中北大学 山西太原 030051
摘要：随着社科学技术的高速发展，人们对出行提出了越来越高的要求，汽车作为出行的主要方式，必然也被人们所重视。汽车材料轻量化中具体介绍了金属材料如高强度钢、铝合金、镁合金和非金属材料如碳纤维、塑料和树脂在汽车行业的应用;汽车结构轻量化主要通过结构设计达到减轻汽车重量、节能减排目的。最后对汽车轻量化未来的发展进行展望。
关键词：汽车材料；汽车结构；轻量化
引言
现如今在汽车领域节能减排的实现低碳经济只要有两种主要方向：一方面是，汽车材料轻量化；第二方面是，汽车结构轻量化。由相关数据表面，汽车重量每下降10%,，燃油的用量下降6%～8%，尾气排放量下降4%～10%。汽车轻量化的使用在节能减排的同时也将汽车的性能提高了许多，是汽车的行驶安全性大大提高。现如今，汽车轻量化已经成为汽车领域在未来进步的必然趋势。
1 汽车零部件的轻量化
汽车材料轻量化中，由于高强度钢的高强度，多用于汽车安全件、底盘以及车身等方面。而铝合金作为仅次于钢材的汽车制造使用金属，以加工形式分为压铸、挤压和压延三种形态。其中压铸件在汽车领域中用量占比最高，约占80%，挤压件和压延件在汽车应用中却占比较少，各占比10%左右。压铸件只要用于发动机，车轮等部分，挤压件主要用于座架、行李架、门梁等，而压延件主要用于生产车身用铝板等。镁合金作为最轻的商用技术机构材料，目前镁合金制品的62%应用在汽车产业上，在汽车制造中，镁合金主要集中在发动机、车身和内饰三大部分。碳纤维是由有机纤维碳化处理以及石墨化处理得到的，一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。在汽车中主要应用在车身、底盘、车顶、头盖、引擎盖、尾翼、压尾翼、中控台、传动轴、装饰条、构架、板簧、刹车片、内外饰配件等系统。
2 实现汽车轻量化的路径
2.1 采用轻量化新材料
采用轻量化材料来降低零件重量。汽车轻量化目前使用的材料主要有高强钢、铝合金、镁合金、以及碳纤维复合材料。在减重方面，高强度钢减重效果并没有其他减重效果良好，但是成本的低廉却让高强度钢继续被使用在车辆制造中。铝合金的性价比是其中比较高的一部分，并且技术相对成熟，是现在阶段大部分汽车制造场的优选材料。碳纤维拥有最理想的减重效果和综合的性能，但是过高的造价却使其不能大量地应用在车辆制造中，随着人们对碳纤维的愈发关注，随着未来技术的解禁，生产规模的扩大，碳纤维将会有很大的市场。
2.2 改善汽车结构轻量化
结构轻量化主要由结构设计优化和轻量化工艺组成，前者是使零部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以及对车身零部件进行结构和工艺改进等，后者则是利用轻量化材料来降低零部件重量。两者主要侧重于汽车前期设计和生产制造过程层面，需要进一步提高需要大幅度讲技术和工艺优化，在目前技术水平下发展水平并不高；
3 我国汽车轻量化的成就
3.1 结构轻量化的应用
（1）汽车结构尺寸的优化。这一部分发展最早的，同时也是我国目前最为成熟的一种汽车结构轻量化技术。他是在机构材料、外形、类型以及功能给定的情况，将机构的尺寸作为参数变量，把满足典型工况下的刚度、强度和模态等作为约束条件，以将汽车结构质量最小化为目标构建一个优化的数学模型，从而最大程度的构建出一个理想的构件。
（2）汽车形状的优化。
形状优化旨在给定的汽车结构的类型、布局材料给定的情况下，对结构进行几何形状的改变，将结构的受力能力更加高效从而达到汽车结构强化的一种发展方向。目前我国常用的形状优化主要分为有参数优化和无参数优化。
（3）拓扑优化的应用。拓扑优化用于概念设计阶段，在布局尚未确定的情况下进行优化设计。其是指在设计空间内，在满足约束条件和设计目标的前提下，找出最佳传力的路径，进而确定架构材料分布的最理想的形式，制造出消耗材料少且符合产品指标的构建，达到“用较低的材料生产出更高的效益“的目的。
3.2 材料轻量化的应用
（1）我国高强度钢在汽车轻量化中主要是减少汽车结构中钢的使用。钢的强化途径主要分为以下五种：加碳强化、合金强化、固溶强化、热处理以及应力强化。大多数用于汽车的外壳和结构，在铝合金和镁合金等新型材料具有不同的使用限制，高强度钢将在未来很长时间作为汽车主要制造材料。
（2）我国在球墨铸铁技术投入大量精力。由于处于稀土资源和镁资源大国的地位，我国在球墨铸铁方面拥有一个完整的产业生态链条。高镍奥氏体球墨铸铁方面取得巨大进展，可以用于开采机械、化工设备、工业用炉器件的工作。且在耐酸球墨铸铁方面，加强了材料的机械强度。在生产受力复杂、强度、韧性、耐磨性等要求较高的零件常以球墨铸铁为材料。
（3）铝合金在汽车零件应用。铝合金主要研发中心集中在整体车声和大型铝材的研发、车门等汽车刚性结构的全铝化以及汽车部分零件的全铝化。
镁合金强度大于钢，其低密度、低熔点等特点使其非常适合应用于复杂的加工成型。在汽车轻量化中，可以选择镁合金代替钢、铝合金等材料在保持车体强度的基础上降低车体的重量。
4 汽车轻量化发展前景
我国汽车工程学会近几年举办了国际汽车轻量化大会，其大会议题为：邀请国内外权威专家分享汽车轻量化产业政策、技术路线、整车和零件轻量化系统解决方案，探讨汽车用钢、轻质合金、工程塑料、纤维增强复合材料、轻量化结构设计、成形工艺与装备、连接工艺与设备、检测与评价等轻量化技术。其中来自美国、德国、日本等20多个国家和地区的专家分享国际汽车、前沿的轻量化技术。数百名技术人员交流和研讨轻量化技术路线、前沿技术及产业化过程中遇到的技术难题及其解决方案“。其中除了丰富的技术报告和产品展示，还将进行新技术发布、专题技术交流、专家访谈、技术与市场对接、新产品推介等活动，为汽车轻量化的发展带来了无限的活力。并且近年来，我国为了提升国内乘用车的节能水平，以及环节能源和环境压力，我国出台了一系列利好政策，为我国轻量化水平的发展注入了极大的动力。尤其使在2020年5月，国家在《产业结构调整指导目录（2019年本）》中提出，在鼓励类汽车项目中，将镁合金列为汽车轻量化材料的应用领域，这在很大程度上推动了我国汽车轻量化技术的提升。随着新能源汽车销售规模的扩大，其产业进入了急速前进通道，但是新能源汽车的续航能力不理想、生产成本等多因素的影响，降低汽车的质量以及是推动新能源汽车产业发展的必经之路，也必将给我国汽车轻量化技术的发展带来光明的前景。
结束语：
随着我国对汽车轻量化的重视以及轻量化对于人们带来的巨大利益，汽车轻量化技术必将成为会随着汽车的发展而不断突破。汽车制造企业在追求轻量化汽车的同时也必须考虑到汽车性能，在确保安全性能的前提下实现汽车的轻量化。
参考文献：
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