护了现场作业环境和员工的身体健康。车顶：顶弓为铝合金或高强度热镀锌型材，设计为封闭结构，具有防下沉特性；顶蒙皮为整张半透明玻璃板，便于厢内采光，节约能源。行走部分：选用空气悬架，无内胎真空胎，运输过程中可以有效的降低对货物、轮胎、公路路面和车辆部件的损伤。整车：充分体现了重量轻、节能环保、材料可回收在利用的优势。

3、铝合金翼开启厢式车产品特点。侧栏板为铝合金型材，插铆接工艺制作；侧翼选用铝合金瓦楞板；侧翼可开启约90°，装卸效率高；手动或遥控液压控制，操作方便。

4、铝合金罐式运输车产品特点。拥有国内先进的罐体成型工艺装备和焊接生产线，选用优质铝合金材料焊接而成。罐体全部采用高强度铝合金板焊接而成；罐体附件均使用铝合金材料；整备质量低，比同类罐车轻约2t；耐腐蚀，寿命长；罐体内部清洁度高。

5、冷藏保温车产品特点。厢体采用德国技术和生产工艺，选用高性能硬质聚氨酯保温板，经过复合热压成型，板内无任何金属骨架，整体强度高、保温性能好。厢体包边、顶角均采用用铝合金型材；厢内可选装铝合金导轨和通风槽；整备质量轻，48英尺冷藏半挂车比同类产品轻2.8t。轻型冷藏车和微型保温车则作为短途分配性运输的主要工具而得到快速的发展。厢体结构向合理化方向发展，新材料将会不断的被利用。主要是聚氨酯发泡材料和铝板，体现了冷藏保温汽车所用材料的轻量化。

以上铝合金运输车辆，从产品的制造结构形式来分，主要分为铆接式和焊接式两大类。一是铆接式：以厢式车为主，包括翼开启厢式车、铝合金厢式半挂车等。此类车辆根据车型的不同，所采用铝合金材料的比例也不尽相同，低的30%～40%，高的可达70%～80%。二是焊接式：以罐式车、半挂车为主，包括单车罐、半挂罐车、普通半挂车等。此类车辆制作主要以焊接形式为主，所采用铝合金材料的比例较高，部分产品所用原材料中铝合金所占比例可达90%以上。

虽然目前铝合金罐车进入市场的数量还不是太多，但已初步得到了用户的接受，部分企业还拿到了国内外客户的小批量订单。从目前罐式车的需求形势看，铝合金罐式车正在逐步得到用户的接受和认可，预计几年内，将会呈现出良好的发展态势，也会展现出有着较大的发展空间。

三、推广使用铝合金专用汽车意义重大

专用汽车轻量化对节能减排意义重大。从能源角度讲，汽车燃油消耗在我国石油消耗中所占比例日益增大，有资料显示，目前我国进口的原油的近30%被汽车消耗掉，而今后汽车消耗原油量的比例将升至50%。汽车燃油消耗量增多主要有以下两方面的原因：一是我国经济持续发展，带动了汽车消费和保有量的大幅攀升；二是由于我国汽车技术水平相对落后，单车燃油消耗明显高于国外，目前生产汽车的平均耗油量大约为国外汽车高20%～30%，而摆在我们面前的现实部题是，我国石油资源和产量有限，无法满足国内的能源消耗，近几年我国石油进口量逐年增多，对外依存度已超过40%，因此提高汽车的燃油经济性，从总体上控制汽车的燃油消耗，保护国家资源具有很重要的意义。

根据国外的有关资料，车辆减轻自重10%，可降低油耗5%～8%，对于载货车来说，减轻自重还提高了有效载荷的质量，即增加了装载利用系数，可提高运输效率，在降低运输成本，这相对来说也是降低了燃油费用。推广汽车轻量化是我国汽车工业发展的当务之急，对解决我国能源短缺，道路超载、运输效率低下具有很重要的意义。

汽车轻量化实质上就是零部件轻量化。采用锻造铝合金车轮，可以很大程度减轻车的自重。比如，一辆拖挂40吨的重卡和半挂车运输系统，一共有22个车轮，加上前后备胎共有24个。以目前我们经常用的钢质车轮计算，如果换成锻造铝合金车轮，重量可减轻近600kg。不仅如此，由于铝合金材料具有散热好和防止轮胎橡胶老化的特点，装上锻造铝合金车轮的卡车、客车、挂车可节省26%的轮胎消耗。由此可见，节能减排的效果多么明显。

近几年，铝合金罐车已呈现出一定的发展势头。国内部分改装企业采用铝合金材料，研发了不同车型和不同用途的铝合金罐式专用车。车型包括利用二类底盘改装的单车铝合金罐体、半铝和全铝半挂罐车等。基本用途涵盖了加油车、运油车、化工液体运输车和散装物料运输车等车型。

专用汽车制造材料轻量化是当今汽车技术发展的方向世界各国的汽车企业围绕节能、节材、环保、降低成本以及提高动力性、经济性、可靠性、安全性和舒适性等等基本性能，开展了新技术、新材料、新工艺、新产品的研究开发工作，其核心就是汽车轻量化。其主要意义表现在：一是降低燃烧消耗，增加汽车有效载荷，节省牵引动力，降低汽车运行费用。二是减少车辆对道路的损失，减少道路维护工作量。三是提高车辆的启动加速度及制动减速度，提高汽车的运行速度及曲线通过速度。

随着全球能源和环境压力的不断加大，追求汽车轻量化将成为汽车产业的发展趋势，铝镁合金将是实现汽车轻量化的首选材料。欧美等发达国家铝制专用车的开发和应用已有30多年的历史，目前铝制运输挂车的普及率已经达70%。其他专用车辆，如工程车、载货车等也较普遍的采用铝镁合金材料，技术已经成熟，并向标准化、系列化、多样化发展。

尽管近十年来，我国铝合金专用车得到不断的发展，但总体上仍尚处于起步阶段。目前，我国半挂车(厢式半挂车、仓栅半挂车、平板半挂车)社会保有量约300万多辆，专用车企业虽有部分品种的铝合金专用车进入市场，也得到了市场的接受，其铝合金运输车产品的市场份额仍然非常小。铝合金专用车在欧美发达国家已相当普及，但在我国铝制专用车之所以产销量小，发展缓慢，制约的主要因素有以下几个方面。

(1)成本高、价格高。以13m 3轴仓栅半挂车为例对比分析，普通钢制材料的半挂车价格约为8万～9万元，而铝合金材料的整车价格约为19万～20万元，两者相差10多万元，差距较大，用户接受起来有一定的难度。

(2)运输市场的不确定性。近几年，随着国家对超限超载车辆治理的不断加强，超载现象已明显好转，但超载现象仍时常存在，加之用户对新材料、新产品的接受需要一个过程，对采用铝合金材料的运输车辆的强度和承载能力存在疑问和顾虑。

(3)产业政策的影响。由于铝合金专用车和普通钢制专用车在市场价格上差异较大，铝合金运输车辆要想求得快速发展，需要国家产业政策的扶持。据说国家已在研究和制定轻量化运输车辆的产业扶持政策，这对专用车行业将是个利好消息。

四、铝合金专用车具有非常广阔的发展与应用前景

今后一个时期，科技进步更将日新月异，生产要素流动和产业转移的速度将趋于良性循环，国内国际两个市场、两种资源的相互补充，将为新材料、新产品的发展提供有利的内外部环境。国内市场随着国民经济总量构成变化，市场对专用汽车品种的需求格局将相应改变。

目前，我国每年新增和更新半挂车数量30万辆，假设其中50%为铝制半挂车，每辆车平均用铝3t，再加上相关的挂车铝制配件，仅此一项每年的用铝量将远远超过50万t，必将拉动铝加工产业的快速发展。由此可以看出，今后专用车制造业将成为拉动铝材料产业不可缺少的支柱性行业。

当前，世界汽车工业正面临越来越严峻的三大课题：能源、环保和安全。减轻汽车自重以降低能耗，减少环境污染，提高汽车的燃料经济性，节约有限资源已成为各大汽车厂最为关注的焦点。新型铝合金专用汽车将具有强劲的发展势头。

汽车轻量化正是节约能源的最有效途径，汽车轻量化的主要途径有：(1)优化车型结构，提升整车结构强度，降低耗材用量。(2)采用轻质材料，如铝合金、陶瓷、塑料、碳纤维复合材料等。(3)采用计算机进行结构设计。如采用有限元分析、局部加强设计等。(4)采用承载式车身，减薄车身板料厚度等。其中，当前汽车轻量化采取主要措施之一就是材料轻质化，而铝镁合金的大量使用，又是实现车辆轻量化最有效的途径。

