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汽车轻量化是指通过减少车辆总重来提高燃油效率、降低排放并改善性能的一种方法。
以下是汽车轻量化的主要途径：
1. 材料选择：使用轻量化材料可以显著降低车辆重量。
常用的轻量化材料包括高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料等。
这些材料具有较高的强度和刚度，同时相对较轻。
2. 零部件优化：通过重新设计和优化汽车的零部件，可以减少材料使用量，降低重量。
采用先进的设计和制造技术，如拓扑优化、结构优化、减少零部件数量和合理布局等，可以实现轻量化。
3. 引入新技术：引入新的技术可以在不降低安全性能的前提下实现轻量化。
例如，采用先进的焊接、粘接和铆接技术可以减少结构重量；应用模块化设计和3D打印技术可以减少部件数量和重量。
4. 增加复合材料使用：复合材料具有高强度、高刚度和轻质化的特点，可用于替代传统的金属材料。
在汽车制造中广泛应用碳纤维复合材料、玻璃纤维增强塑料等，以降低车辆重量。
5. 车身结构优化：优化车身结构可以减少重量，提高刚度和安全性能。
采用合理的设计和材料使用，如采用单壳体结构、蜂窝结构、组合结构等，可以实现轻量化效果。
6. 动力总成改进：通过采用高效的动力总成技术，如混合动力系统、电动驱动系统等，可以减少发动机重量，从而实现整体轻量化效果。
综合使用上述途径，汽车制造商可以有效降低车辆重量，提高燃油经济性和环境友好性，同时保持车辆的性能和安全性能。
汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。
实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。
当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。
汽车轻量化的主要途径是：①缩小汽车的尺寸。
在内部空间尺寸基本不变的前提下缩小外形尺寸，可减少材料消耗，减小质量，同时还可减少占路面积和停车面积；②采用轻质材料。
如铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等；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。
当前的主要汽车轻量化措施主要是采用轻质材料。
车用材料主要通过汽车的轻量化来对燃料经济性改善作出贡献。
理论分析和试验结果都表明，轻量化是改善汽车燃料经济性的有效途径。
为了适应汽车轻量化的要求，一些新材料应运而生并扩大了应用范围。
其中金属材料主要包括以下几个方面：一、有色合金。
以乘用车来说，1973年每辆车所使用的有色合金占全部用材的重量比为5.0%，1980年增至5.6%，而1997年则达到了9.6%。
有色合金在汽车上应用量的快速增长是汽车材料发展的大趋势。
二、铝合金。
铝的密度约为钢的1/3，是应用最广泛的轻量化材料。
以美国生产的汽车产品为例，1976年每车用铝合金仅39kg，1982年达到62kg，而1998年则达到了100kg。
（1）铸造铝合金。
许多种元素都可以作为铸造铝合金的合金元素，但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li在大量生产中具有重要意义。
当然，在汽车上广泛应用的并不是上述简单的二元合金，而是多种元素同时添加以获得好的综合性能。
铝合金铸件主要应用于发动机气缸体、气缸盖、活塞、进气歧管、摇臂、发动机悬置支架、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件、把手及罩盖壳体类零件等。
汽车节能减排及轻量化技术方法汽车节能减排及轻量化技术方法对于要保证能源安全、保护环境、减少雾霾，必须降低汽车的燃油消耗和排放污染，汽车节能、减排有很多技术路径，其中，轻量化是汽车节能减排最有效的途径。
那么，下面是为大家分享汽车节能减排及轻量化技术方法，欢迎大家阅读浏览。
