汽车轻量化研究的展望

汽车轻量化研究的展望摘要：汽车轻量化发展30多年以来，无论是汽车设计手段还是新型材料的开发都有很大的发展。我国作为汽车生产大国也必然要走汽车轻量化道路。关键词：轻量化；汽车；国产1概述所谓汽车轻量化，指的是：“采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计，或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下，尽可能的降低汽车自身重量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标”[1]。汽车轻量化最早可以追溯到1985年，在汉诺威汽车交易会上，奥迪公司用一幅画像人们阐述了汽车轻量化这一概念。画中两位少女在不借助任何外力的帮助下轻松的举起了奥迪100的整个铝制车身。在那个年代，公众对汽车性能的要求（如油耗、排放、安全等）与今日相比大有不同，加之汽车工业生产技术水平有限，汽车的轻量化并没有太大的意义。但是，奥迪公司却用了这样一幅生动的画揭示出----轻量化必将成为下一个汽车生产时代的重要目标。2汽车轻量化的重要意义自2002年伊拉克战争以后，国际石油价格一直在快速上涨，而国内燃油价格也在持续攀升，民众对汽车省油的要求越来越高。据美国《油气杂志》报道，世界石油探明储量为1.26万亿桶（2004年数据），同年全球日消耗石油平均量8400万桶，照此推算，本世纪中期将出现第三次石油危机。车用燃油是全球石油消耗的重要部分，全球汽车石油消耗量约每年90亿桶，占世界石油总产量的40%。为了应对可能的石油危机，在不降低汽车性能的前提下，降低汽车油耗具有重大意义。有关数据指出，“汽车整车质量降低10%，可提高燃油效率6%-8%；滚动阻力减少10%，可提高燃油效率3%；车辆机构传动效率提高10%，可提高燃油效率7%”[3]。因此，汽车轻量化对于整车质量降低，以至于提高燃油效率有十分重要的意义。在新能源发展状况还不明朗的形势下，轻量化一成为全世界汽车企业应对低油耗的最佳手段。此外，轻量化对于提高汽车的操控性、安全性、舒适性也有较大影响，比如，车辆底盘质量降低后会减轻车辆行驶时的颠簸，整个车身会更加稳定，又如，轻量化材料可以吸收碰撞是产生的能量，从而提高车辆的碰撞安全性。在这个汽车技术突飞猛进的时代，汽车轻量化已经成为汽车产业的一项重要研究课题。3国内外发展状况自“轻量化”这一概念被提出后，经过将近三十年的发展，一些工业发达国家在汽车轻量化材料的开发和应用上已经取得了突破性的发展，形成了从材料开发，到产品设计制造，再到材料回收再利用的一套完整的产业化技术。在过去二十几年里，国外汽车重量下降了20%-26%，在未来十年内，轿车自身重量还会下降20%[4]。“目前全球中型汽车平均质量约为1200kg-1400kg，汽车制造发达国家已确定目标在2015年将中型轿车整车质量将到1000kg以下”[4]。使用新型材料是目前汽车轻量化进程的最有效手段，新型轻量化材料，如铝合金、镁合金、工程塑料、高强度钢等，早已被国外先进汽车制造商大量应用在汽车的制造上。而我国汽车制造商在新型材料的使用上还比较落后，如表（3-1）。表3-1国内外新型材料在轿车上应用的对比（%）上世纪80年代重庆汽车研究所开展了双相钢研究，一汽轿车和奇瑞汽车公司也开展了一系列的新型材料初步试验。在轻量化设计方面，由于CAD/CAE/CAM一体化技术产生于国外，所以国外汽车制造商很早就开始应用计算机辅助设计，而我国却起步很晚，目前我国已从主要依靠经验进行设计逐渐发展到利用现代设计方法进行设计和分析的阶段[1]，而且已经出现了一批拥有自主知识产权的汽车模具开发技术，如北京航空航天大学开发了CAD系统CAXA，并已经开展了乘用车轻量化技术的研究，利用有限元法和优化设计方法进行车辆的结构分析和结构设计，以减少车身骨架和发东西的质量。4汽车轻量化的手段汽车轻量化发展到今天，已经有很多方法能够实现整车质量的减轻，可以概括为：优化汽车的结构、使用新型材料。