根据欧美专用车市场发展历史经验来看，铝合金运输车将是今后中国运输车辆发展的必然趋势。国内铝合金专用汽车今后将向以下几个方面发展：

1、全铝化。运输车辆整体全铝化，主要车身和厢(罐)体采用铝合金的比例将达到90%以上，铝制车辆配件的比例也将不断提高，如半挂车的铝合金底盘、轮辋、支腿等。

2、多品种、多车型。铝制车辆的车型、品种将不断丰富，首先将涵盖罐式车、厢式车系列，并逐步向工程车、载货车、特种车等产品延伸。

3、专业化、标准化、系列化。铝合金运输车辆的生产厂家在今后一个时期将会逐渐增多，在市场逐步稳定后，将逐步形成一批专业化生产企业，其车型也将向标准化、系列化方向发展，并最终形成以专业化生产厂家为中心的产业基地。

三、如何实现汽车50%的轻量化

1.提高钢板的强度

为了减轻车身质量，首先提高现有材料的强度，然后才能减少其使用量，其中之一的措施是提高车身骨架中的高强度钢板的强度。在高强度钢板中，目前车身骨架中使用最多的是冷冲压加工的440MPa级和590MPa级钢板。也有少部分厂家使用780MPa级和980MPa级高强度钢板。如果采用冷冲压方式，使用了1.2GPa级钢板；如果采用热冲压和冷拉延方式，使用了1.5GPa级的钢板。

日产汽车公司的战略曾经指出“尽可能地使用钢铁件”，于是在北美销售的Infiniti Q50(日本名称为skyline)大部分使用了高强度钢板，见图1。为了保护碰撞时乘客的安全，高强度钢板主要应用于中间支柱、侧顶盖等，它们都是1.2GPa级的冷冲压件，见图2，并且达到了与980MPa级钢板同等水平的加工性(延展性)，目前已经在中间支柱那样的车身骨架中得以实现。此外，Q50车还在车身骨架中的其它部位使用了780～980MPa级、440～590MPa级高强度钢板，与过去相比，车身质量减轻了11kg。

图1 日产Infiniti Q50

图2 高强度钢板的使用部位 某钢铁公司的技术人员说：“把现在的热冲压加工的1.5GPa钢板变成冷冲压加工将是未来的目标”。面向2025年，据说在2022～2023年期间可以实现1.5GPa级冷冲压模式，2025年以后实现1.8GPa热冲压加工模式。

2.铁和铝合金的复合使用

仅靠提高钢铁的强度，车身轻量化已达到了极限。未来考虑铁和铝合金的同时合理应用(也就是多种材料的同时运用)。德国戴姆勒汽车公司的新车型“奔驰C级”，白车身表面积中约48%(换算成质量约24%)使用了铝合金。前后面罩、翼子板、车门和顶盖都是铝合金件，而车身骨架采用热冲压和冷冲压加工的高强度钢板或者冷冲压加工的普通钢板，见图3。

图3 C级车铝合金使用部位

对于C级车来说，强度要求高的骨架需要使用高强度钢板，除外板外，其它部位使用铝合金。如果使用铝合金，其位置必须远离汽车的重心，或者是车体的上部使用。

这种高强度钢板和铝合金的复合使用将在2020年以后得以实现，主要应用于C级中型车和D级以上大型车。丰田汽车公司2017年以后，计划在“凌志”车上使用铝合金。某有色金属公司的技术人员说：“2025年前车身上部将全部使用铝合金材料”。

2025年以后，一部分平台也将使用铝合金。虽然车身骨架一般都使用高强度钢板，但是为了吸收碰撞能量，平台的前后部位也将使用铝合金。

3.使用热可塑CFRP(碳纤维增强复合材料)

尽管同时复合使用了钢铁和铝合金，但是车身的进一步轻量化还是有极限的。如果轻量化30%，通过复合使用铁和铝合金可以实现；如果轻量化50%，必须使用更轻的高强度材料，只有复合使用铁、铝合金和CFRP才能实现。

德国宝马汽车公司2014年4月在日本发布了一款电动汽车i3，售价500万日元，首次采用了CFRP，主要应用部位在车身上部，称为“生活模块”；铝合金主要应用于车身下部，称为“驱动模块”，见图4。

图4 宝马汽车公司i3车体构造

通过铝合金和CFRP的有效组合，与同级别的汽油车相比，减轻质量大约140kg。据说，2020年以后500万日元级别的车将采用CFRP。

但是，要想把CFRP做成零部件，i3车尽管使用了RTM(树脂传递模塑成型)技术，成形时间也需要花5分钟以上。目的是把热固化性好的环氧树脂应用于树脂粘结剂中去。要想在量产车中运用，成形时间必须控制在1分钟左右。

为了使CFRP部件在1分钟内完全成形，必须在粘结剂树脂中使用热可塑性树脂。帝人公司与通用汽车公司共同开发了热可塑性CFRP，并把该CFRP用于试制的汽车骨架上，见图5。粘结剂树脂中含有PA(聚酰胺)和PP(聚丙烯)树脂。

图5 热可塑性CFRP试制车

关于1分钟可使热可塑性CFRP成形的技术，以东京大学项目组为主也展开了研究；与此同时，在日本NEDO(新能源产业技术综合开发机构)的推进项目中，成立了以三菱纤维公司和东洋纺织组为主的项目组和以东莱(TORAY)公司为主的项目组，正在开发连续与非连续的碳纤维毛坯。

名古屋大学针对经济产业部的研究项目，成立了“国际复合材料研究中心”，以2020年进入实际运用为目标展开研究。热可塑性CFRP可以运用于货箱隔板、地板、侧围板和发动机等结构比较复杂的部件中，据说2020年以后这些部件将被实际运用。

4.生产线下线涂装

CFRP以外的树脂部件以轻型车和微型车为主正在普及使用。大发汽车公司2014年6月发布的新车型COPEN的车身外板由13个树脂部件构成，其中，顶盖和后车窗除外，其它的11个部件可以更换，见图6。这些部件都是下线后涂装的，然后用螺栓固定在车体上。

图6 COPEN车树脂外板件

马自达汽车公司与三菱化学公司共同开发了生物工程塑料，不需要涂装就可以用于外装部件上。生物材料的自然着色效果超过了涂装之后的ABS传统树脂的质感(可以深层次调色，并且光滑性如镜面一样)，见图7。该公司采用该树脂制作的内装和外装部件将在2015年发布的新款运动跑车(ROADSTER)中采用，随后依次在量产车上采用。

图7 由生物材料制作的树脂中间支柱

2020年以后如果普及使用下线涂装树脂和本身不需要涂装的树脂的话，外板涂装工艺就会从汽车装配线上消失。另外，2025年如果实现了汽车无人驾驶的话，由于首先解决了汽车之间不会碰撞的问题，所以车身骨架结构将变得更加简单。

四、国产载重卡车轻量化发展趋势浅析

卡车行业因为混合动力、电动和燃料电池等新能源汽车技术的应用困难重重和前景不明，故轻量化成为目前重卡行业节能减排最现实而又最有效的技术措施。

随着中国经济发展及城市化进程的加快，低碳生活的逐步树立和深入人心，节能减排、绿色环保政策法规的逐步建立和实施,资源节约型、环境友好型社会建设步伐的加快，汽车节能已经成为汽车产业发展中的一项关键性研究课题，具体表现在国内物流整体向“高效率、高科技、高环保”方向发展。

汽车轻量化是社会整体水平提升、运输效率提升的体现。减轻汽车自身重量是提高汽车燃油经济性、降低汽车CO2排放的有效措施之一。尤其在卡车行业因为混合动力、电动和燃料电池等新能源汽车技术的应用困难重重和前景不明，故轻量化成为目前重卡行业节能减排最现实而又最有效的技术措施。

实现卡车的轻量化是一个优化车辆设计结构系统工程，它涉及整车、发动机、悬架等各个领域，甚至包括新材料以及新技术的应用。从基础设计上通过优化结构及合理使用新材料、新技术，在不降低承载能力前提下实现的整体轻量化。

汽车车身约占汽车总重量的30%，空载情况下，约70%的油耗用在车身重量上。汽车重量每降低100公斤，每百公里就可节油0.6～1.0升。若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高8%～10%；若滚动阻力减少10%，燃油效率可提高5%；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%。因此，在中国式计重收费和“乱收费乱罚款超载治理”情况下，一辆轻量化卡车对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都有实际重要性，载货车卡车轻量化已经形成发展大趋势。

然而在此情况下，对有些卡车生产企业来说，所谓“轻量化”还是个偷换概念过程，如在技术还达不到要求的情况下，通过减少钢板厚度、减少配件数量等等偷工减料，表面看是实现了轻量化，但却越过了安全底线，更何谈轻量化。与此同时，在乱罚款乱收费治理超载问题得不到解决的情况下，载货车的轻量化必定要走入误区。在市场竞争因素的综合作用下，谁能够在保障质量的前提下有效地降低卡车自重，实现轻量化，将是未来各大车企抢夺市场的制高点。

现从各卡车厂商推出的新产品来看，复合材料在整车所用材料中的比例逐渐提高，大量使用复合材料是必然的趋势。在实现轻量化的设计途径上，一是优化车辆结构，二是在优化产品结构的基础上应用新材料。前者属于低级阶段，后者属于高级阶段。自重成为选车的主要的因素。即使价格稍高，自重轻的卡车也会成为客户的首选。因为自重轻的卡车不仅拉得多跑得快还省油，所以更受欢迎。

