汽車輕量化是汽車產業的發展方向之一,也是一個汽車廠商和國家技術先進程度的重要標志。汽車輕量化英文名稱：Lightweight of Automobile。汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%―8%；汽車整備質量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3―0.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。當前，由于環保和節能的需要，汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流。

 

1、汽車輕量化與節能環保

 

汽車行駛時,汽車運動阻力所消耗的功率有滾動阻力功率、爬坡阻力功率、空氣阻力功率和加速阻力功率?？諝庾枇χ饕c車身的形狀、迎風面積等有關,并與速度的三次方成正比,但它與整車的總質量無關。而滾動阻力、爬坡阻力和加速阻力均與整車的總質量成正比。所以減輕自身質量,就減輕了整車總質量,從而就正比例地減少了上述3種阻力,也降低了能量消耗。

 

世界鋁業協會的報告指出,轎車質量每減少10%,燃油消耗可降低6%~8%。對自質量16~20 t的載貨汽車,每減重1 000 kg,則可降低油耗6%~7%。油耗的降低,意味著汽車的排污量的降低。因此,減輕汽車自重,對于電動汽車而言,是節能的最有效措施之一;而對于燃油汽車,是節能環保的最有效措施之一。

 

2、汽車輕量化與鋼材及運輸成本

 

1)汽車輕量化減少了汽車用材,降低了制造成本。近年來,鐵礦石價格上漲,鋼鐵也隨之漲價。原材料價格的不斷上漲,給汽車制造業帶來了很大的壓力。在汽車制造過程中,鋼板的使用達50%,各類鑄鐵件的使用占20%~30%,鋼鐵總消耗占所使用原材料的70%。以重卡為例,單車價格因鋼鐵漲價而漲20%左右。

 

2)汽車輕量化還減少了收費公路的貨車通行費。原來貨運車輛的收費方式是根據車輛核定裝載質量和車型分類來收取車輛通行費的, 2004年交通部出臺《收費公路試行計重收費指導意見》,到2008年國內絕大部分省份都將實行計重收費。該政策以實地測量的車貨總質量為依據,計重收取車輛通行費。這種收費方式除了能夠抑制超載外,也促使汽車生產企業更加關注減輕車輛自重。在同樣總重情況下,自重小的車能夠裝載更多的貨物。如同樣總重為40 t的車,自重11 t的車要比自重12 t的車多裝1 t的貨物。據測算,貨車每降低1 t能給用戶帶來10萬元/ a的凈收益。

 

3、汽車輕量化的途徑和手段

 

3. 1輕量化設計輕量化設計可有以下3種:

 

1)選取輕量的汽車形式和總成部件結構形式。如轎車采取發動機前置前輪驅動或發動機后置后輪驅動的布置形式,取代發動機前置后輪驅動的布置形式,減少中間傳動軸以減重;卡車離合器用膜片彈簧取代螺旋彈簧,可減重一半以上;采用超輕懸架結構;采用承載式車身結構形式取代半承載式或非承載式車身結構形式。承載式車身結構是整個車身都參與承載,這樣可以發揮車身材料性能的最大潛力。

 

2)車身結構、車架優化設計。據統計,轎車車身、底盤(含懸掛系統)、發動機3大件約占一輛轎車總重量的65%,其中車身外、內覆蓋件的重量又居首位。我國客車車身骨架大多由型鋼焊接而成,客車車身和貨車車架也占相當大的比例,客車車身骨架通常采用局部加強的方法來加強強度,導致車身質量過大,有的12m大客車車身重量比輕量化車身重量多1 t。對大量客車車身結構的有限元分析和試驗表明,我國客車車身自重大多存在偏重現象,而且有很多結構件出現強度、剛度富余的現象。除小部分客車結構桿件受力比較大外(占10%左右),其余大部分桿件受力很小。因此,對客車車身結構進行輕量化設計,這是被認為當前切實可行的主要途徑。而東風霸龍重卡將牽引車的306mm雙層大梁優化為273mm的雙梁車架,減重約500 kg,因此,減少汽車的車身,車架重量就減少汽車總重量,是汽車輕量化的重要途徑。在方法上,可以采用有限元法、優化方法和拓撲方法。在保證客車骨架和底架的剛度、強度、舒適性、安全性及工藝構造等因素的條件下,對車身結構進行尺寸優化、形狀優化及拓撲優化,減輕車身骨架、車身鋼板的重量。

 

3)通過整車或零部件小型化,實現汽車輕量化。如德國1998年產的節能型小型家庭轎車,車長3530mm, 4座,自重800 kg,油耗2. 94L,排放低于90 kg/km。

 

3. 2新材料的應用

 

目前可用來減輕汽車自重的材料有2大類:

 

一是輕質材料,如鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料和復合材料等,另一類是高強度材料,如高強度鋼。

 

1)鋁合金

鋁的密度只有鋼鐵的1/3,具有良好的機械性能,耐腐蝕性、導熱性好。其合金還具有高強度、易回收、吸能性好等特點。但鋁合金加工難度比鋼材高,焊接性能差。

 

