汽车轻量化关键技术的应用及发展研究
汽车轻量化关键技术的应用及发展研究[20191208103508]
摘要
汽车轻量化就是使用轻质材料或选用先进的设计手段对产品结构进行优化，在保证汽车达到其综合性能指标的条件下，尽量减少其质量。汽车轻量化技术有重大的实际意义。首先是其能够降低汽车的燃油消耗以及减少汽车的尾气排放，对全球日益严峻的能源危机以及环境污染大有裨益。其次是节约材料，汽车的重量降低了，使用的材料当然也会有所减少。
本文将首先介绍汽车轻量化的定义、意义、发展形状以及主要实施途径。其次介绍现有的轻质材料，包括铝镁合金、塑料、高强度钢、碳纤维等，以及探讨这些材料在汽车上的应用。然后介绍能够使汽车达到轻量化目的的先进的结构设计技术以及这些技术在实际中的应用。最后将介绍生产这些轻量化零件所需的先进制造工艺以及探讨这些工艺在汽车工业中的应用。
关键字:轻量化汽车轻质材料结构设计制造工艺
目录
1. 绪论 1
1.1 汽车轻量化的定义 1
1.2 汽车轻量化的意义 1
1.3 汽车轻量化的国内外现状 2
1.3.1 国外现状 2
1.3.2 国内现状 4
1.4 汽车轻量化的实施途径 4
2. 汽车轻量化的材料及应用 6
2.1 铝合金、镁合金及其在汽车上的应用 6
2.1.1 铝合金 6
2.1.2 镁合金 7
2.2 塑料及其在汽车上的应用 8
2.3 高强度钢及其在汽车上的应用 10
2.4 碳纤维及其在汽车上的应用 11
3. 汽车轻量化的结构设计及应用 13
3.1 汽车轻量化的结构设计 13
3.1.1 汽车的结构设计的定义 13
3.1.2 汽车的结构设计的优化 13
3.1.3 CAD、CAE、CAM技术的介绍 14
3.1.4 CAD/CAE/CAM一体化技术的介绍 14
3.2 汽车轻量化的结构设计的应用 17
3.2.1 CAD技术在车身结构设计中的应用 17
3.2.2 CAE技术在发动机结构设计中的应用 17
3.2.3 CAE技术在车架结构设计中的应用 18
3.2.4 CAE技术在车身结构设计中的应用 19
4. 汽车轻量化的制造技术及应用 21
4.1 内高压成形技术 21
4.1.1 内高压成形技术的原理 21
4.1.2 内高压成形技术的应用 21
4.2 热成形技术 22
4.2.1 热成形技术的原理 22
4.2.2 热成形技术的应用 23
4.3 激光拼焊技术 24
4.3.1 激光拼焊技术的原理 24
4.3.2 激光拼焊技术的应用 24
结语 26
参考文献 27
致谢 28
1.绪论
1.1 汽车轻量化的定义
汽车轻量化的定义是指在确保汽车刚度以及安全性能的条件下，尽量使其重量减少，从而提升其动力性能，减少燃料消耗，降低尾气排放。汽车轻量化技术的内涵是：选用如今比较先进的设计方法以及行之有效的手段对汽车零件进行设计，或者使用轻质材料在保证汽车综合性能指标的条件下，尽量使汽车产品的重量得以降低，以此达到减轻重量、保护环境、降低排耗、保证安全的综合指标。
1.2 汽车轻量化的意义
全球经济的发展进步，很大部分原因是因为大自然的丰富资源，比如我们日常所用的汽油、煤、天然气等，都是来源于化石能源。但是，这些主要的化石能源将在2050年左右急速地接近衰竭。现如今，全球可以使用的石油大概为1500亿吨，以上世纪末全球每年使用33亿吨石油来进行计算，全球的石油大概在21世纪中叶宣告衰竭。天然气的贮备大概在153000兆立方米，若以后还保持现有的每年2300兆立方米的开发量，那么其大约在短暂的60年之后衰竭。丰富自然资源的使用与原料之间的线条的断裂，一定会使得全球再次发生经济危机，各种矛盾冲突也将增加，最后断送现今发达的市场经济。实际上，近些年来中东地区以及海湾区域与非洲国家的战乱，基本上是因为对于自然资源的再次分配。这类军事上的冲突，以后还将更加激烈、更加频繁。在海内，大概也会出现因为能源基地工人下岗而引起的很多新的冲突和争执。所以，能源危机总有一天终将爆发，而到时候其爆发也将具备骇人听闻的效果！