一、轻型卡车轻量化发展趋势

我国轻卡在产品 技术方面发展的趋势主要在以下几个方面：第一，节能技术，用车经济性是客户和国家最直接可获利和可感知的性能；第二，安全性，包括主动安全和被动安全，这是必过的门槛；第三，低公害，包括排放标准要求的不断提高，减振降噪等，也是必须过的门槛；第四，功能性，包括容载量，动力性，可靠性、耐久性，驾驶、装卸、维修方便性，乘坐舒适性，这些都是竞争的因素；第五，电子控制、车联网信息技术的应用；第六轻卡制造技术发展的主要趋势为新材料应用、新工艺、新流程、新装备、新工具等。

此外，从近三年可以看出：轻卡的增量结构将会发生明显变化，轻卡正向高技术方向发展，新材料、轻量化、数字化、网络智能化、舒适化、功能多元化、乘用车化和人性化方向发展，主要体现为低噪声、安全可靠、皮实耐用、维修便捷、节能低排放、多功能以及新能源的使用。从轻卡产品发展趋势上看：

1、在动力系统设计上，已普遍采用增压中冷装置与高压共轨，优化改善了燃烧性能，使发动机的性能与燃料经济性得到很大的提高，这提高了发动机与整车的匹配性，使得车辆的动力输出更为强劲、加速性好，又符合了国家的对柴油机型发动机的排放标准。动力公司如康明斯、索菲姆、菲亚特、曼恩、纳威斯达等发动机，均采用电控涡轮增压高压共轨发动机、燃油与燃烧优化、智能电控、排放处理、滤清系统五大等核心领先技术。

此外，重型发动机延伸至中轻卡，如中国重汽集团杭发公司首台MC05发动机直列四缸、水冷、四冲程、增压中冷、高压共轨发动机。动力系统采用电控涡轮增压成趋势，是自主动力最强、重量最轻、体积最小的发动机，可满足国Ⅳ排放标准，同时具备升级到欧Ⅴ、欧Ⅵ排放潜力的发动机，成为市场竞争的利器。如奇瑞开瑞绿卡搭载全新设计轻质量缸体、缸盖的美国康明斯ISF2.8发动机，没有缸套，最终形成的总成干重仅为214kg，并配上全铝合金壳体的德国ZF变速箱，不仅重量轻，而且强度非常高。

2、驾驶室造型设计上，轻卡窄体、中体、宽体及双排、排半、单排驾驶室更趋势于乘用车化前脸造型更趋向于立体动感凌厉，整体显得更加大气厚重。前大灯组更加饱满犀利，吸纳欧美钢性线条元素，转角处保持日系车圆润饱满基因。缓冲装置采用乘用车型或分断式吸能缓冲保险杠。此外，整车可翻转液压驾驶室悬置、隔音、隔热减震材料等细节品质上，都提供了堪比轿车的品质呈现。

3、功能性设计上，集成电子油门、助力转向、离合助力、电动空调、电动车窗等轿车化舒适配置，靠拢乘用车标准。如液压减震座椅、定速巡航等多项轿车化配置。ABS制动防抱死系统，感载比例阀加排气蝶阀制动为标准配置设计，其优化独立储气单元，包括干燥器，四回路保护阀，螺旋冷却管，多彩色管路等系统。

4、车身车架设计上，在车型设计上，宽（窄）体驾驶室、长（短）轴矩、长（短）车身、加强型底盘、大动力、高速重载与车联网等，已经成为轻卡研发的大趋势与未来市场的主流产品。采用高强度的铆接大梁和抗腐蚀车架等等，这些新设计可以有效增强车辆的轻量化和高速行驶中的稳定性与安全性。此外，摒弃传统的钢板材质，采用全新设计的竹胶板与钢制外板相螺接的新式钢制/胶木结构货箱，在实现轻量化的同时也确保了承载力。

二、中重型卡车轻量化发展趋势

1、采用单层车架大梁相比钢板弹簧，车架的重量更大，有效减轻车架重量，将会大大的减轻整车的整备质量。随着设计水平、制造工艺的提高，材料性能的提高，单层车架在标准载荷的工况下是完全可以胜任的。

2、采用变截面少片簧结构板簧变截面少片簧是由几片纵向方向上变截面的板簧组成的，不但可以减轻重量，还可以通过减少板簧间的摩擦而提高驾乘的舒适性、延长使用寿命。另外采用橡胶悬挂或者空气悬挂也可以减轻悬挂系统的重量。

3、使用复合材料驾驶室是采用复合材料最多的总成，尤其是外覆盖件：前面板、包角板、翼子板、保险杠，甚至顶盖，都使用了大量的复合材料。这样一方面有效的减轻了整车重量，另外一方面由于复合材料成形性好，造型结构上较金属冲压件可以更复杂、更加美观、尺寸更加精确。目前国产重卡仍偏好全钢结构的驾驶室结构，这主要和中国重卡的恶劣工作环境有关。从近年来各重卡厂商推出的新产品来看，复合材料在整车所用材料中的比例逐渐提高，大量使用复合材料已成为一种必然发展趋势。

4、使用铝合金材料铝合金比钢材密度小，因此在一些复合材料无法替代的部位，使用铝合金材料，包括钣金件和铸造件。铝合金钣金件最有代表性的就是油箱，油箱采用铝合金材料，不但自重减轻，而且油箱内不易生锈，免除定期清洗的麻烦。车身也可以采用铝合金代替冷轧钢板。轮辋、发动机机体、变速器机体等，也可以大量采用铝合金铸造，可以在保证有足够强度、刚度的同时，最大限度的减轻重量。

5、使用高强度钢材使用高强度钢板，可以减薄钢板厚度，从而减轻重量。欧美重卡，重卡使用的钢材几乎100%是高强钢。以前国产重卡采用高强度钢板的比例较少，最近几年逐渐广泛使用，甚至自卸车的车厢都开始使用高强度钢板，以提高厢体强度、减轻自重。

6、使用拼焊板驾驶室由钢板冲压焊接而成，由于各部位的结构和受力情况不同，因此不同部位的钣金件也会采用不同牌号的钢板，一辆重卡的驾驶室可能采用几十种不同牌号、不同厚度的钢板。然而随着CAE技术的发展，经过模拟实验和分析，可以计算出同一个钣金件的不同部位的受力情况，为了减轻一些零件局部的不必要厚度，激光拼焊技术应运而生。激光拼焊技术是将经不同表面处理、不同钢种、不同厚度的两块或多块钢板通过激光焊接方法，自由组合成为一块钢板。

7、采用铸造件。传统的冲焊结构零件，由于材料和制造工艺的限制，各部位只能是等厚度的，为了确保零件的整体强度和刚度，冲焊件往往都比较厚重。结构件可以通过有限元软件进行CAE分析，对结构进行优化，根据各部位的受力情况设计成复杂的变厚度、变截面的结构，在保证有足够强度的前提下最大限度的削减不必要的局部厚度，从而大大减轻零件重量。

8、采用真空轮胎和超宽轮胎。采用真空胎和超宽轮胎也能在一定程度上降低自重。与传统轮胎相比，真空胎不但减少了内胎，轮辋的结构也相应减少了，整车全部换成真空胎，行驶阻力小，能够在一定程度上降低油耗。重卡的驱动轮一般都用双轮胎，如果改为超宽单轮胎，不但能够减少轮胎数量，还能减少轮辋的数量。另外超宽单轮胎的接地面积不比双轮胎小，除了能够降低自重外，还可以提高行驶稳定性、避免双轮胎的“吃胎”现象。此外，真空胎在轮胎穿孔的情况下，胎压不会急剧下降，完全能继续行驶，大大提高了高速行驶的安全性，而新式钢制/胶木结构货箱具有耐磨、耐腐蚀、减震和抗震功能，对于外来碰撞所造成的变形能自动修复，运送精密仪器和易碎货物更安全。

9、整合零件功能、减少零件数量整合所有零件功能、将多个零部件集成，实现零部件的多功能，减少零件数量，使其结构更加紧凑，也可以在一定程度上减轻整车重量。例如：将油箱和工作台踏板结合，将油箱与SCR的尿素罐结合等。

五、实现汽车轻量化的途径

今天汽车赖以“生存”的汽油燃料提取自石油，它的储量正在日益减少，但人们也未必会因此在燃油上花费高价，因为到2025年，汽车的平均燃效将达到50英里/加仑。

不过，汽车本身的油耗并不会自动下降，这都是靠着工程师开发的新技术而实现。那么，提升汽车燃效或者说降低油耗的方式有哪些？目前看来，轻量化是最有效的手段之一，据悉，汽车每减轻10%的重量将降低油耗6-7%。

汽车行业在轻量化技术上的进展也是有目共睹，从30年前一辆普通轿车的4500磅（2041千克）的平均重量降低至现在的3000磅（1361千克）左右。“轻量化”只是一个宽泛的概念，它设计到结构、材料、布局等等方面，本文将总结5项能够让汽车变得更轻的技术。