4.1优化汽车的结构计算机辅助设计制造技术已经在当今的汽车制造工业起到了非常中国要的作用，它涵盖了汽车从设计到制造的每一个环节。运用这个技术可以实现对汽车总体结构的轻量化设计以及分析，对汽车车身实体结构进行精确设计和合理布局，还可以对车身板材厚度的变化进行分析，从而对整车的数据进行分析以及刚度、强度计算。通过这样的结构优化设计,能够减小车身骨架及车身钢板的质量,再对车身强度和刚度进行校核,以确保汽车在满足性能的前提下减轻自重。通过结合参数反演技术、多目标全局优化等现代车身设计方法,研究汽车轻量化结构优化设计技术,包括多种轻量化材料的匹配、零部件的优化分块等。从结构上减少零部件数量,确保在汽车整车性能不变的前提下达到减轻自重的目的。利用计算机还可以进行机构的运动仿真，优化各个部件的结构，以及优化各部件之间的相对关系。比如采用轿车发动机前置、前轮驱动和超轻悬架结构等,使结构更紧凑,或采取发动机后置、后轮驱动的方式,达到使整车局部变小,实现轻量化的目标。对于汽车零部件的设计,还可以利用计算机辅助设计技术进行受力分析和运动干涉分析等,使零件能够满足车身设计的各项要求。通过零件结构的小型化,促进汽车轻量化,使主要功能部件在同等使用性能不变的情况下,缩小尺寸。材料钢铁铝合金镁合金塑料其他材料中国65-705-10极少10-155-15国外制造商51-6051-600-118-224-184.2使用新型材料4.2.1高强度钢高强度钢是指屈服强度在210MPa-550MPa的钢材。目前高强度钢主要应用在防撞梁、车门、防撞柱、车身边梁、车身横梁等处。在所有的汽车轻量化材料中，高强度钢的价格最低。采用高强度钢进行等强度设计可以减小钢板厚度，但是却不能大幅度减轻车身质量，所以高强度钢只用于加强车身构件抗变形能力，提高碰撞能量吸收能力，和扩大弹性应变区。我国是产钢大国，但是在汽车工业高强度钢的应用上还有很多问题，如自主开发能力不强，产品的开发与生产还需引进国外先进技术和整套装备；产品品种单一，不能满足国内汽车生产需要；产品质量较差，力学性能不可靠，工艺性能不稳定，表面质量差，尺寸公差大。以上种种原因导致我国汽车工业所用的高强度钢还需大量进口。4.2.2工程塑料“塑料是由非金属为主的有机物组成，具有密度小、成型性好、耐腐蚀、防震、隔音隔热等性能，同时有具有金属钢板不具备的外观色泽和触感”[2]。由于工程塑料具有的这些特点，目前工程塑料已经被广泛引用在汽车外饰、内饰上。在外饰上，工程塑料主要应用在：保险杠、进气栅格、车灯、导流板、侧围板、翼子板以及诸多空气动力学配件上。工程塑料在内饰上的用量更大，大部分中低端轿车和商用车的内饰材料都是工程塑料。此外，工程塑料还大量用在风扇、进气歧管、空气滤清器壳体和各种液体贮存箱。4.2.3铝合金传统铝合金有铸造铝合金、变形铝合金、锻造铝合金、粉末冶金铝合金等多种类型。铸造铝合金目前大约占汽车用铝80%[3]。可用铝合金替代钢材的汽车部件有发动机缸体、铝合金车轮、悬挂系统零件、车身、热交换器等。“铝代替传统的钢铁制造汽车零部件，可使整车重量减轻30%-40%。铝制的发动机可减重30%，铝质散热器比相同的铜制品轻20%-40%，轿车铝车身比钢材制品轻40%以上，汽车铝车轮可减重30%左右，铝制零件代替钢铁零件也可大幅减重”[4]。研究表明，汽车每使用1kg铝，可降低自重2.25kg，减重效应高达125%[6]。此外铝合金具有良好的物理化学性能，工业生产中的铸、锻、冲工艺均可适用，是少数几种可采用多种铸造工艺生产零件的金属，最适合汽车零件生产且应用最广的是压力铸造工艺。正是由于铝合金的这些优良性能，加之我国铝资源较丰富，是仅次于钢铁的结构材料，使铝合金成为汽车轻量化中经济适用和最具竞争力的材料。4.2.4镁合金镁合金是一种更新型的轻量化材料，它的性能与铝合金相似，但镁合金密度更低，只有1.8g/cm3。如果使用镁合金作为整车轻量化材料，会比用铝合金作为整车材料的汽车轻15%-20%[7]，而镁合金却有比铝合金和钢更高的强度。