根据相关数据显示，一千辆汽车一天放出的CO约为3000kg，HC约为300kg，NOX约为100kg。汽车尾气堪称空气污染的首要危害分子。汽车排放的尾气中包含的污染成份有：CO、HC、NOX、SO2、HCHO、粉尘微粒等。 光化学烟雾是其造成的最主要危害，汽车尾气形成光化学烟雾的原理是：汽车排放的混合气中包含的HC和NOX在有太阳光的条件下参与了化学反应，从而生成O3，O3再和大气中别的成份反应就生成了人们所深恶痛绝的光化学烟雾。其对健康有很大的危害，会引起眼睛、鼻子、喉咙、支气管等方面的病症。其还会使得树木枯死、农作物大批量减产、大气能见度显著降低从而使得交通发生堵塞等。
所以燃料经济性的改善和对汽车排放的控制是当今汽车工业面临的两个最重要的挑战。汽车尾气的排放在一定程度上受燃料经济性的影响。所以当燃料经济性改善了，尾气排放自然也会减少。
很多因素都会使燃料经济性发生变化，包括车辆动力的需求、速度、发动机、变速器效率以及燃料类型等。车辆进行加速、爬坡、克服车轮与地面之间的阻力、空气阻力以及驱动空调、暖风、音响娱乐等附属装配所需动力的总和就是该辆车能够行驶在路面上所需的动力。以上动力需求的前三项与汽车的整车质量成正比关系，因此减轻汽车的整车质量可以明显降低车辆的动力需求，因而可以改善汽车的燃油经济性。而空气阻力、滚动阻力系数以及附属装置储备功率需求对燃料经济性的影响相对于前三项要小的多。相关研究数字表明，如果汽车的整车质量下降10％，那么燃油效率可提高6％-8％。因此，车辆整体质量的下降对于燃油经济性是有很大好处的。
石油、天然气等化石能源储量的不确定性，使得燃料的价格水涨船高。而汽车的排放对环境和公众健康的危害也日渐加剧，使得改善汽车的燃料经济性已经成为全球各大汽车制造商的头等大事。汽车轻量化又被认为是使得燃料经济性越来越好的最为关键的环节之一，所以汽车轻量化的重要性是不言而喻的。
1.3 汽车轻量化的国内外现状
1.3.1 国外现状
从历史上看，汽车轻量化始于20世纪70年代的美国，当时的汽车制造商开始减小他们的汽车尺寸，以满足1978年CAFE的18 mile/gal的油耗要求。所以，也是从那时起，随着材料以及结构设计技术的不断进步，还有就是人们对轻量化的越来越多的关注与重视，汽车的自身重量得以逐年减少。上世纪90年代以及本世纪初全球汽车工艺比较发达的汽车制造商先后制造出了一百公里只需消耗3L燃油的汽车，这些种类的汽车的重量大都在800kg左右，比如今同类汽车的质量轻50%。例如大众公司推出的路波（Lupo），汽车的自身质量只有800KG。奥迪公司生产的奥迪A2，其是全铝车身，重量只有900kg左右。与此同时，商用车的重量也在渐渐降低，以南京依维柯为例，在2004年，其车厢的重量已经降为950kg，与之前相比降低了接近1/2的重量[1]。如上所述的三款轻量化汽车如图1-1所示。
（a） 大众路波
（b） 奥迪A2
（c） 南京依维柯
图1-1 轻量化汽车