1、轮毂电机

汽车中最占重量的是什么部件？毋庸置疑，显然是发动机。发动机缸体、活塞、曲轴等各种组件均由刚强度材料制成。它们需要经受住发动机运行时的高压与高温。而其缺陷在于这些组件的重量非常大，一辆普通乘用车的发动机至少重几百磅。

当汽车行驶时，发动机的转动能量由变速箱传递两个或四个车轮上，实现这个过程则还需要传动轴以及更多的零部件，同样会增加汽车的重量。

而若采用轮毂电机的布局，则可以省去动力总成中的大部分组件，例如发动机与变速箱。轮毂电机直接安装在车轮内部。米其林和汽车公司Venturi在2010年合作推出了一款VenturiVolage概念车，其中就采用了轮毂电机方案，米其林将其称为主动轮系统（Active Wheel System）。该系统的强大之处在于，车轮内不仅有电机，甚至连电子制动系统、主动悬架系统也都包含在内。

2、塑料材质

塑料在我们日常生活中随处可见。现在，研究者正在通过各种方法令塑料的应用变得更广泛，同时使其强度变得更高以在更极端的环境下适用。美国Polimotor研制的塑料发动机材质比传统全金属发动机重量要轻30%。

除了发动机以外，我们还能在汽车内饰中见到它，例如车内饰板、中控台面板甚至是车外的前后保险杠、侧裙、侧视镜外罩等。

全世界每年约有250万吨的塑料水瓶被遗弃，现代QarmaQ概念车的车身则是从这些废弃塑料瓶中进行提取而得。将来某一天，当你看到一辆由塑料制成的汽车时请不要惊讶。

3、碳纤维

碳纤维对于汽车行业来说并不陌生，它一开始应用于航天飞机中，接着在赛车中应用，令他们再赛道上拥有更灵活的身姿。而现在，我们在一些高端汽车中也已经能见到它们的身影，例如宝马i3。

这类材料的强度与钢材相同，但重量仅为其一半，为铝材的70%。其结构与玻璃纤维类似，但强度却远远高于后者。

那么为何我们目前仅能在极少数的车中看到这类材料呢？原因是成本过高，具体表现为生产周期长、生产工艺复杂。

雷克萨斯、宝马、三菱等众多车企如今都在进行广泛的研究，试图找出降低碳纤维生产成本的方法，使其能够真正令汽车受益。宝马集团多年前就在其车辆上应用了复合材料和碳纤维织物。M系列车型的屋顶采用了赫氏公司的HexForce® NC2®碳纤维增强材料，拥有无卷曲产品专利制造技术，该技术使用单向带满足产品所需的强度和刚度。雷克萨斯的工程师将来自丰田汽车公司的传统编织方式转变为精密的三维碳纤维编织法，既有利于更精确的质量控制，又为此项工程技术在未来产品中的应用打下了坚实基础。

4、小型化汽车电池

对于混合动力甚至纯电动车来说，有什么办法能够对其进行减重呢？许多车企的做法是从提供驱动能量的电池着手。最早的时候，人们利用铅酸电池为电动车供电，原因在于它的电极材料容易获得，制造简便。随着技术进步，镍氢电池诞生，它相比铅酸电池来的更轻，并且容量也更大，在混动车中有广泛应用。

而随着燃效与环保法规收紧，车企希望通过电动车来达到最新的标准，那么，即便镍氢电池的大容量也已无法达标。镍氢电池的能量密度与相对应重量的石化燃料能量密度无法比拟。

此时锂电池的身影逐渐映入工程师的眼帘，其由于高能量密度的特性被视为更有潜力的电池种类。不过其缺点在于，长时间暴露在高温下容易起火甚至爆炸。虽然发生此类情景的概率不高，但在汽车这类产品中，一次起火事故足以阻碍其发展。

美国麻省理工学院的研究者正在试图通过替换电极材料来提升锂电池的稳定性。从目前看来，锂电池仍会在很长一段时间内作为电动车的首选动力源。

5、线控系统

提到电气化车辆（electric vehicle），人们自然而然就会想到依靠电机驱动车轮。而电气化车辆的另一层含义在于传统车内机械系统被电子线束系统所替代，电子线束系统比传统机械部件要轻的多。汽车行业提出的“x-by-wire”指的就是线控传动、线控制动、线控转向等系统的总称。除了能够减轻重量之外，线控系统的最大优势在于可以提升操控精确度。

线控技术最先用于战斗机，一度成为了F16战斗机的标配。随后逐渐沿用至商用飞机，最后也出现在了汽车上。

线控系统占据车内的空间更小，意味着设计是有更多的设计自由度，车舱内的空间也能更宽裕。

然而，并不是每个人都喜欢电气化程度更高的系统，他们担心汽车会像今天的电脑一样发生软件错误。实际上，这样的担心是多余的，因为即便是机械系统，它同样有其特定的问题，例如磨损、腐蚀、断裂等等。随着时间的推移与应用率的提高，人们最终会接受这项目前来说还有些“不靠谱”的技术。

六、现在是发展汽车轻量化最好时代 需要车企共同努力 从汽车设计本身而言，无论是设计、材料、工艺还是制造环节，都在强调轻量化，现在是发展轻量化最好的时代。汽车轻量化是汽车全产业链共同的事情，需要汽车企业努力，还需要行业联盟和政府的支持。

不久前，我国的千吨级T700碳纤维试生产线开始运转，长期以来高度依赖进口的高性能碳纤维在我国实现了自主化制备，其产品不仅有望替代进口，而且生产成本具有国际竞争力，大规模国内商业运用在即。如此，包括碳纤维在内的高性能纤维对汽车等运输工具的减排降耗的贡献或许将得以实现。

近年来，各大车企争相布局新能源汽车，行业竞争日益激烈。而对汽车实现轻量化，将有助于部分企业取得先发优势。要实现轻量化，高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料等都是目前比较好的选择，而作为节能和新能源汽车的核心技术，每项材料又各有优势与技术难点。

轻量化最好的发展时代

从汽车设计本身而言，无论是设计、材料、工艺还是制造环节，都在强调轻量化，现在是发展轻量化最好的时代。轻量化在这个时代提出来，有很多根本性的原因。经过100多年的发展，汽车行业面临的问题和挑战非常多，包括动力性能、经济性、油耗、环保等问题，而轻量化好像“万金油”，其优点能够覆盖到汽车凸显的这些问题。

在现有蓄电池性能无法取得根本性突破的前提下，仅有的改善车辆续航里程的手段，只能是减重。

最近一项实验证明，如果一台总重量为1550千克的新能源汽车续航里程为186公里，若将其非蓄能部件尽可能轻量化，能将总重量减少到1011千克，其续航里程可直接提高到275.5公里，已经较为令人满意。

2011～2015年欧洲车身会议的数据显示，车辆的轻量化系数由2011年的3.29下降到了2015年的2.33。5年时间轻量化系数降低了30%，说明汽车轻量化已经得到很大的提升和改善，而且轻量化已经成为汽车主机厂迫切的需求。

汽车追求轻量化不仅仅是为了减重，更为了考虑产品的功能和成本，轻量化跟成本、性能开发是一样的，离不开这些属性的关联，轻量化要综合考虑。

这体现在除了新材料本身的生产，使用过程也要考虑新的结构、优化汽车制造工艺。新材料的使用目的除了减重，还要保障汽车其他性能的优化。

如果把高强钢等级提升了，材料变得很薄，使用时模态就变差了，只有通过改变结构截面才能满足要求。

不只是减重

轻量化单靠这样简单的评价肯定是不够的。将油耗、动力性能加入综合竞争力评价后，你就发现绝对重量轻不意味着这辆车更有竞争力。这也是目前如果把轻量化作为一个系统工程来开发所面临的问题，因为轻量化没办法独立出来考虑，这是目前最大的挑战。

作为由众多零部件组成的器械，汽车的NVH（噪声、振动与声振粗糙度）都有专门的团队来研究。要把轻量化做得更好、更完善，就要将其作为汽车的性能开发结构来对待。这样轻量化的标准就成为不是我要减重多少，而是在车型开发、应用的时候要考虑这个车的重量能做到什么状态，同时满足汽车的其他性能要求。

要确定轻量化达到的目标很难。整车重量目标制定很关键，一般分为以下几种：体积密度法、尺寸推算法、统计分析法、竞争力分析法、挑战法和油耗反推法。

目标确立之后，就是将轻量化开发作为一项属性开发，强调的是正向开发的思路。轻量化正向开发主要包括两条线，第一条线是重量管理，另外就是技术开发。只有两条线结合在一起做，车型开发的轻量化才能做得更加理想。如果将两条线的职能分开的话，你会发现这个工作推进起来非常困难。

轻量化涉及面太广了。从严格意义上来说轻量化跟整车所有零部件，甚至一颗螺丝钉都有关联性，所以轻量化不仅涉及技术的问题，还有各个部门之间理念认同等非技术的问题。

要把轻量化这个工作在车型开发中做好，就必须有全流程管理的理念，而不是简单地制定一个目标、提几个方案就解决问题了。

全产业链共同的事

随着科技的发展，轻量化材料和技术层出不穷。

有业内人士指出，现在有镁合金、碳纤维，未来还会有新的轻量化材料，但不论出现什么材料，这些轻量化材料都不会是孤军奋战，必然是以组合的形式出现，因为汽车未来的发展趋势是多种材料混合使用。