车重与燃油消耗和排放的关系汽车的四大行驶阻力(滚动阻力、坡度阻力、加速阻力和空气阻力)中有三个与车重成正比。
要减少汽车行驶阻力，节能减排，必须降低车重。
不同汽油乘用车整备质量会随着燃油消耗量的增加而增加，而汽车整备质量增加，每升油的行驶里程逐渐下降、CO2排放明显增加。
不同国家制定的轻量化目标美国近年来在轻量化技术上投入较大，制定了明确的轻量化用材技术路线，正在逐步扭转其汽车大华贵和油耗高的形象。
美国制定的轻型车减重目标，明确规定了车身、底盘、动力总成和内饰件从2020-2050每隔10年的减重计划。
欧洲制定了从乘用车到商用车、从结构设计、高强轻质材料应用到轻量化工艺实施年度规划，形成了较为完备的汽车轻量化技术路线。
日系车在小型化和轻量化方面具备一定优势，目前的主要工作集中在轻量化材料和工艺的研究与应用上，并且各车企也同步制定了相应的轻量化战略目标。
* 的《节能与新能源汽车产业发展规划(xx-2020年)》提出，xx年生产的乘用车平均燃料消耗量降至6.9L/100km，节能型乘用车燃料消耗量降至5.9 L/100km以下。
到2020年，当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至5.0 L/100km，节能型乘用车燃料消耗量降至4.5 L/100km以下。
商用车新车燃料消耗量接近国际先进水平。
轻量化材料及其应用不同材料性能比较，考虑到材料的性价比，每种材料都有其自身特有的潜力、用途和优势。
1. 铝合金在汽车上的应用铝合金因其质轻密度低(是钢的1/3)、比强度高、比刚度高、抗冲击性好，便于回收再利用，目前被广泛应用在汽车上。
北美统计和预测的铝合金占车身自重比例(xx年单车平均用铝为163kg，预计2020年达到170kg)。
实现汽车轻量化的主要途径据统计，汽车车身、底盘（含悬挂系统）、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65％以上。
其中车身外、内覆盖件的重量又居首位。
因此减少汽车白车身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。
为此，首先应该在白车身制造材料方面寻找突破口。
具体说来可以有如下几种方案：1）使用密度小、强度高的轻质材料，像铝镁轻合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；2）使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；3）使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。
方案1）和2）是通过更换车身材料种类来达到汽车轻量化的目的。
其中铝合金具有高强度、耐侵蚀、热稳定性好、易成型等一系列优点，已经在车身、底盘及悬挂系统、发动机和车轮等部件的制造上得到成功地应用，但是由于铝合金中有较高含量的硅和铁，使之回收再利用成为新的难题，从而影响铝合金的更大规模使用。
镁比铝更轻，可以作为铝的最佳替代用品，随着汽车轻量化技术的发展，已有60多种汽车零部件开始用镁合金制造，世界上镁材料的消耗日益攀升，然而在地球上，镁恰恰是一种比较稀缺的金属，其价格昂贵自不待说，再加上镁合金在加工成型方面的困难，更限制了其被广泛应用。
塑料聚合物，如连续玻璃纤维与热塑性树脂改性聚丙烯复合材料（Glass Mat Reinforced Thermoplastics，GMT）是最佳的车用轻质材料，其密度仅为金属的1/5。
用塑料制造汽车零部件所消耗的能量仅为钢材能耗的1/2，还具有加工容易、成型性好、耐腐蚀等特性。
目前轿车上使用GMT材料的零部件有800多种，主要有发动机罩、仪表板骨架、蓄电池托架、座椅骨架、轿车前端模块、保险杠、行李架、备胎盘、挡泥板、风扇叶片、发动机底盘、车顶棚衬架等。
除了可用来制造零部件之外，还有望应用在整个车身制造上，即所谓“全塑车身”。
但是，不同种类的塑料聚合物材料的性能千差万别，塑料的强度、耐冲击性、耐蠕变性及抗老化性也是其难以克服的弱点；且方案2）还将导致车身造价提高。