2009年5月，美利坚合众国的总统奥巴马先生颁布了一项有关汽车的节能减排规划，目标是使得在美国国内生产的小型汽车到2016年百公里油耗不越过6.6L这道警界线，二氧化碳的排放量也只能是现有车辆的2/3。这项规划在2012年已经开始施行，将使得美国在2012年到2016年这四年期间降低汽油的用量达到18亿桶，尾气的排放也将减少9亿吨。其他地区如欧洲和日本，他们不仅在降耗减排方面推行了相关政策，而且对废旧车辆的回收也作出了严格的规定。日本政府在2001年作出规划，计划从抛弃型社会发展模式进入到循环型社会发展模式，推行全部回收、没有废弃的观念。实际上，在2001年之前，日本已有相关法律在推行绿色设计和绿色采购。
1.3.2 国内现状
“九五”和“十五”期间，一批汽车新型材料项目正式被列为国家重点高新技术项目和国家重大科技攻关项目。在这段时期，铝材以及铸件制造成套工艺技术的开发研究在国内进行，经过科学家们刻苦的钻研，多种铸造合金材料被研发了出来。科学家们对具有极高韧性、极高强度以及超高耐热性能的铝合金的研究获得了巨大的进展。半固态成型、快速凝固等先进的成型技术的研究与应用也获得了较大的发展。
在汽车结构优化设计方面，国内已经从主要依赖经验设计逐步发展到使用CAD、CAE等先进的设计方法进行静强度计算以及分析阶段。当前一些车身模具开发技术在汽车行业中出现，这些技术都是拥有自主知识产权的。如上海汽车工业集团与湖南大学一起合作，在薄板冲压技术与模具设计理论这两方面展开了进一步研究。北航开发了基于CAD系统的CAXA，并已经开始了有关大型客车的轻量化技术的研讨，使用优化设计的方法对汽车构造进行分析以及设计，最终使车架、发动机以及车身蒙皮的质量得以下降等。
然而，国内的汽车轻量化技术水平还是处在比较低的水准，不管是在理论研究还是在实践应用方面都与国外的先进技术存在较大的距离。轻量化技术开发实力不够，能够参与研发的人才欠缺，工艺水平过时等都是我们必须要去解决处理的问题。
1.4汽车轻量化的实施途径
汽车轻量化绝对不是仅仅将汽车小型化而已，而是具备约束条件的，即在确保汽车整体重量以及性能不受较大影响的条件下，最大限度地降低汽车上各个零件的重量，努力使得汽车具备高输出功率、低噪音、低振动以及优秀的操纵性能等优点，同时减少能源的使用，降低尾气排放量。通过轻量化技术的本质可知，汽车的轻量化主要是通过使用先进的轻质材料、合理的结构设计以及先进的制造工艺来实现。
在整车中使用轻质材料是当前对汽车进行轻量化的设计中降低汽车自重的重要手段之一。被广泛使用的能够减轻汽车重量的材料主要被分为两种，分别是轻质金属材料以及非金属材料。铝合金、镁合金以及高强度钢等属于轻质金属材料，而塑料、陶瓷以及其他复合材料等属于非金属材料。实际上，因为受到轻质金属材料以及新型非金属材料在汽车零部件上大量使用的影响，传统的金属钢板材也日趋朝着更薄、成形性更好以及强度更高的方向发展。根据有关数据显示，在如今的汽车中，占整车重量90%的几大主要材料的在汽车质量中所占的范围大概为：钢材占56%一60%，铸铁占11%一16%，塑料占7%一12%，铝占5%一9%，复合材料占3%—5%，除此以外的其他材料如油漆、玻璃等占的就是剩余的比重。由此可见汽车轻量化的材料在汽车上的使用量相对于以前已越来越多，而其使用范围同样也会越来越广泛。
在汽车结构的优化方面，CAD、CAE等先进技术的使用已日趋成熟，这些先进技术为汽车的结构优化带来了巨大的便捷性，使得汽车工程师们可以越来越方便的对汽车进行减轻重量的设计。假如人们可以合理的运用这些先进的设计方式，那么就可以更好的对汽车整体以及零件的各项性能进行规划，进一步提高冲压模具的制造水准以及对零件成形后质量的控制，从而以最快的速度完成对整车及零部件的轻量化设计。