实际上轻量化开发最离不开的核心，就是先进轻量化技术的开发。但是先进轻量化技术开发面临的问题——成本风险、周期风险、质量风险——就像任何新的技术应用所面临的巨大风险一样。

一个新的技术开发后直接在车型上应用是我们所希望的。但是实际上，往往有很多技术开发完全依赖于车型来做的话，就很难做得下去。这需要汽车生产商要有独立的平台做轻量化的技术开发和应用。

从技术上来说，轻量化材料面临如何弥补技术、生产缺陷的难题。比如能够完全实现减重和性能双重目标的镁合金，却在价格、便利生产、耐腐蚀等方面都比不过高强度钢。

从环保角度讲，如何实现更有效地回收利用，更好地满足环保要求也很重要。尽管国内许多企业已经研发出性能优异的新材料汽车，但是要想向市场推广，进入商业化，还需要进一步建立维修、回收和循环使用技术体系。

汽车轻量化是汽车全产业链共同的事情，需要汽车企业努力，还需要行业联盟和政府的支持。对企业来说，虽然一些新技术在前期研究时投资巨大，但这种投资是必要的，因为有了先进的技术储备，一旦时机来临，就可掌握先机。

第三篇：铝合金材料的应用与交通工具的轻量化

铝合金材料的应用与交通工具的轻量化

杜明义

（东北轻合金有限责任公司,黑龙江,哈尔滨）

摘要：本文通过铝合金在汽车行业上的应用，深入分析了交通工具的轻量化发展趋势，揭示了铝合金材料在交通运输领域良好的应用前景与应用空间。关键词：铝合金、轻量化

Application of aluminum alloy material and lightweight of the vehicle

DU Ming-yi(Northeast Light Alloy Co.,LTD, Harbin)Abstract: This paper introduced application of aluminum alloy material in the automobile industry.Analysed the development trend of vehicle lightweight deeply.Opening out favorable application foreground and application space of aluminum alloy material in the traffic and transportation field.Key: Aluminum alloy、lightweight

轻量化的研究是现代车身设计的一大主流。当前，节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车技术发展的趋势，尤其是节能和环保更是关系人类可持续发展的重大问题。因此，降低燃油消耗、减少向大气排出CO2和有害气体及颗粒已成为汽车界主要的研究课题。减少汽车自身质量既汽车轻量化是汽车降低燃油消耗及减少排放的最有效措施之一。目前，汽车轻量化的途径有两种，一是优化汽车框架结构；一个是在车身制造上采用轻质材料。而目前车身制造上常采用的轻质材料为铝合金材料。

目前，世界交通运输业用铝为产量的26%，而我国仅为5.7%。随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们越来越追求生活质量的提高，对交通工具的需求越来越大。因此，铝合金材料在交通运输业上的发展空间还很大。而且，铝合金是最常见的汽车用轻金属，在汽车上使用较早，相对比较成熟。现代轿车发动机活塞几乎都用铸铝，这是因为活塞作为主要的往复运动件要靠减重来减小惯性，减轻曲轴配重，提高效率，并需要材料有良好的导热性，较小的热膨胀系数，以及在350℃左右有较好的力学性能，而铸铝能符合这些要求。同时由于活塞、连杆采用了铸铝件，减轻了重量，从而减少发动机的振动，降低了噪声，使发动机的油耗下降，这也符合了汽车的发展趋势。

汽车车身约占汽车总重量的30%，对汽车本身来说，约70%的油耗是用在车身质量上的，所以汽车车身铝化对减轻汽车重量，提高整车燃料经济性至关重要。奥迪汽车公司最早于1980年在Audi80和Audi 100上采用了铝车门，然后不断扩大应用。1994年奥迪斥资800万欧元建立的铝材中心（1994-2002），两年前被更名为“奥迪铝材及轻量设计中心”。1994年开发了第一代Audi A8全铝空间框架结构（ASF）,ASF车身超过了现代轿车钢板车身的强度和安全水平，但汽车自身重量减轻了大约40%。随后于1999年在这里诞生的奥迪A2,成为首批采用该技术的量产车。2002年，奥迪铝材及轻量设计中心又见证了第二代奥迪A8 的诞生。

在此期间，美铝还开发了全新的汽车生产技术。如今，铝制车身制造的自动化操作程度已达80%，赶上了传统钢制车身生产的自动化水平。

业内人士认为，这些令人振奋的全新发展动向表明了奥迪打算将铝材料更广泛地运用于量产车的决心。此外，奥迪与美铝一直保持着良好的合作关系，双方合作的目标是共同开发一款全新的可以量产的全铝制车身汽车。

美铝为全球汽车制造商提供品种繁多、性能优异的汽车部件和总成，包括车身覆盖件的铝板、压铸轮毂、配电系统、底盘和悬架部件，以及保险杆、发动机支架、传动轴、车顶系统等总成。包括奥迪A8的第二代ASF框架结构、宝马5和7系列的铝制悬架、日产Altima的发动机罩和轮毂、法拉利612-Scaglietti的全铝车体结构和捷豹XJ采用的真空压铸技术，美铝的产品和解决方案使这些车型向着更轻量化，更技术化的方向发展。

目前，铝合金材料在现代汽车轻量已经显示出非常重要的重用。制约铝合金在汽车上大量应用的主要原因之一是其价格比刚材高，为了促进铝在汽车上的应用，必须降低材料成本。除开发低成本的铝合金和先进的铝合金成型工艺外，回收再生技术可进一步降低铝的成本。扩大铝合金应用的另一个研究方向是开发新的各种连接技术，今后发展的多材料结构轿车要求连接两种不同类型的材料（如铸铁-铝、钢-铝、铝-镁等），对这些联接技术以及对材料和零件防腐蚀的表面处理技术是今后扩大铝在汽车上应用的重要课题

汽车广泛应用的铝制轮毂就是铝合金在汽车上应用中的一个例子，铝合金轮毂的优点是：

1、省油

平均每个铝合金轮毂比相同尺寸的钢轮毂轻2kg，一台轿车用5个便省了10kg重量。根据日本实验，5座的轿车重量每减轻1kg，一年约节省20L汽油。而美国汽车工程师学会发表的研究报告指出，铝合金轮毂虽然比一般钢轮毂贵，但每辆汽车跑到2万km是，其所节省的燃料费便足够抵回成本。

2、增加发动机寿命

根据发动机负荷与功率曲线图，当负荷增大至某一程度后，其功率反呈降低，此边际将就表示此时每1单位负荷，发动机将更吃力（特别耗油），发动机负荷减轻，自然减少故障，延长寿命。

3、散热好 铝合金的热传导系数为钢的3倍。散热效果好，长途高速行驶之时，也能使轮胎保持在适当的温度，使刹车鼓及轮胎不易老化，增加寿命，降低爆胎的机会。

4、真圆度好

精度高达0.05mm，运转平衡性能好，有利于消除一般车身超长及方向盘抖动现象。

5、坚固耐用

铝合金轮毂之耐冲击力、抗张力及热力等各项强度较钢轮毂要高。这也是铝合金在国防工业、航空工业扮演重要角色的原因之一。

6、美观

一般钢轮毂因生产所限，形式单调呆板，缺乏变化；铝合金轮毂则有各式各样的设计，加上光泽、颜色效果好，从而提高了汽车的价值与美德。

综上所述，铝合金在汽车行业上的应用前景是很好的，但是值得我们注意的是，据波音公司称在梦幻飞机的用材中铝材仅占飞机自身质量的20%，碳纤维增强的复合材料却占到50%强。这是迄今为止铝材用量最少而复合材料却占到50%多的客机。碳纤维增强的航空复合材料的强度比钢的还高，而其密度又比铝的低，是制造航空航天器的良好材料，不过其价格目前比航空航天铝材贵得多，就性价比来说不是在今后一段时间内在全部的航空器制造中都具有替代铝材的明显优势，大多数客机铝材用量仍占其自身质量的70%左右，但铝材受到的严峻挑战却是显然的，不可掉以轻心，必须开发新的合金，新的加工工艺，大幅度提高材料的性能，迎接挑战。

总之，虽然在铝材料短缺的背景下，目前一些公司开始用其它材料代替铝材料，但新型替代材料不会完全代替铝材料。在未来二三十年内，铝材料在同类材料中仍占第一位，铝合金材料在交通运输行业上更是大有作为的。

参考文献：

1、王金涛.张桂林 中国对铝材需求将不断增长,经济参考报，2005年10月15日

2、王祝堂.航空铝材受到严峻挑战,中国有色网，2006年4月27日

3、连惠红.身轻如燕—轻量化和铝合金材料的应用,车主之友，2005年10月21日

第四篇：汽车车身轻量化技术(精)（写写帮推荐）

汽车车身轻量化技术

[摘要]介绍了车身轻量化的重要意义和相关车身性能。从轻质材料、结构设计和制造工艺3个方面阐述轻量化技术的主要途径，并通过实例重点分析采用热成型工艺的轻量化效果，最后对比3种轻量化技术的特点和应用范围。

