汽車輕量化是汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向之一,也是一個汽車廠商和國家技術(shù)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(zhì)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(zhì)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(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。

    1、汽車輕量化與節(jié)能環(huán)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(guān),并與速度的三次方成正比,但它與整車的總質(zhì)量無關(guān)。而滾動阻力、爬坡阻力和加速阻力均與整車的總質(zhì)量成正比。所以減輕自身質(zhì)量,就減輕了整車總質(zhì)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(yè)協(xié)會的報告指出,轎車質(zhì)量每減少10%,燃油消耗可降低6%~8%。對自質(zhì)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(jié)能的最有效措施之一;而對于燃油汽車,是節(jié)能環(huán)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(yè)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(jù)車輛核定裝載質(zhì)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(nèi)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(zhì)量為依據(jù),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(chǎn)企業(yè)更加關(guān)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(jù)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(shè)計輕量化設(shè)計可有以下3種:

    1)選取輕量的汽車形式和總成部件結(jié)構(gòu)形式。如轎車采取發(fā)動機前置前輪驅(qū)動或發(fā)動機后置后輪驅(qū)動的布置形式,取代發(fā)動機前置后輪驅(qū)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(jié)構(gòu);采用承載式車身結(jié)構(gòu)形式取代半承載式或非承載式車身結(jié)構(gòu)形式。承載式車身結(jié)構(gòu)是整個車身都參與承載,這樣可以發(fā)揮車身材料性能的最大潛力。

    2)車身結(jié)構(gòu)、車架優(yōu)化設(shè)計。據(jù)統(tǒng)計,轎車車身、底盤(含懸掛系統(tǒng))、發(fā)動機3大件約占一輛轎車總重量的65%,其中車身外、內(nèi)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(xiàn)象,而且有很多結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)強度、剛度富余的現(xiàn)象。除小部分客車結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)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(yōu)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(yōu)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(gòu)造等因素的條件下,對車身結(jié)構(gòu)進行尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化及拓撲優(yōu)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(xiàn)汽車輕量化。如德國1998年產(chǎn)的節(jié)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(zhì)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(fā)動機零部件、殼體類零件和底盤上的其他零件。如轎車發(fā)動機缸體、缸蓋、離合器殼、保險杠、車輪、發(fā)動機托架等幾十種零件。最近,重型車發(fā)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(jié)構(gòu)件的應用方面也發(fā)展較快,如鋁合金車廂蓋、發(fā)動機罩、提升式后車門、前端翼子板、保險杠、車廂底板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(nèi)外飾件上,如儀表板、車門內(nèi)板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護板、側(cè)圍內(nèi)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(jié)構(gòu)件、功能件和車身覆蓋件方向發(fā)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(shè)計靈活美觀,易設(shè)計成整體結(jié)構(gòu),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(cè)防撞弓形梁和保險杠、后擋板、發(fā)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(yōu)化設(shè)計與工藝優(yōu)化,如減少零件數(shù)、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(fā)展起來的第3大類材料。它具有優(yōu)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(fā)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(jié)構(gòu)件,如北美開發(fā)的PNGV2Class級轎車,其車身全部采用高強度鋼,質(zhì)量只有218 kg,與全鋁車身相當。此外,采用液壓成形技術(shù)生產(chǎn)的高強度鋼構(gòu)件也越來越多,如發(fā)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(zhuǎn)而采用高強度鋼。為滿足更為嚴格的安全法規(guī)要求(如側(cè)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(zhuǎn)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(tǒng)工程

    德國Paderbom大學的Hahn等提出了“多材料組合的輕量化結(jié)構(gòu)”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(jié)構(gòu)設(shè)計代表了今后汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展方向。通過對多材料結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,既能改進汽車性能,又能顯著減輕質(zhì)量。而“合適的材料用在合適的部位”是實現(xiàn)多材料輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計、部件的零件化(減少零件設(shè)計)的發(fā)展推動了材料技術(shù)與汽車設(shè)計、制造工藝越來越緊密的結(jié)合。激光拼焊、液壓成形、金屬半固態(tài)加工以及不同材料的連接技術(shù)等新技術(shù)就是在這種發(fā)展趨勢下應運而生的。

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