要在零部件上使用新型的轻质材料，必定需要比较特别的成形方法或进行制造、焊接的措施。同样的，对汽车结构进行合理优化后，也会需要新型制造工艺去满足日益更新的零件结构的变化。内高压成形技术、热成形技术以及激光拼焊技术是目前在汽车工业中出现并得以运用的比较新的制造工艺。
2.汽车轻量化的材料及应用
2.1 铝合金、镁合金及其在汽车上的应用
2.1.1 铝合金
铝合金最吸引人的特性是密度低，其密度仅为钢的1/3。铝可以冶炼成合金，并且可以通过冷作强化或者通过热处理达到较高的强度重量比。现如今一些铝合金的物理性能已经与用于生产汽车的钢材非常相近，这些铝合金具有很高的强度以及刚度，生产成本也日益下降。所以如果通过合理的设计，充分利用铝合金密度低的优点，是可以达到仅使用1kg的铝合金代替2kg的常用钢材的目的的。另外需要提到一点的是，使用铝合金材料是非常有利于环境保护的，因为铝质材料几乎可以全部进行回收再处理。因此，依照目前的技术水平，实现汽车轻量化的最有效的途径之一就是采用铝制材料代替钢材。
铝在汽车结构、动力传动系统、附属装置中的应用使得所生产的汽车更轻、更安全，其加速性、操控性以及制动性等性能也更好。这些重量更轻的汽车油耗更低，温室气体排放更少，对环境的危害也更轻。
全球范围内各大汽车制造商在汽车上所用的铝材也逐年上涨，每辆车上的平均用铝量由1973年的37kg增加到2007年的126kg。但是当前，使用铝材量最多的全铝车身还是仅仅局限于高级轿车以及赛车等，然而随着技术的进步、生产成本的降低，将会有越来越多的汽车在生产制造的过程中采用铝合金材料。而根据有关数据表明，到2050年左右，铝质材料将取代钢铁材料成为制造汽车的主要材料，每辆汽车的重量更是将会减少1/3。
在轻量化的汽车是否安全这个问题上，也许还是会有很多人存在疑问。而汽车工程师已经对汽车碰撞性以及碰撞性与轻量化之间的关系问题进行了广泛研究，他们用成功的案例使得人们相信像铝这样强度高、重量轻的材料如果保持合理的尺寸，就能够使得汽车保持良好的碰撞性能。奥迪A8就是这样设计的一个成功的例子，如图2-1所示。A8是奥迪公司推出的第一款全铝空间框架结构产品，如图2-2所示，其已获得专利。而重点是其安全级别是五星的，从20世纪90年代到现在，一直被认为是在道路上行驶的最安全的汽车之一。
图2-1 奥迪A8
图2-2 奥迪A8全铝空间框架
2.1.2 镁合金
镁是一种灰白色金属，在地壳中的质量分数约是2.7%。工业纯镁的密度为铝的2/3，不到钢和铁的1/4。镁的密度小于大多数汽车用玻璃纤维增强聚合物，与碳纤维复合材料相当，而镁合金的成本稍低。2008年全世界镁的生产能量为700000吨，约2/3是在中国生产。
镁合金拥有与铸铁相当的强度，并且有更高的刚度。因为其具有良好的流动性，所以运用加热成形工艺锻造镁能够成形为非常复杂的形状。镁运用机床加工的历史比加工铝的时间更长，因此加工成本较低。此外，镁合金还具有优异的碰撞吸能性能，在低温下没有强度降低的现象，因此可以在非常低的温度下使用。
镁在汽车上的使用可以追溯到20世纪30年代中期开始的大众甲壳虫汽车镁合金发动机缸体的使用，如图2-3所示。而从那时起，镁就开始应用在包括动力传动系统、底盘和车身结构的广泛领域。而现如今镁质材料在离合器踏板、仪表板骨架、汽车轮毂、座椅以及气缸盖等汽车零部件上得到了广泛的使用，其替换效果是非常明显的。如今，越来越多的汽车零部件采用镁合金来进行制造，在一些典型的车型上，镁合金的使用量已经达到了26kg/辆。
