我國汽車核心零部件輕量化技術(shù)路線圖

汽車是復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，通過對核心零部件進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和高強(qiáng)度鋼、鋁/鎂合金、碳纖維復(fù)合材料等輕量化材料以及先進(jìn)的制造成形工藝的應(yīng)用，據(jù)估計(jì)，到2030年，以碳纖維混合車身為代表的輕量化零部件將占市場的40%。

發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)核心零部件技術(shù)路線



發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)核心零部件技術(shù)路線如圖1所示。

1.乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋及排氣歧管模塊化設(shè)計(jì)
發(fā)動(dòng)機(jī)模塊化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化的重要手段。在增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中，對發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋與排氣歧管進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，一方面可以對排氣歧管進(jìn)行冷卻，提高經(jīng)濟(jì)性，解決排氣溫度過高的可靠性問題；另一方面可以減小排氣管法蘭、螺栓等聯(lián)接零件的尺寸，可大幅度降低整機(jī)質(zhì)量。對于2L左右的汽油增壓發(fā)動(dòng)機(jī)可減小質(zhì)量2～3kg，是降重的重要途徑之一。

2.乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體
對鑄鐵氣缸體采取保證鑄造壁厚、減小壁厚公差、優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)的方法，結(jié)合鑄造工藝的改進(jìn)進(jìn)行輕量化。優(yōu)化主軸承壁、缸體裙部、上下法蘭面結(jié)構(gòu)，可降重2%～3%；通過拓?fù)浞治鰞?yōu)化主軸承蓋結(jié)構(gòu)，降重1%～3%；鑄鋁氣缸體優(yōu)先考慮采用壓鑄鋁缸體的技術(shù)方案。在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，做到結(jié)構(gòu)最輕量化。主要的工作內(nèi)容是解決鑄鋁缸體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壓鑄工藝等設(shè)計(jì)工藝難題，然后擴(kuò)展應(yīng)用。

3.曲軸
發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸主要采用主軸頸與連桿軸頸空心結(jié)構(gòu)的鑄造曲軸達(dá)到輕量化的目的，在結(jié)構(gòu)上可以采用優(yōu)化平衡塊數(shù)量及外形尺寸、曲柄形狀等措施進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。在材料上采用高強(qiáng)度球墨鑄鐵滾壓曲軸，替代現(xiàn)有的鍛鋼曲軸。

4.凸輪軸
裝配式空心凸輪軸是目前非常成熟的凸輪軸輕量化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)降重30%以上，已在國外發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛應(yīng)用。

5.傳動(dòng)軸
傳動(dòng)軸長度較長時(shí)，傳統(tǒng)鋼制軸管因模態(tài)較低、無法滿足NVH要求而只能做成兩段。碳纖維軸管模態(tài)較高，只需做成一段即可，這樣可以省掉一個(gè)萬向節(jié)、軸承和中間支承，結(jié)構(gòu)大大簡化，重量也顯著降低。碳纖維傳動(dòng)軸整體能夠比傳統(tǒng)鋼制傳動(dòng)軸降重50%左右。

車身核心零部件輕量化技術(shù)路線圖
對于承載式車身本體，輕量化技術(shù)路線方向之一是全鋁車身，方向之二是鋼鋁混合車身，方向之三是以碳纖維為主的多材料混合車身。需要解決的問題是鋁合金材料的制造、鋁材/復(fù)合材料的性能測試與評價(jià)、鋁材/碳纖維車身的性能（強(qiáng)度和安全等）模擬、模具的制造技術(shù)和不同材料的連接技術(shù)。

對于非承載式車身本體，輕量化技術(shù)路線方向之一為碳纖維車身與塑料車身外覆蓋件，方向之二為采用鋁制車架。車身本體及車身核心零部件的輕量化技術(shù)路線如圖2所示。



在輕量化材料的應(yīng)用上主要采用高強(qiáng)度鋼、鋁/鎂合金和碳纖維復(fù)合材料。高強(qiáng)度鋼主要用于車身內(nèi)外板以及車身結(jié)構(gòu)件，變形鋁合金在車身零件及結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用方面發(fā)展較快，如應(yīng)用日益廣泛的鋁合金行李箱蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、后背門、保險(xiǎn)杠橫梁等。鎂合金目前在車身上的使用主要集中在轉(zhuǎn)向盤骨架、儀表板骨架、座椅骨架等，從成本和性能的綜合考慮，可用于車身結(jié)構(gòu)件的復(fù)合材料以樹脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為首選。碳纖維復(fù)合材料在汽車上主要可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩、翼子板、車頂、行李箱、門板、底盤等結(jié)構(gòu)件中。

在先進(jìn)工藝上主要采用熱成形技術(shù)、激光拼焊板技術(shù)、不等厚度軋制板/差厚板技術(shù)、輥壓成形技術(shù)。熱成形技術(shù)具有成形精度高、成形性能好等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于生產(chǎn)高強(qiáng)度的汽車保險(xiǎn)杠、車門防撞桿、A柱、B柱、C柱以及車頂框架、中通道等安全件和結(jié)構(gòu)件等。激光拼焊板技術(shù)可應(yīng)用于車身側(cè)框架、車門內(nèi)板、風(fēng)窗玻璃框架/前風(fēng)窗框、輪罩板、地板、中間支柱（B柱）等，差厚板可以替代激光拼焊板，更適合制造梁類零部件，如通道加強(qiáng)板、前地板縱梁、后保險(xiǎn)杠梁、后地板橫梁等。輥壓成形技術(shù)可合理設(shè)計(jì)型材的幾何斷面，提高承載能力，減輕零件重量。



底盤系統(tǒng)核心零部件技術(shù)路線圖

汽車底盤分為四大部分：懸架系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)。其核心零部件技術(shù)路線如圖3所示。

1.懸架系統(tǒng)
懸架系統(tǒng)控制臂主要采用鑄鋁、鍛鋁或碳纖維復(fù)合材料控制臂實(shí)現(xiàn)輕量化；橫向穩(wěn)定桿主要采用空心或碳纖維復(fù)合材料橫向穩(wěn)定桿達(dá)到輕量化目標(biāo)；螺旋彈簧主要采用高強(qiáng)度鋼空心螺旋彈簧或碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧實(shí)現(xiàn)輕量化。

2.行駛系統(tǒng)
行駛系統(tǒng)車輪主要采用鋁合金鑄旋、鋁合金鍛造、鎂合金鍛造或碳纖維復(fù)合材料車輪實(shí)現(xiàn)輕量化。

3.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要采用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輕量化。對于采用鑄鐵材料的轉(zhuǎn)向節(jié)可通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)輕量化，或采用鑄鋁、鍛鋁及碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)現(xiàn)輕量化。

4.制動(dòng)系統(tǒng)
制動(dòng)系統(tǒng)集成化是建立制動(dòng)系統(tǒng)輕量化的方向。可采用傳統(tǒng)真空助力器、ESP、真空泵（真空度不足的條件下）組合的制動(dòng)系統(tǒng)形式或傳統(tǒng)真空助力器、ESP、真空泵組合的形式，少數(shù)車型采用無真空泵的液壓助力器系統(tǒng)，或進(jìn)一步采用ESP與液壓助力器集成的制動(dòng)系統(tǒng)。制動(dòng)盤主要采用組合式制動(dòng)盤實(shí)現(xiàn)輕量化，如鋼盤帽或鋁盤帽+陶瓷摩擦環(huán)制動(dòng)盤。制動(dòng)鉗主要采用鋁制制動(dòng)鉗實(shí)現(xiàn)輕量化。