[主题词]轻量化，车身，汽车

0 引言

安全、节能和环保已成为消费者最关心的汽车性能指标。如何开发出更安全、节能、环保的汽车也是当今汽车厂商的重点技术发展方向。汽车安全的重要性不言而喻，涉及到人身安全；节能和环保，不仅影响到用户的用车成本，也关系到可持续发展。目前，各国已有诸多安全和排放法规来强制规范汽车产品的安全和环保性能。

研究资料表明，汽车的燃油消耗与汽车的自身质量成正比，汽车质量每减轻1%，燃油消耗降低0.6%-1.0%，燃油消耗下降，排放也随之减少。因此减少汽车自身质量成为提高节能环保性能的有效途径。而白车身作为车身骨架一般占整车质量的22%—25%，其轻量化对降低整车质量意义重大。因此，汽车车身轻量化技术成为现代汽车开发技术一个重点课题。车身轻量化的基础

车身轻量化必须在保证汽车安全性的前提下，同时达到车身刚度、疲劳耐久性、操控稳定性和振动舒适性等要求。

1.1 车身结构安全

车身结构安全属于汽车的被动安全范畴，目的在于保护车内乘员的安全。

自20世纪50年代起，许多国家陆续开始制定汽车被动安全法规。目前各国汽车被动安全法规有：美国联邦机动车法规体系(FMVSS)和欧洲法规体系(ECE／EEC)。而我国强制性汽车被动安全标准(GB)主要是参考欧洲法规体系。另外还有各国的新车评价体系(NCAP)全面地为消费者提供汽车安全性能方面的信息。

车身结构安全直接影响到汽车是否满足这些被动安全法规。其包括正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞、翻滚和低速碰撞等。车身结构在设计上一般分为低速行人保护区，相容吸能区和乘员保护区。

1.2 车身刚度

评价车身结构力学性能的主要指标是车身刚度，包括动态刚度和静态刚度，静态刚度又包含扭转刚度和弯曲刚度两个方面。在车身轻量化中，必须保证达到车身刚度的要求，这样才能使汽车的疲劳耐久性和振动舒适性等不受影响。

1.3 车身轻量化系数

为了评价轻量化的效率，引申出了车身轻量化系数的概念，其可通过如下公式计算：

式中，Lq为轻量化系数；MBIW为白车身质量；CT为白车身静态扭转刚度；A为白车身投影面积，由整车轴距与轮距相乘获得。轻量化系数Lq值越小，表示车身轻量化做得越好。车身轻量化的途径

2.1 采用轻质材料

2.1.1 超高强度钢板

按照抗拉强度的不同，钢材一般分为普通钢、高强度钢和超高强度钢。抗拉强度小于210MPa的称为普通钢；抗拉强度在210—550MPa之间的成为高强度钢；抗拉强度超过550MPa的称为超高强度钢。

超高强度钢主要有：相变诱导塑性钢TRIP，双相钢DP，复相钢CP，以及马氏体钢Mart等。由于马氏体钢抗拉强度约为1200MPa，其一般采用滚压成型工艺制造，用于车门防撞杆和门槛加强板等零件。目前车身上使用的超高强度钢，主要是称为先进高强度钢(AHSS)的，其是利用金相组织强化得到的钢种，具有强度、延伸和塑性的各方面优良的综合性，其抗拉强度范围为500—1500MPa。另外还比较多地采用热成型钢，成型后零件的材料抗拉强度达到1800MPa。

图1为目前某一较新车型的不同强度钢材分布，可以看出，目前该车型的超高强度钢比例已经达到11%，高强度钢比例为11%，普通钢只占27%。而从保证车身碰撞安全性的角度来看，高强度钢的用量将直接决定车身轻量化的水平。

2.1.2 铝合金

铝合金是在汽车轻量化中应用相对成熟的轻质材料。奥迪汽车公司最先在Audi80和Audi100两款车型上采用了铝车门。1994年开发了第一代全铝空间框架结构(ASF)。ASF车身超过了现代同类钢板车身的车身刚度和被动安全性，但汽车自身质量却减轻了大约40%。

但是铝材价格相对较高，是钢材价格的3倍左右，且铝制产品成型工艺相对复杂，这是制约铝合金轻量化应用的因素。除开发低成本的铝合金和先进的铝合金成型工艺，发展回收再生技术以进一步降低铝的成本之外，扩大铝合金应用的另一个研究方向是开发新的各种联接技术，如铸铁—铝连接、铝—钢连接、铝—镁连接等。

2.1.3 镁合金

镁合金是比铝合金密度更小的轻质材料。其耐热耐压耐腐蚀且易于回收利用。欧洲正在使用和研制的镁合金汽车零部件有60多种。驶多飞集团与德国大众合作，准备将其专利产品镁合金MnE21替代某车型白车身上的多个钢板零件，如前后保险杠、车顶横梁和车门防撞杆等。如果替代成功，将大大减轻该车的车身质量。

2.1.4 工程塑料

目前已有采用工程塑料的车身翼子板，其相比金属可以实现40%的减重，且其能耐侵蚀和轻微碰撞，在低速碰撞的情况下无需维修，从制造角度相比金属有更大的造型自由度提升，也便于零件集成，从满足行人保护方面考虑，也是理想的选择。

2.2 结构优化设计

利用有限元法和优化设计方法可对结构力学性能进行分析和优化设计。在车身结构优化设计中，通常采用的优化方法有：拓扑优化、形貌优化、形状和尺寸优化。其中拓扑优化在结构的概念设计阶段应用较多。形貌优化可以对加强筋的形式、走向和位置深度等参数进行优化，形状和尺寸优化可以对饭金件的型面和板厚进行优化。

一般优化问题可以通过下列关系表述：

式中

在设定优化变量时，可以通过车身钣金零件的灵敏度分析，选择对目标函数贡献较大零件尺寸参与优化设计计算，作为优化设计变量。变量的变化范围则结合实际经验中的零件尺寸限制而定。

在发动机舱盖内板和车门防撞杆的设计中，可以应用拓扑优化、形貌优化和形状优化的组合，选择更合理的内板上开孔位置、筋的走向和深度，优化车门防撞杆的型面。

为一个n维向量，XL和XU分别是设计变量的上限和下限。

2.3 制造工艺

2.3.1 热成型

热成型工艺中，是将材料加热到再结晶温度以上，使板料在奥氏体状态时进行成形，降低板料成形时的流动应力，由此来提高成形性。把材料放在加热炉加热5+10min使其温度达到900—950℃，之后进行冲压加工及冷却。

通过热成型工艺加工出的零件优势明显，其具有很高的强度和延伸性，可以大幅的减轻零件重量，能保持高的形状精度，冲压时无回弹，可加工成复杂形状。在车身中采用一定数量的热成型零件后，可以大幅提高车身防撞安全性能。

图2为某车型热成型零件分布，该车型采用热成型的零件有：前保险杠横梁、前围下框前地板横梁、中央通道左右B柱加强板、左右A柱加强板。8个零件所在区域正是从充分满足碰撞安全性要求而设计布置的，保险杠可增强正面碰撞和低速碰撞安全性，而其它7个零件其构成乘员保护区，在侧面碰撞和正面碰撞中都可以很好地保护车内乘员。

如图3和图4所示，原方案采用B柱加强板和B柱加强内板两个零件组合，板厚均为2.5mm；而热成型方案采用B柱加强板一个热成型零件，板厚为1.85mm。左右两侧B柱都采用热成型方案之后，可减重接近10kg。从设计选择的过程可知，其轻量化效果十分显著，采用更多的热成型零件，尤其在乘员保护区采用热成型零件，是车身轻量化设计的方向。

2.3.2 液压成型

液压成型，是指利用液体作为传力介质或模具使工件成型的一种塑性加工技术，也称为液力成型。其按介质可分为水压成型和油压成型两种；按加工坯料分为管材液压成型、板料液压成型和壳体液压成型。液压成型与冲压焊接工艺比较，其仅需要凸模或凹模，液体介质作为凸模或凹模，当液体作为凸模可以制造很多刚性模无法成型的复杂零件。且液体作为传力介质具有可控性，具有很高的工艺柔性。

车身结构中应用较多的是板料液压成型。采用液压成型除了能实现轻量化，同时增强车身刚强度和结构安全性之外，还能减少零件数量，从而也减少了模具数量和费用，减少了后续机加工和焊接等加工工序，降低了总制造费用。因此，液压成型工艺近年来得到快速发展。

目前车身中已有仪表板横梁、散热器支架、座椅骨架、保险杠横梁、顶侧框等零件采用了液压成型工艺制造。

2.3.3 变截面板技术

在车身上应用的变截面板有激光拼焊板(TWB)，连续变截面板(TRB)和搭接板(PB)。

TWB技术是指在零件冲压成形前将两块或多块具有相同厚度或不同厚度的相同钢种材料或不同钢种材料的板件通过激光焊接连接起来的一项新技术。

采用激光焊接板不仅是一种轻量化途径，还可以减少汽车零部件的数量。车身结构的精度可以得到很大提高，许多冲压设备和加工工序可以得到缩减。另外，采用激光焊接板可以提高原材料利用率，通过在落料工序中采用排料技术，将型号和板厚不同的钢板合理组合从而降低材料废料率。