摘要
汽车轻量化就是使用轻质材料或选用先进的设计手段对产品结构进行优化，在保证汽车达到其综合性能指标的条件下，尽量减少其质量。汽车轻量化技术有重大的实际意义。首先是其能够降低汽车的燃油消耗以及减少汽车的尾气排放，对全球日益严峻的能源危机以及环境污染大有裨益。其次是节约材料，汽车的重量降低了，使用的材料当然也会有所减少。
本文将首先介绍汽车轻量化的定义、意义、发展形状以及主要实施途径。其次介绍现有的轻质材料，包括铝镁合金、塑料、高强度钢、碳纤维等，以及探讨这些材料在汽车上的应用。然后介绍能够使汽车达到轻量化目的的先进的结构设计技术以及这些技术在实际中的应用。最后将介绍生产这些轻量化零件所需的先进制造工艺以及探讨这些工艺在汽车工业中的应用。
关键字:轻量化汽车轻质材料结构设计制造工艺
目录
1. 绪论 1
1.1 汽车轻量化的定义 1
1.2 汽车轻量化的意义 1
1.3 汽车轻量化的国内外现状 2
1.3.1 国外现状 2
1.3.2 国内现状 4
1.4 汽车轻量化的实施途径 4
2. 汽车轻量化的材料及应用 6
2.1 铝合金、镁合金及其在汽车上的应用 6
2.1.1 铝合金 6
2.1.2 镁合金 7
2.2 塑料及其在汽车上的应用 8
2.3 高强度钢及其在汽车上的应用 10
2.4 碳纤维及其在汽车上的应用 11
3. 汽车轻量化的结构设计及应用 13
3.1 汽车轻量化的结构设计 13
3.1.1 汽车的结构设计的定义 13
3.1.2 汽车的结构设计的优化 13
3.1.3 CAD、CAE、CAM技术的介绍 14
3.1.4 CAD/CAE/CAM一体化技术的介绍 14
3.2 汽车轻量化的结构设计的应用 17
3.2.1 CAD技术在车身结构设计中的应用 17
3.2.2 CAE技术在发动机结构设计中的应用 17
3.2.3 CAE技术在车架结构设计中的应用 18
3.2.4 CAE技术在车身结构设计中的应用 19
4. 汽车轻量化的制造技术及应用 21
4.1 内高压成形技术 21
4.1.1 内高压成形技术的原理 21
4.1.2 内高压成形技术的应用 21
4.2 热成形技术 22
4.2.1 热成形技术的原理 22
4.2.2 热成形技术的应用 23
4.3 激光拼焊技术 24
4.3.1 激光拼焊技术的原理 24
4.3.2 激光拼焊技术的应用 24
结语 26
参考文献 27
致谢 28
1.绪论
1.1 汽车轻量化的定义
汽车轻量化的定义是指在确保汽车刚度以及安全性能的条件下，尽量使其重量减少，从而提升其动力性能，减少燃料消耗，降低尾气排放。汽车轻量化技术的内涵是：选用如今比较先进的设计方法以及行之有效的手段对汽车零件进行设计，或者使用轻质材料在保证汽车综合性能指标的条件下，尽量使汽车产品的重量得以降低，以此达到减轻重量、保护环境、降低排耗、保证安全的综合指标。
1.2 汽车轻量化的意义
全球经济的发展进步，很大部分原因是因为大自然的丰富资源，比如我们日常所用的汽油、煤、天然气等，都是来源于化石能源。但是，这些主要的化石能源将在2050年左右急速地接近衰竭。现如今，全球可以使用的石油大概为1500亿吨，以上世纪末全球每年使用33亿吨石油来进行计算，全球的石油大概在21世纪中叶宣告衰竭。天然气的贮备大概在153000兆立方米，若以后还保持现有的每年2300兆立方米的开发量，那么其大约在短暂的60年之后衰竭。丰富自然资源的使用与原料之间的线条的断裂，一定会使得全球再次发生经济危机，各种矛盾冲突也将增加，最后断送现今发达的市场经济。实际上，近些年来中东地区以及海湾区域与非洲国家的战乱，基本上是因为对于自然资源的再次分配。这类军事上的冲突，以后还将更加激烈、更加频繁。在海内，大概也会出现因为能源基地工人下岗而引起的很多新的冲突和争执。所以，能源危机总有一天终将爆发，而到时候其爆发也将具备骇人听闻的效果！