當前汽車用鋁合金以鑄件為主,約占汽車用鋁量的80%,用于制造發動機零部件、殼體類零件和底盤上的其他零件。如轎車發動機缸體、缸蓋、離合器殼、保險杠、車輪、發動機托架等幾十種零件。最近,重型車發動機中的進氣歧管、油底殼、飛輪殼和齒輪室罩蓋等零件也已開始大量采用鋁合金鑄件。變形鋁合金在車身零件及結構件的應用方面也發展較快,如鋁合金車廂蓋、發動機罩、提升式后車門、前端翼子板、保險杠、車廂底板結構件、熱交換器、車輪以及全鋁車身等。預計鋁將會成為僅次于鋼的第2大汽車材料。

 

2)鎂合金

鎂的密度只有1. 8 g/ cm3,鎂合金性能與鋁合金相似,是當前最理想、重量最輕的金屬結構材料。但其鑄造性差,后處理工藝復雜,成本高。我國的鎂資源非常豐富,儲量占世界首位,因此前景非常廣闊。目前已大批量應用鎂的主要是車身和底盤零件,如儀表盤骨架與橫梁、座椅骨架、轉向盤、進氣歧管,以及各種支架、罩蓋等。

 

3)塑料及非金屬基復合材料

采用塑料和非金屬基復合材料一般可減輕部件的重量35%左右。低密度與超低密度片狀成型塑料是由非金屬為主的有機物組成的,具有密度小,成型性好,耐腐蝕,防振,隔音隔熱等性能,同時又具有金屬鋼板不具備的外觀色澤和觸感。

 

目前,塑料大都使用在汽車的內外飾件上,如儀表板、車門內板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護板、側圍內襯板、車門防撞條、扶手、車窗、散熱器罩、座椅支架等。而后逐漸向結構件、功能件和車身覆蓋件方向發展。

 

復合材料即纖維增強塑料,是一種增強纖維和塑料復合而成的材料。常用的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復合材料。復合材料( SMC)密度小,設計靈活美觀,易設計成整體結構,耐腐蝕,隔熱隔電,耐沖擊,抗振等。在重量減輕與強度方面達到, 甚至超過了鋁材,整體成本更低。目前玻璃鋼復合材料的應用非常廣泛,尤其在歐美車系中。

 

4)不銹鋼

采用高強度不銹鋼板試制的轎車前側防撞弓形梁和保險杠、后擋板、發動機支架、LPG瓶等零部件,輕量幅度一般可達30%左右[ 6]。但不銹鋼成本較高,降低成本的主要途徑有2個,一是選用價格相對較低的材料;二是通過優化設計與工藝優化,如減少零件數、取消防蝕處理、表面處理等,消化一部分因材料升高的費用。

 

5)精細陶瓷

精細陶瓷是繼金屬、塑料之后發展起來的第3大類材料。它具有優良的力學性能(包括高溫強度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損等)和化學性能(包括耐熱沖擊、耐氧化、蠕變等)。它用于汽車發動機燃燒室及熱交換器等零件,不僅使之減輕重量,而且使功率提高,油耗大大下降。

 

6)高強度鋼

高強度鋼與鋁合金、塑料相比,具有價格低、彈性模量高、剛性好、耐沖擊性好、抗疲勞強度高等特點,缺點是耐腐蝕性差。

 

目前汽車使用的高強度鋼主要為板材與管材,它取代普鋼、鑄鐵用于車身零件和其它結構件,如北美開發的PNGV2Class級轎車,其車身全部采用高強度鋼,質量只有218 kg,與全鋁車身相當。此外,采用液壓成形技術生產的高強度鋼構件也越來越多,如發動機托架、散熱器支架、儀表板橫梁、座椅骨架,以及輕型車后橋殼和車架等。

 

最新的應用情況表明,有些鋁合金、鎂合金零件,如保險杠、車輪、骨架、前門、后門、橫梁等,又轉而采用高強度鋼。為滿足更為嚴格的安全法規要求(如側面碰撞),各大汽車公司均加快了高強度鋼在汽車車身、底盤、懸架和轉向系零件上的應用,高強度鋼在汽車中的應用逐年增加,預計高強度鋼在轎車用鋼中所占的比例會達到60%。

 

4、汽車的輕量化是一個復雜的系統工程

德國Paderbom大學的Hahn等提出了“多材料組合的輕量化結構”和“合適的材料用在合適的部位”2個觀點。他們認為多材料結構設計代表了今后汽車車身結構設計的發展方向。通過對多材料結構進行優化,既能改進汽車性能,又能顯著減輕質量。而“合適的材料用在合適的部位”是實現多材料輕量化結構設計的必然選擇。當前汽車使用材料的組合仍以高強度鋼、鋁、鎂和塑料為主。

 

汽車零部件的多材料設計、部件的零件化(減少零件設計)的發展推動了材料技術與汽車設計、制造工藝越來越緊密的結合。激光拼焊、液壓成形、金屬半固態加工以及不同材料的連接技術等新技術就是在這種發展趨勢下應運而生的。

 

汽車的輕量化是一個復雜的系統工程。在開發應用新材料的同時,不斷發展相應的汽車零部件設計、制造技術和其它相關技術,這樣才能以最低的成本獲取最佳的輕量化效果。