目前，国内合资厂已有很多车型采用激光拼焊板，主要集中在上纵梁、前纵梁、前围板、中央通道、后纵梁、前地板、前门内板、B柱加强板、侧围内板等零件。

如图5为前纵梁，前面部分板厚为1.75mm，属于车身结构的相容吸能区，中间部分板厚为2.6mm，属于车身结构的乘员保护区，后面部分板厚为1.35mm，这样的板厚分布既保证了碰撞安全性，又达到了轻量化的效果。同样地，中央通道前部板厚为1.5mm，后部板厚为1.2mm，前部属于乘员保护区。

TRB是通过计算机实时控制和调整轧辊的间距，以获取沿轧制方向上按预先定制的厚度连续变化的板材。

与TWB相比，TRB成型性能更佳，有连续、光滑的表面，可作车身外覆盖件。但受设备的限制，连续变截面板厚度变化有局限，而且不能把不同材料轧在一起。因此目前激光焊接板应用更广，将来连续变截面板的应用也会越来越多。

PB是指将两块钢板先搭接在一起然后一起放入模型进行冲压成型的工艺。目前在某车型的门槛加强板上也得到应用，如图6所示。这样使车身具有更好的碰撞安全性，同时还节省了使两个零件连接的焊接工序。结语

车身轻量化技术是轻质材料、结构优化设计和先进制造工艺的集成应用。得益于近年来新材料研究的迅速发展，轻质材料可选范围不断扩大，但是目前高强度钢仍是最主要的应用最多的轻质材料。而结构优化设计则要依托CAE的辅助，不断采用更高效的仿真计算和优化方法，创新设计出更轻量化的结构是发展方向。而通过先进制造工艺实现轻量化，对厂家的制造工艺水平要求较高，因此国外欧美汽车制造商和国内合资厂运用较多。如何实现汽车的轻量化，达到最好的节能环保效果，应该根据产品定位，优化设计能力和制造工艺水平进行整体考虑，同时考虑成本因素，在满足车身刚度、结构安全性、疲劳耐久性、操控稳定性等前提下，选择最合适的轻量化途径，最终增强产品的竞争力。

第五篇：车身轻量化材料——高强度钢板热成形技术

车身轻量化材料——高强度钢板热成形技术

.汽车用高强度钢板

长期以来，钢铁一直是汽车工业的基础，虽然汽车制造中铝和塑料的用量不断增加，但钢铁材料仍是汽车的主要材料。21世纪的汽车行业，降低燃料消耗、减少CO2和废气排放已成为社会的需求，作为材料生产厂的钢铁业为了适应这种发展趋势，已开发出许多种类的高强度钢板来帮助减轻汽车重量，适应汽车工业的新要求。近年来，超轻超薄高强度钢板的品质和性能大大提高，相信到2020年，高强度钢板在汽车上的使用率将超过70%。1.1 高强度钢板等级划分

对于高强度钢的定义，一直并无定论，被钢铁界普遍认同的是ULSAB-AVC(Ultra Light Steel Auto Body-Advanced Vehicle Concept)联合会进行的划。将屈服强度为210—550MPa的钢定义为高强度钢(HSS，High Strength Steel)，也就是传统的高强度钢，典型的如碳锰(CMn)钢、烘烤硬化钢(BH)等。屈服强度为550MPa以上的钢定义为超高强度钢(UHSS，Ultra High Strength Steel)，典型的如孪晶诱导塑性钢(TWIP钢)、热成形钢(HF)等。而先进高强度钢(AHSS，Advanced High Strength Steel)的屈服强度覆盖于HSS和UHSS之间的强度范围，在500-1500MPa之间，典型的如双相钢(DP钢)、相变诱发塑性钢(TRIP钢)、马氏体钢(MART钢)。图1为各类汽车用钢板的屈服强度与延伸率的关系，随着强度的提高，延伸率下降。在ULSAB-AVC项目中，为了同常规的高强度钢板区别开来，把DP钢、TRIP钢和B钢等以相变强化为主的钢板统称为先进高强度钢板，这类钢板具有高的减重潜力、高的碰撞吸收能，在汽车轻量化和提高安全性方面起着非常重要的作用，已经广泛应用于汽车工业。

图1 各类汽车用钢板的屈服强度

与延伸率关系图

1.2 汽车用热成形高强度钢板

先进高强度钢板是车身轻量化的主要发展方向，为了兼顾轻量化与碰撞安全性以及高强度下冲压件回弹与模具磨损等问题，热成形高强度钢及其成形工艺和应用技术应运而生。目前凡是达到U-NCAP碰撞4星或5星级水平的乘用车型，其安全件(A/B/C柱、保险杠、防撞梁等)大都采用了抗拉强度1500MPa、屈服强度1200MPa的热成形钢。同时，在先进高强度钢板的冷成形中，为了解决成形裂纹和形状冻结性不良等问题，热冲压材料的开发和应用引人注目，已用其进行了强度高达1470MPa级汽车部件的制造。

目前，世界上热成形用钢几乎都选用硼钢种，因为微量的硼(B)可以有效地提高钢的淬透性，可以使得零件在模具中以适宜的冷却速度，获得所需的马氏体组织，从而保证零件的高强度水平。硼的作用在20世纪50年代早期就被人们所认识，硼只有固溶在钢中才能起到强化作用。由于硼与氧和氮有强烈的化学亲和力，因此在钢中添加硼时都需要添加一些强氧化物和氮化物形成元素，如铝、锆和钛等。固溶的硼偏析在奥氏体晶粒边界，延迟了铁素体和贝氏体的形核进而增加了钢的强度。含硼超高强度钢板的强度可以高达1500Mpa，为普通钢板强度的3～4倍，将其应用于汽车零部件不仅可以直接减少料厚、降低车身重量，还可以提高汽车的安全性，以及相关联的降低油耗、节约能源、减少汽车排放等。并且硼钢属于含硼高强度钢板，废物可以充分回收利用，有利于降低环境污染。常用的钢种包括：Mn-B系(上海宝钢开发)热成形用钢、Mn-Mo-B系(北美、欧洲等多用此系列)、Mn-Cr-B系(高淬透性热成形钢)、Mn-Cr系(部分马氏体热成形钢)、Mn-W-Ti-B系(如韩国POSCO 公司开发的高烘烤硬化细晶粒热成形钢)。高强度钢板热成形加工工艺

2.1 热成形加工工艺基本原理 2.1.1热成形理论基础 热成形工艺与传统的成形工艺相比，其特点是在板料上存在着一个不断变化的温度场。那么热成形用钢板的成分就有一些特殊的要求，其成分设计也要适应热成形过程中的热循环。在这个温度场的影响下，板料的基体组织和力学性能发生了变化，从而板料的应力场也发生了变化。在成形过程中，板料的应力场变化又反作用于温度场，如图2。热成形工艺，正是这样一个板料内部温度场与应力场同时共存，相互作用，耦合的变化过程，对板料在成形过程中的流动、变形等造成影响。表1简单地描述了这些相互作用。

图2 应力场、温度场和金属微观组织的相互作用

表1 应力场、温度场和金属微观组织的相互作用的描述

2.1.2 实际热成形加工工艺

实际热成形工艺原理如图5。首先把常温下强度为500~600 MPa的高强度硼合金钢板加热到880~950℃，使之均匀奥氏体化，然后送入内部带有冷却系统的模具内冲压成形，之后保压快速冷却淬火，使奥氏体转变成马氏体，成形件因而得到强化硬化，强度大幅度提高。比如经过模具内的冷却淬火，冲压件强度可以达到1500 MPa，强度提高了250%以上，因此该项技术又被称为“冲压硬化”技术。实际生产中，热冲压工艺又分为两种，即直接工艺和间接工艺。图3(a)所示的是直接工艺，下料后，直接把钢板加热然后冲压成形，主要用于形状比较简单变形程度不大的工件。对于一些形状复杂的或者拉深深度较大的工件，则需要采用间接工艺，先把下好料的钢板预变形，然后再加热实施热冲压，如图3(b)。

(a)直接工艺(b)间接工艺

图3 工艺说明图

2.2热成形加工关键技术

对高强度钢板的热成形技术，我们需要重点关注的是用钢选择、热成形用钢的表面镀层、模具设计和热成形零件的检测问题。

2.2.1 热成形用钢选择

热成形用钢的选择是保证热成形零件性能的重要一环。高强度钢板的热成形性主要分包括以下形式：深冲成形性、胀形成形性以及延伸凸缘成形性等。一般认为：深冲成形性取决于钢板塑性应变化的Lankford值；胀形成形性取决于钢板的延性；而延伸凸缘成形性取决于钢板的局部变形能和显微组织均匀性。B在支配延伸凸缘成形性和弯曲成形性的显微组织均匀化方面起到了重要作用，故一直采用F+B和B单一组织；而且为了实现高强度化目标，也采用了低碳M。马氏体钢中的22MnB5钢的原理与此相符，是典型的热冲压材料钢(具体成分见表2)，它利用钛和硼微合金化的方法，通过热成形后急冷获得高的成形度和极高的强度(图4)。目前，热成形MnB钢板在欧美和日本主要汽车制造企业已经开始使用，如新型Golf V6车有5个零部件用MnB钢制成，最新的第六代PASSAT车型有9个这样的部件。图5是宝钢开发的热冲压成形用含硼钢的CCT(连续冷却相变)曲线，经过 950℃左右单相奥氏体区的加热保温后，当冷却速度大于15℃/s后，钢板的组织转变为全马氏体组织，其硬度为HV450～500，强度达到1300—1500MPa。