车身轻量化实现的思路及途径展开全文车身轻量化对减少尾气排放、提高燃油效率和车辆安全性意义重大。
为实现车身轻量化，通常从三个方向进行：新材料的应用、车身结构优化和生产工艺的革新。
新材料应用上主要有高强度钢、铝合金、镁合金和工程塑料等；车身结构优化主要有布局优化、尺寸优化、形状优化和拓扑优化四种方法；生产工艺的革新主要是针对新材料、新结构应用后导入的新工艺，如热冲压成形、激光拼焊板、液压成形和合金材料新型压铸方法等。
轻量化材料的应用1.高强度钢图1 各种高强度钢的抗拉强度和延展率高强度钢的分类和定义国内外尚无统一的定义和分类方法，一般按照强度划分和强化机理划分。
如图1所示，将屈服强度小于210 MPa的钢称为“软钢”，210～550 MPa之间的称为“高强度”钢，高于550 MPa的称为“超高强度钢”。
高强度钢的价格相对较低，具有较高的结构强度、优越的碰撞吸能性和抗疲劳强度，且冲压成形性、焊接性和可涂装性优良，关键是能够利用现有汽车生产线生产从而节约设备投资，所以在现阶段，高强度钢是车身减重的首选材料。
图2 北京现代YC 车型高强钢应用现况如图2的例子所示，车身上高强度钢多用于车身侧围板、顶盖、发动机罩和车门板等覆盖件上，其中影响车身整体强度的车身框架部分又多选用超高强度钢，如保险杠、底板梁和顶盖横梁等。
2.铝合金材料铝合金材料密度是钢的1/3，吸能性是钢的2倍，在碰撞安全性方面有明显优势，且铝的可回收性和耐腐蚀性较好，是最常见的车身用轻金属材料。
虽然铝材的弹性模量较低，但它有很好的挤压性，能够得到复杂界面从而从结构上补偿部件的刚度，因此在满足刚性和强度等多方面力学性能的前提下，能够大大降低材料消耗和制件的质量，进而实现车身轻量化、提高整车燃油效率。
目前阶段，铝合金在车身上多应用于发动机罩内外板上，如长城汽车某车型的零部件，通过应用铝合金材料并优化结构设计，实现了部件整体减重50%以上的目标（如表所示）。
通过对车架有限元分析发现车架在车辆工作的三种典型工况下的强度和刚度均满足设计要求，初始设计的车架方案是合理的。
但车架除了一些应力集中的部位应力较大以外其余部位应力均很小，最大应力相比于材料的许用应力还有差距，结构强度有很大富余，结构具备较大的轻量化空间。
因此在进行对比后确定结构轻量化的方案，选择合适的轻量化参数对车架进行轻量化十分必要，在得到轻量化后的车架后还需要在相同工况下进一步对其进行有限元分析，在满足设计要求的情况下保证轻量化效果明显。
5.1 轻量化方案的选择5.1.1 汽车轻量化的基本途径汽车的重量对与汽车的功耗和排放具有非常大的影响，汽车的轻量化对提高产品的竞争力有非常重大的作用，世界上各大汽车厂商都在致力于减轻车辆的重量，对于重型矿用车来说，其轻量化的意义则更明显。
首先由于其重量极大，车身尺寸也极大，很小的轻量化比例就会带来极大的收益。
其次作为载重汽车，车身本身的重量小就代表着其装载比提高，动力的利用率也提高。
此外还有如降低功耗和排放等。
总的来说汽车的轻量化具有3个基本途径，新型的轻质材料、先进的加工工艺和优秀的产品结构。
很多研究表明，一些新型的材料不仅可以降低结构的重量同时还可以提升结构的性能。
运用于汽车结构中的就是常用的利用高强度钢来代替普通钢，不仅可以减少结构重量同时其强度也会提升，本课题的车架在设计时就采用了高强度钢，这在重型车辆中的运用十分广泛。
一些合金如铝合金和镁合金等的运用也会极大的降低车辆的重量，车身采用全铝结构的ASF汽车，其材料是6000系列铝合金，对于普通的车身，ASF车身在强度和刚度相当时汽车减重约45%。
塑料作为一种耐腐蚀和密度极小的材料，也广泛用于汽车内外饰中，很多汽车的油箱就是采用塑料材质。
在本课题设计的集成燃油箱中，在车架内设计了一层塑料防腐层，不仅成本低，质量轻而且具有很好的防腐作用。
先进的加工工艺对于车辆的轻量化也有一定的作用。
例如对铝合金加工时常常采用压铸法，这种方法有一个极大的缺点，即是当液态金属在注入模具时，由于模具内空气排除的不干净，固态化的金属内部会有很多小的气泡，这种结构强度不够好而且可靠性差，而且当其用于温度很高的部位时因为温度极高结构容易产生变形或表面不平整，这使得铝合金部件在汽车上的应用受到极大的约束。