根据相关数据显示，一千辆汽车一天放出的CO约为3000kg，HC约为300kg，NOX约为100kg。汽车尾气堪称空气污染的首要危害分子。汽车排放的尾气中包含的污染成份有：CO、HC、NOX、SO2、HCHO、粉尘微粒等。 光化学烟雾是其造成的最主要危害，汽车尾气形成光化学烟雾的原理是：汽车排放的混合气中包含的HC和NOX在有太阳光的条件下参与了化学反应，从而生成O3，O3再和大气中别的成份反应就生成了人们所深恶痛绝的光化学烟雾。其对健康有很大的危害，会引起眼睛、鼻子、喉咙、支气管等方面的病症。其还会使得树木枯死、农作物大批量减产、大气能见度显著降低从而使得交通发生堵塞等。
所以燃料经济性的改善和对汽车排放的控制是当今汽车工业面临的两个最重要的挑战。汽车尾气的排放在一定程度上受燃料经济性的影响。所以当燃料经济性改善了，尾气排放自然也会减少。
很多因素都会使燃料经济性发生变化，包括车辆动力的需求、速度、发动机、变速器效率以及燃料类型等。车辆进行加速、爬坡、克服车轮与地面之间的阻力、空气阻力以及驱动空调、暖风、音响娱乐等附属装配所需动力的总和就是该辆车能够行驶在路面上所需的动力。以上动力需求的前三项与汽车的整车质量成正比关系，因此减轻汽车的整车质量可以明显降低车辆的动力需求，因而可以改善汽车的燃油经济性。而空气阻力、滚动阻力系数以及附属装置储备功率需求对燃料经济性的影响相对于前三项要小的多。相关研究数字表明，如果汽车的整车质量下降10％，那么燃油效率可提高6％-8％。因此，车辆整体质量的下降对于燃油经济性是有很大好处的。
石油、天然气等化石能源储量的不确定性，使得燃料的价格水涨船高。而汽车的排放对环境和公众健康的危害也日渐加剧，使得改善汽车的燃料经济性已经成为全球各大汽车制造商的头等大事。汽车轻量化又被认为是使得燃料经济性越来越好的最为关键的环节之一，所以汽车轻量化的重要性是不言而喻的。
1.3 汽车轻量化的国内外现状
1.3.1 国外现状
从历史上看，汽车轻量化始于20世纪70年代的美国，当时的汽车制造商开始减小他们的汽车尺寸，以满足1978年CAFE的18 mile/gal的油耗要求。所以，也是从那时起，随着材料以及结构设计技术的不断进步，还有就是人们对轻量化的越来越多的关注与重视，汽车的自身重量得以逐年减少。上世纪90年代以及本世纪初全球汽车工艺比较发达的汽车制造商先后制造出了一百公里只需消耗3L燃油的汽车，这些种类的汽车的重量大都在800kg左右，比如今同类汽车的质量轻50%。例如大众公司推出的路波（Lupo），汽车的自身质量只有800KG。奥迪公司生产的奥迪A2，其是全铝车身，重量只有900kg左右。与此同时，商用车的重量也在渐渐降低，以南京依维柯为例，在2004年，其车厢的重量已经降为950kg，与之前相比降低了接近1/2的重量[1]。如上所述的三款轻量化汽车如图1-1所示。
（a） 大众路波
（b） 奥迪A2
（c） 南京依维柯
图1-1 轻量化汽车