镁合金还具有更好的铸造性和尺寸稳定性，虽然镁合金本身成本较高，但是由于它具有良好的加工性能，在使用时能够降低废品率，另一方面也能降低成本。目前镁合金在汽车上主要应用在车架、发动机气缸体、曲轴箱、离合器壳体、变速器壳体、汽油滤清器壳体、进气歧管、油泵、分电器、风扇，方向盘、转向器等。此外，镁合金还具有较好的阻尼系数，其减震量大于铸铁和铝合金，所以镁合金也会用在座椅和轮圈上，从而减小振动，提高乘车舒适性。目前我国汽车制造行业使用镁合金还很有限，所使用的镁合金产品大多是仿制国外产品，自主研发很少。我国的镁资源储量居世界第一位，镁合金的市场前景十分广阔，应加大镁合金的研发力度[2]。4.2.5钛合金钛合金的性能更加优越，但是由于造价太高，目前只用在赛车和顶级轿车上，如布加迪威龙。钛合金在汽车上的使用主要在排气系统、发动机系统、传动系统和减震系统上。此外，钛合金连杆、钛合金弹簧、钛合金气门、钛合金高强度螺栓也已经开始被应用。我国的钛资源储量也是居于世界第一位的，如加大开发力度，会有很大的市场前景。4.2.6其他新型材料除以上各类材料之外，还有许多具有优越性能的轻量化材料，但是还没有被应用在汽车上。陶瓷是继金属、塑料后的又一大材料。陶瓷材料发展时间较短，但是却有着优越的力学性能和化学性能。“陶瓷材料应用在汽车上，不仅可以起到轻量化的作用，还因为其具有很好的耐热性、耐磨性、耐腐蚀性，用于发动机内零件可提高燃油效率”[2]，也能达到轻量化的效果。蜂窝夹层材料是一种应用在飞机上的高硬度高强度材料，有较大市场前景，但目前还很少应用到汽车领域。5我国汽车轻量化发展趋势我国汽车企业轻量化技术研究和应用的步伐也在加快。据奇瑞汽车相关负责人介绍，目前，奇瑞A3等主力车型已经配装奇瑞自主研发的全铝发动机。从2007年开始，奇瑞部分轻量化技术在整车上大量应用，部分车型减重近8%，在实现节能减排的同时也降低了用户的使用成本。与乘用车相比，商用车主要作为生产资料，用户对其投入产出比非常看重。今年以来，受国家相关政策影响，市场对轻量化商用汽车的需求快速升温，轻量化车辆的节能优势正逐渐被用户认可，并成为影响购买的重要因素。目前，在国内运输类车辆自重较国外同类车型高15%-20%[5]，在油价上涨、计重收费、营运车辆油耗限值等因素的作用下，运输类车辆轻量化将为用户降低可观的使用成本。国家相关政策法规的实施和用户需求，共同推动了我国商用车企业的轻量化步伐。例如，中国重汽今年主推轻量化产品，对HOWO-A76×4、6×4金王子等车型都进行了轻量化改造。一汽解放的汽车轻量化已取得较大进展，部分量产车型的自重从原来的9.2吨降到8.5吨，减重的途径主要是把悬架从多片簧改为少片簧，将鼓式制动器变为盘式制动器，采用膨胀式桥盒的单级减速桥，以及在散热器等相关零部件上采用铝合金材料等。在一些车辆上选装空气悬架也是一汽解放进行的轻量化尝试之一。上汽依维柯红岩第一批轻量化杰狮于去年年底交付使用，据介绍，已批量生产的杰狮轻量化产品自重已接近世界先进水平。在专用车领域，运输类专用车的轻量化趋势也非常明显，除了已投入使用的轻量化厢式车、翼展车、罐式车以外，侧帘车也将在近期实现量产。在汽车轻量化这条道路上，我们应该正视一个问题：不能一味的轻量化而忽视汽车的安全性。国内一家汽车网站曾对国产及合资品牌的47个车型的防撞钢梁进行检测，检测结果显示，大部分日系的合资品牌轿车的防撞钢梁厚度并为达到3mm的国家标准，甚至某些日系车型竟然没有后防撞钢梁，如日产骐达。一些韩系车型如起亚K5，采用工程塑料作为防撞梁材料的做法也值得商榷。如果汽车的轻量化是以牺牲安全性为代价的，那我们就应该重新审视轻量化的意义了。在轻量化这条路上，我国汽车制造业还有很长的路要走。在材料的选择上需要更谨慎、技术也需更成熟，而同时轻量化应该涉及车身的各个部件，这也要求我们这个产业从上游到下游整个生产链来关注轻量化，让轻量化成为未来我国汽车的一个必然特性。参考文献[1]鲁春艳.汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径[J].轻型汽车技术,2007,(0