一种新型的压铸方法可以完美解决上述问题，即无空隙压铸法。
这种方法是将模具内充满氧气，当液态金属进入模具时会与氧气发生反应，这样内部的氧气迅速被消耗完同时金属成型。
目前进气歧管等部件已经广泛采用上述方法，采用这种方法制造的进气歧管管内壁十分光滑，气体可以以很小的阻力通过，这样的设计不仅性能优秀而且重量很轻。
这种方法制造的进气歧管不仅提升了发动机的性能更是有着良好的经济效益。
汽车结构的优化则是对结构进行优化设计，这里会用到一些优化算法和有限元方法。
优化设计目标是减小结构重量或减少一些构件数量。
利用CAE 软件分析，基于有限元的理论，可以实现结构的设计和材料的合理布局。
其最终目的也是为了保证结构在质量最小的情况下具有最佳的刚度和强度。
利用有限元理论和CAD/CAE 技术对结构进行分析和优化，可以得到满足设计要求的前提下的零部件的参数和结构的最优化设计。
例如某举升机构[57]的三角臂初始结构如图5-1所示，采用CAE 技术进行结构优化设计后的结构如图5-2所示，可以很明显的看到其材料节省了很多，质量有明显下降，但是其强度没有明显降低，而且构件刚度反而有所增强，优化效果十分明显。
本课题设计的车架采用了高强度钢的设计，在材料方面不存在太多的轻量化空间，而在工艺方面也没有比较好的工艺可以实现轻量化，故可以采用结构优化设计的方法对车架进行轻量化设计。
5.1.2 结构优化设计的方法优化设计的基础是数学中的最优化理论，最优理论是在满足设计要求的结果中寻求最优解。
根据设计要求的性能目标建立其优化目标函数和约束条件，再通过计算求解其目标函数的最优方案。
假设优化设计的设计变量为12{,,.....,}T n X x x x =，目标函数为()f x ，则优化设计的数学模型为：求12{,,.....,}T n X x x x =使得图5-2 某举升机构三角臂优化后（图片来源于同项目组资料）图5-1 某举升机构三角臂优化前（图片来源于同项目组资料）min ()f x满足()01,2,...,i g x i m ≤ =()01,2,...,j h x j k ≤ =式中，()()i j g x h x 、（i=1,2,…,m ;j=1,2,…,k ）为约束函数。
针对不同的优化对象采用的优化算法也不相同。
针对本课题常用的优化设计方法主要有三种：拓扑优化、形貌优化、尺寸优化。
拓扑优化的目标函数是材料的分布，在设计区间内寻求材料的最佳分布。
拓扑优化具有非常高的设计自由度和非常大的设计空间，可以说拓扑优化是结构优化中发展前景最好的一种优化方式。
拓扑优化一般在设计最优结构之前进行，是设计结构雏形的必备手段。
形貌优化是一种比较先进的优化设计方法。
它一般是针对薄壁构件和钣金等的优化，通过形貌优化可以得到构件的加强筋分布。
形貌优化的设计方法可以快速的确定构件的外貌特征，而结构的刚度强度等条件也同时得到满足。
形貌优化本质上是运用最优化设计的理论寻找构件的特性点的最优坐标，最后根据最优解重新构造构件从而得到最终结果。
尺寸参数优化是一种非常成熟的优化方法，这种优化是基于结构形式和拓扑关系不变的前提，优化变量选取为结构参数，并选择一定的约束条件得到在这种约束条件下满足目标函数的最优解。
尺寸优化目前广泛应用于结构设计中。
现在一种优化设计时常用的设计思路是已经确定了拓扑关系的结构，利用尺寸优化确定结构的最佳尺寸参数。
尺寸参数优化不仅可以保证结构拓扑关系和结构外形不变，同时可以使得结构重量得以减轻。
5.1.3 车架轻量化方案本课题的设计是将传统油箱集成在单纵梁车架的纵梁内，设计本身就对车架的轻量化有一定的帮助，同时在车架总体方案的设计上，取消了原设计的220吨矿用车车架前端安装的平台，这样的设计也带来了一定的轻量化的效果。
同时本课题设计的车架基本是由薄壁箱型结构组成，车架的基本构件为一些薄板，是典型的可以利用尺寸优化的方法进行结构优化设计的结构，故本课题轻量化方案选择采用尺寸优化的方案。
通过前面的有限元分析我们发现车架纵梁中间部分的应力较大，两端的应力较小，这也与车架的受力有关，由于车架在设计时就是采取的3段式的设计，故在尺寸优化时对车架纵梁采取分段尺寸优化。