2009年5月，美利坚合众国的总统奥巴马先生颁布了一项有关汽车的节能减排规划，目标是使得在美国国内生产的小型汽车到2016年百公里油耗不越过6.6L这道警界线，二氧化碳的排放量也只能是现有车辆的2/3。这项规划在2012年已经开始施行，将使得美国在2012年到2016年这四年期间降低汽油的用量达到18亿桶，尾气的排放也将减少9亿吨。其他地区如欧洲和日本，他们不仅在降耗减排方面推行了相关政策，而且对废旧车辆的回收也作出了严格的规定。日本政府在2001年作出规划，计划从抛弃型社会发展模式进入到循环型社会发展模式，推行全部回收、没有废弃的观念。实际上，在2001年之前，日本已有相关法律在推行绿色设计和绿色采购。
1.3.2 国内现状
“九五”和“十五”期间，一批汽车新型材料项目正式被列为国家重点高新技术项目和国家重大科技攻关项目。在这段时期，铝材以及铸件制造成套工艺技术的开发研究在国内进行，经过科学家们刻苦的钻研，多种铸造合金材料被研发了出来。科学家们对具有极高韧性、极高强度以及超高耐热性能的铝合金的研究获得了巨大的进展。半固态成型、快速凝固等先进的成型技术的研究与应用也获得了较大的发展。
在汽车结构优化设计方面，国内已经从主要依赖经验设计逐步发展到使用CAD、CAE等先进的设计方法进行静强度计算以及分析阶段。当前一些车身模具开发技术在汽车行业中出现，这些技术都是拥有自主知识产权的。如上海汽车工业集团与湖南大学一起合作，在薄板冲压技术与模具设计理论这两方面展开了进一步研究。北航开发了基于CAD系统的CAXA，并已经开始了有关大型客车的轻量化技术的研讨，使用优化设计的方法对汽车构造进行分析以及设计，最终使车架、发动机以及车身蒙皮的质量得以下降等。
然而，国内的汽车轻量化技术水平还是处在比较低的水准，不管是在理论研究还是在实践应用方面都与国外的先进技术存在较大的距离。轻量化技术开发实力不够，能够参与研发的人才欠缺，工艺水平过时等都是我们必须要去解决处理的问题。
1.4汽车轻量化的实施途径
汽车轻量化绝对不是仅仅将汽车小型化而已，而是具备约束条件的，即在确保汽车整体重量以及性能不受较大影响的条件下，最大限度地降低汽车上各个零件的重量，努力使得汽车具备高输出功率、低噪音、低振动以及优秀的操纵性能等优点，同时减少能源的使用，降低尾气排放量。通过轻量化技术的本质可知，汽车的轻量化主要是通过使用先进的轻质材料、合理的结构设计以及先进的制造工艺来实现。
在整车中使用轻质材料是当前对汽车进行轻量化的设计中降低汽车自重的重要手段之一。被广泛使用的能够减轻汽车重量的材料主要被分为两种，分别是轻质金属材料以及非金属材料。铝合金、镁合金以及高强度钢等属于轻质金属材料，而塑料、陶瓷以及其他复合材料等属于非金属材料。实际上，因为受到轻质金属材料以及新型非金属材料在汽车零部件上大量使用的影响，传统的金属钢板材也日趋朝着更薄、成形性更好以及强度更高的方向发展。根据有关数据显示，在如今的汽车中，占整车重量90%的几大主要材料的在汽车质量中所占的范围大概为：钢材占56%一60%，铸铁占11%一16%，塑料占7%一12%，铝占5%一9%，复合材料占3%—5%，除此以外的其他材料如油漆、玻璃等占的就是剩余的比重。由此可见汽车轻量化的材料在汽车上的使用量相对于以前已越来越多，而其使用范围同样也会越来越广泛。
在汽车结构的优化方面，CAD、CAE等先进技术的使用已日趋成熟，这些先进技术为汽车的结构优化带来了巨大的便捷性，使得汽车工程师们可以越来越方便的对汽车进行减轻重量的设计。假如人们可以合理的运用这些先进的设计方式，那么就可以更好的对汽车整体以及零件的各项性能进行规划，进一步提高冲压模具的制造水准以及对零件成形后质量的控制，从而以最快的速度完成对整车及零部件的轻量化设计。