图4 热成形过程中22MnB5钢的性能变化示意图

图5 热冲压用钢板典型CCT曲线 2.2.2 热成形用钢的表面镀层

用于热成形的硼钢，将之加热到奥氏体形变点以上，金属模冲压成形与淬火几乎同时进行。但是对热成形用钢的研究表明，由于延伸性和韧性的不足，较之其高强度的性能，热成形用钢不能获得充分的冲击吸收能(即韧性值不高)。因此，如何调整其成分以改善这些特性是今后的重要课题。在热成形过程中，钢板在高温下暴露于空气中，不可避免地会引起表面的氧化，形成氧化铁皮，为了不影响后续的涂装工序，热成形后的零件需要经过喷丸或酸洗去掉钢板表面的氧化铁皮，这无形中又增加了生产成本。与此同时，钢板在氧化的同时也会引起钢板表面的脱碳，进而影响钢板的强度。此外，随着汽车零件耐腐蚀性能要求越来越高，表面进行镀层处理的钢板越来越受到人们的重视，一系列热成形用镀层钢板被相继开发出来，同常规的冷成形用镀层钢板不同，热冲压用钢板的镀层需要具备抗高温和耐腐蚀的特点。目前开发的用于热成形的镀层板包括：镀Al板、镀Al-Si合金板和镀Zn板等。韩国POSCO钢铁公司正在开发纳米镀层板，以提高镀层的结合力，防止镀层在加热和成形淬火过程中剥落。

2.2.3 热成形模具设计

由于热成形过程中钢板及模具都在900℃以上到室温这一复杂的温度中变化，并且模具集板料成形与淬火过程于一身，所以模具设计是热成形技术的另一个难点问题。其主要技术流程包括模具表面设计、模具冷却系统设计和模具结构设计等。可用计算机和LS-DYNA软件进行成形模拟和冷却过程模拟，利用材料的高温性能如流变曲线、摩擦系数、FLD等参量进行成形模拟，并进行热传递模拟，这一过程实际是热力学、机械学耦合模拟。其模拟结果将作为模具设计方案确定的重要依据，并据此进行原型试生产和批量生产。同时，我们还可利用计算机模拟，进行碰撞分析和静载压溃分析。(1)模具材料的选择。

热成形的模具材料相比常规成形提出了更高的要求。不仅要求模具有良好的热强度、热硬度，高的耐磨性和疲劳性能，而且要能保证成形件的尺寸精度。同时要能够抵抗高温板料对模具产生的强力热摩擦以及脱落的氧化层碎片及颗粒在高温下对模具表面的磨粒磨损效应，并且能够稳定的工作在剧烈的冷热交替条件下。根据模具的加热温度，选用合理的模具材料，一般需要参考热锻用热作模具钢，选用合理的模具材料。蒂森的热冲压模具，采用具有很高热传导系数的模具材料(Glidcop—一种Al2O3/Cu复合材料)。(2)模具凸、凹模设计。

由于热胀冷缩的影响，零件最终的尺寸和冲压成形时的尺寸存在一定的误差，因此为保证零件的尺寸精度，必须在考虑热胀冷缩效应的基础上合理确定模具凸、凹模的尺寸。(3)冷却机构的设计。

对于热成形零件冷却机构的选择既要保证零件的冷却速度足够大，如某硼钢的临界冷却速度为30℃/s，使奥氏体尽可能多地转化成马氏体，保证零件的强度。而且还要避免零件和模具因冷却速度过大而引起开裂。通常采用在模具内通冷却水的方式对模具并通过模具对成形后的零件进行冷却。

(4)目前板材热成形工艺应用中尚存在的难点热成形工艺作为一种新型的、特殊的工艺也有其自身的缺点。

a)零件成形后冷却速度和保压时间难控制。

b)由于热加工成形的零件在冷却至室温的过程中，不同部位冷却速度不同会导致零件发生严重的变形，从而影响成形零件的尺寸精度。

c)由于热成形零件后续加工难度大，因而只能是应用于一道工序即可成形的简单零件，如梁、柱等类型的零件。同时，热成形工序并入现有冲压车间难度大。

d)与普通冲压模具相比，由于受模具材料的强度选择、模具热处理工艺、高应力集中、模具表面温度频繁升高和降低、以及由于模具凸、凹模表面的高温软化加剧了磨损等因素的影响，热成形模具容易失效，导致模具使用寿命降低。2.2.4 热成形零件的检测

热成形零件具有的压溃性能(碰撞后的低的侵入)决定了其很适合用于安全件。热成形零件的加工通常需要经过激光切割、冲裁孔、点焊、冷成形、装配以及油漆等工序，因此对热成形零件需要检测的内容很多。首先是要对热成形零件进行力学性能检测、形状检测、厚度分布检测和引入的内应力检测，还要根据不同零件的不同要求，采用不同的方法进行实物性能检测。对于一个合格的热成形零件，应当满足高强度、轻量化和安全性的要求，同时还应具备好的强度与韧性结合性、尺寸稳定性、可加工性(几何尺寸稳定性)、可焊性以及疲劳抗力等。热成形钢技术应用发展

国内首家热冲压零部件有限公司于05年在宝钢成立。并且用于热冲压成形的高强度钢—硼钢，也是由上海宝钢独家供货。宝钢生产的硼钢牌号为：1.85mm以上热轧，BR1500HS；1.85mm以下冷轧，B1500HS。与欧洲热冲压高强度钢22MnB5对应。屈服强度1000MPa、抗拉强度1400MPa、延伸率5%。相对于热冲压零部件有限公司的批量生产，宝钢股份研究院技术中心拥有独立的试制生产线。从2005年开始，已完成车身165个件的试制，其中12个样件一次试制成功。表3为宝钢热冲压机组相关参数。表3 宝钢热冲压机组相关参数

近几年来，热成形制造的零件的应用越来越广泛。中国上海大众在PASSATB6等多款车型中，热成形的部分占据了整个车身质量的15%，一般用在A/B/C柱及加强板还有中央通道、保险杠支架等地方。将典型的热成形用钢22MnB5在冲压前加热到950℃附近，然后在一个水冷模具中加压成形，再通过模具淬火最终零件的强度可以将大众汽车提到的1500MPa。但是在强度提高的同时，硼钢的冲击韧性受到越来越多的关注。由于微观组织全是由非常硬的马氏体构成，韧性就降低了，这一点非常关键。因为在碰撞试验中，这些零件通常都是放在用来承受很高的冲击载荷的地方。但是，现在还没有可靠的材料可以用来进行韧性与脆性之间的转换。在蒂森公司最近对淬火－回火的厚坯的研究中提到，铌微合金化的应用可以提高热成形钢的韧性。在这种情况下，用来防止硼和溶解的铌相结合，钛应该由铌和铝的化合物取代。这样做的结果是造成裂纹起始点的TiN粒子可以避免或被细小的碳、氮铌化物沉淀取代，从而降低热轧时晶粒尺寸，同样也可以在冲压前加热到950℃的过程中限制晶粒的长大。通常，晶粒细化对韧性是有利的。

由高强度板热成形制造的车身零部件如图6所示。与传统成形零件相比，热成形零件具有以下优点：

1)高强度：屈服强度可达到1200MPa，抗拉强度可达到1600MPa-2000MPa。2)高硬度：高达6t的静压不损坏。3)轻量化：板厚比传统钢板减薄达35%。

4)消除回弹影响，提高制造精度。

图7 高强度钢板热成形零部件

(前后保险杠、A柱、B柱、C柱、车顶构架、车底通道框架、仪表台支架以及车门内板、车门防撞杆等)结束语

综上可知，高强度钢以其轻质、高强度的特点仍是汽车用钢材的首选，并已成为满足汽车减重和增加碰撞性能和安全性能的重要途径。但是，常规高强度钢在室温下不仅变形能力很差，而且塑性变形范围很窄，所需冲压力大、容易开裂。同时，成形后零件的回弹增加，导致零件尺寸和形状稳定性变差。因此传统的成形方法难以解决高强度钢板在汽车车身制造中遇到的问题。热冲压成形技术便是解决上述问题的一种新型成形技术。近年来，世界各国汽车业投入大量的精力来开展以硼钢为主的先进高强度钢板开发及热成形技术的研究，并取得了长足的发展。这项技术在我国还属于起步阶段，因此对超高强度硼钢热成形技术的研究对我国的汽车工业的发展具有重要意义。