5.2 车架的尺寸参数优化5.2.1 尺寸参数优化的数学模型和设计流程首先介绍车架的尺寸参数优化的数学模型，设车架需要优化的板的个数为n ，()V x 为车架构件的总体积，那么尺寸参数优化的数学模型为：求123{,,,...,}T n X x x x x =使得01min ni i i V A X V ==+∑ 满足 max min 1,2,...,i i i i n x x x =≤≤max 01,2,...,j j j n S S =≤式中，(1,2....)i x i n =为第i 个构件的尺寸参数，max min ,i i x x 为第i 个构件厚度的上下限值，i A 为第i 个构件的表面积，0V 为不参与优化设计构件的体积，max j S 为第j 个构件在优化工况下的最大应力值，0j S 为第j 个构件材料许用应力值。
在进行尺寸参数优化之前，有必要确定尺寸参数优化的流程以提高优化计算的效率，其流程如图5-3所示。
首先要建立车架的参数优化几何模型，然后建立其有限元模型，一般针对结构厚度的参数优化都采用板壳模型，随后进行有限元计算分析，这些内容在上一章已经完成。
在优化之前要确定设计变量和其优化范围，设计变量即为组成车架的各板的厚度，然后定义状态变量和目标函数以及约束，状态变量选择车架的最大应力，以材料的许用应力为约束，目标函数为使车架的整体体积最小。
完成优化计算后对优化结果进行圆整处理，之后以优化得到的值建立车架有限元计算模型进行验算分析以及结果对比。
5.2.2 设计变量的选择设计变量一般为结构的长度、厚度或高度等几何尺寸参数，280吨矿用自卸车车架的纵梁长15.7m ，并且根据第四章的有限元分析计算可以知道，应力最大的地方集中在纵梁中部，在车辆弯曲工况和扭转工况下，中间的3根横梁承担大部分的载荷；在举升工况下，中间轴和最后一轴承担大部分的载荷。
这种情况下如果将整个纵梁的板厚采取尺寸优化必然会使纵梁两端的板厚度得不到充分优化，其材料的利用率很低。
由于纵梁采取的是3段式的设计，这里可以采用分段尺寸优化的方法，将3段纵梁的各尺寸分开单独优化，得到3段纵梁不同的优化后的壁厚，这种方法可以有效的对纵梁前端和后端的尺寸进行充分的优化，使轻量化效果更明显。
对于横梁来说，理想情况是将每个横梁单独优化，但考虑到横梁的可交换性和批量制造的原因，将所有的横梁同时优化。
综上所述，设计变量选择纵梁的前、中、后段的上板、侧板、下板的9个壁厚以及纵梁加强板的厚共10个参数，选择横梁上板、侧板、下板和横梁内支撑板共4个参数，总共的参数为14个。
各板的对应关系如图5-4、图5-5所示。
表5-1为各设计变量名称以及各设计变量的初始值和在进行优化时各设计变量的取值范围。
5.2.3 状态变量和目标函数的定义接下来要对优化的状态变量和目标函数进行定义。
不同的工矿下车架的整体应力和位移都不相同，其优化结果也会有很大不同，为了得到最好的优化结果，需要考虑各种工况下的影响。
本文在进行车架的优化设计时仍然考虑车架的3种典型工况。
以3种工况下的车架的最大应力值作为尺寸优化设计的状态变量，而同时以车架所选择的材料的许用应力作为应力状态变量的约束值，其值为500MPa。
280吨矿用自卸车车架的尺寸优化是以轻量化为目标的，其目的是保证车架结构在满足各种设计要求工况的前提下质量最小。
由于车架各构件的材料都相同，也就是其密度相同，为了得到重量最轻的车架，只需要考虑车架的体积即可。
所以本文在进行尺寸优化设计时选择将车架的体积作为另一个状态变量，这里的体积是指设计为优化参数的那些板的体积之和，而优化的目标函数是使优化后车架的体积最小。
5.2.4 优化结果在确定完设计变量、状态变量和约束以及目标函数后进行车架的尺寸优化程序，经过10次迭代后得到优化设计结果，优化结果如表5-2所示。
同时经过尺寸优化后得到的各个构件的壁厚值不为整数，不能满足钢材的实际生产要求，所以需要对优化后的各构件的壁厚进行圆整处理，得到最终的设计值。
5.3 优化后结构的验证分析优化后的尺寸是否满足设计要求还需要进一步验证，首先根据圆整值重新建立车架的有限元模型，之后还是按照第4章所论述的三种工况和边界条件对优化设计后的车架进行有限元分析。