要在零部件上使用新型的轻质材料，必定需要比较特别的成形方法或进行制造、焊接的措施。同样的，对汽车结构进行合理优化后，也会需要新型制造工艺去满足日益更新的零件结构的变化。内高压成形技术、热成形技术以及激光拼焊技术是目前在汽车工业中出现并得以运用的比较新的制造工艺。
2.汽车轻量化的材料及应用
2.1 铝合金、镁合金及其在汽车上的应用
2.1.1 铝合金
铝合金最吸引人的特性是密度低，其密度仅为钢的1/3。铝可以冶炼成合金，并且可以通过冷作强化或者通过热处理达到较高的强度重量比。现如今一些铝合金的物理性能已经与用于生产汽车的钢材非常相近，这些铝合金具有很高的强度以及刚度，生产成本也日益下降。所以如果通过合理的设计，充分利用铝合金密度低的优点，是可以达到仅使用1kg的铝合金代替2kg的常用钢材的目的的。另外需要提到一点的是，使用铝合金材料是非常有利于环境保护的，因为铝质材料几乎可以全部进行回收再处理。因此，依照目前的技术水平，实现汽车轻量化的最有效的途径之一就是采用铝制材料代替钢材。
铝在汽车结构、动力传动系统、附属装置中的应用使得所生产的汽车更轻、更安全，其加速性、操控性以及制动性等性能也更好。这些重量更轻的汽车油耗更低，温室气体排放更少，对环境的危害也更轻。
全球范围内各大汽车制造商在汽车上所用的铝材也逐年上涨，每辆车上的平均用铝量由1973年的37kg增加到2007年的126kg。但是当前，使用铝材量最多的全铝车身还是仅仅局限于高级轿车以及赛车等，然而随着技术的进步、生产成本的降低，将会有越来越多的汽车在生产制造的过程中采用铝合金材料。而根据有关数据表明，到2050年左右，铝质材料将取代钢铁材料成为制造汽车的主要材料，每辆汽车的重量更是将会减少1/3。
在轻量化的汽车是否安全这个问题上，也许还是会有很多人存在疑问。而汽车工程师已经对汽车碰撞性以及碰撞性与轻量化之间的关系问题进行了广泛研究，他们用成功的案例使得人们相信像铝这样强度高、重量轻的材料如果保持合理的尺寸，就能够使得汽车保持良好的碰撞性能。奥迪A8就是这样设计的一个成功的例子，如图2-1所示。A8是奥迪公司推出的第一款全铝空间框架结构产品，如图2-2所示，其已获得专利。而重点是其安全级别是五星的，从20世纪90年代到现在，一直被认为是在道路上行驶的最安全的汽车之一。
图2-1 奥迪A8
图2-2 奥迪A8全铝空间框架
2.1.2 镁合金
镁是一种灰白色金属，在地壳中的质量分数约是2.7%。工业纯镁的密度为铝的2/3，不到钢和铁的1/4。镁的密度小于大多数汽车用玻璃纤维增强聚合物，与碳纤维复合材料相当，而镁合金的成本稍低。2008年全世界镁的生产能量为700000吨，约2/3是在中国生产。
镁合金拥有与铸铁相当的强度，并且有更高的刚度。因为其具有良好的流动性，所以运用加热成形工艺锻造镁能够成形为非常复杂的形状。镁运用机床加工的历史比加工铝的时间更长，因此加工成本较低。此外，镁合金还具有优异的碰撞吸能性能，在低温下没有强度降低的现象，因此可以在非常低的温度下使用。
镁在汽车上的使用可以追溯到20世纪30年代中期开始的大众甲壳虫汽车镁合金发动机缸体的使用，如图2-3所示。而从那时起，镁就开始应用在包括动力传动系统、底盘和车身结构的广泛领域。而现如今镁质材料在离合器踏板、仪表板骨架、汽车轮毂、座椅以及气缸盖等汽车零部件上得到了广泛的使用，其替换效果是非常明显的。如今，越来越多的汽车零部件采用镁合金来进行制造，在一些典型的车型上，镁合金的使用量已经达到了26kg/辆。
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