汽车轻量化技术

1-294作为有效的节能手段，汽车轻量化技术已经成为汽车工业发展的重要研究课题之一。汽车轻量化是国家节能减排战略的紧迫需要，更成为车企和全行业提高核心能力的现实需求。轻量化技术无论对传统汽车，还是新能源汽车，都是一项基础的共性技术。-----------------------------------前言2-294汽车轻量化的意义及概念国内外汽车轻量化技术发展现状汽车轻量化的主要途径汽车轻量化技术应用的成功案例3-294过去十年我国汽车产量分布图伴随着我国现代化进程，汽车工业的发展势头强劲，已成为我国国民经济的支柱产业之一。据中国汽车工业协会的统计显示，2009年我国汽车产量达到1379万辆，首次超越美国，成为世界第一大汽车生产国。汽车轻量化之第一章汽车轻量化意义及概念4-294截至目前，我国汽车保有量达到了7619万辆。经济较为发达的北京、上海、广州、深圳等城市的机动车保有量均超过150万辆，而北京市则达到401.9万辆，私人轿车拥有率接近60％。合肥市汽车保有量已突破50万辆。5-294汽车在给人们的出行带来方便的同时，也产生了油耗、安全和环保三大问题。如何应对三大问题，各国政府都提出了相应的措施。包括制定条令法规，如油耗法规，安全法规以及排放法规。各国汽车工业界一致认为，汽车轻量化是满足上述三个法规的有效手段和方法。车重与燃油利用率的关系油耗与CO2排放关系6-294一、节能减排是汽车工业发展的必然趋势20世纪70年代的两次石油危机,促进汽车工业提高了燃油经济性。80年代中期以后，保护人类居住和赖以生存的环境又一次推动汽车工业提高燃油经济性和排放。《BP世界能源统计2008》的数据,2007年全球石油产量为8150万桶,按照这一数字,全球石油储量可满足40年的需求;目前美国53%依赖进口石油,欧洲高达76%,日本几乎全部依赖进口,中国石油对外依存度接近50%。在各行业的石油消耗中,汽车工业是耗油大户。汽车轻量化具有重要意义7-294这些数据表明:汽车工业节能减排对于一个国家的能源供应和环境保护都具有重要的意义。1990年以来中国石油消费的供应能源汽车燃油在我国石油消费中的的增长情况美国各个产业的温室气体排放情况8-294二、为应对节能减排,各国和地区都制定了相应的法规欧盟,北美,日本等都制定了严格的燃油经济型指标,如美国的CAFE(CorporationAverageFuelEconomy)规定乘用车燃油消耗27.5英里/加仑(约11.8km/L)。轻型货车不低于8.8km/L。日本规定2010年汽油乘用车燃油经济性为15km/L,比1995年提高22.8%,柴油乘用车比1995年燃油经济性提高14.9%,达到12km/L。欧盟乘用车燃油经济性目标为18.8km/L,2009年单车平均排放CO2减少到140g/km。9-294为应对全球变暖,全世界已有140多个国家签订了《京都议定书》,我国于2004年开始实施《乘用车燃料消耗量限制标准》,2010年乘用车平均油耗比2003年下降15%。大气中CO2含量的变化情况10-294三、轻量化是实现节能减排的有效手段研究表明,约75%的油耗与整车质量有关,降低汽车质量就可有效降低油耗以及排放。目前,大量研究表明,汽车质量每下降10%，油耗下降8%,排放下降4%。美国在欧洲全顺车的实验表明,在满足欧Ⅳ标准条件下,每百公里油耗Y与自重X满足以下关系Y=0.003X+3.3434(1)对商用车的研究表明,汽车质量每减少1000kg,油耗可降低6%～7%。油耗的下降,意味着CO2,氮氧化物(NOx)等有害气体排放量的下降。据报道,在美国汽车质量如果减少25%,燃油消耗按减少13%计,一年可节省2.7亿桶石油,每消耗1L燃油,将产生CO22～2.5kg。因此燃油消耗的降低,就意味着温室气体和其他有害气体排放的下降。11-294除空气动力学阻力之外,车子运动的各类阻力都和车子质量呈线性关系各类车型的燃油效率与车身自重的关系汽车自身质量对燃油消耗的影响诸多乘用车，车重减少100kg,每升油多行驶1km结果表明，轻量化对汽车节能减排具有重要意义12-294汽车质量的减少,会减小动力和动力传动系统的负荷,可在较低的牵引负荷下表现出同样或更好的性能。Lotus公司证明,簧载质量下降,明显提高行驶平稳性和舒适性。为提高轿车安全性等性能,增加一些辅助装置,导致车的质量增加,这些又需要通过轻量化予以补偿。又如,混合动力汽车,由于增加了混合动力系统装置而增加了车重。如果在混合动力汽车中实现轻量化,不但可以减少油耗,还可以降低制造费用。无论从战略角度、商业角度还是社会发展来看,具有高燃油经济性和环保特点的汽车顺应了社会发展的需要。13-294汽车轻量化不能以简单的减重多少来衡量，必须与所设计车身的尺寸和功能相关对于已有的功能可满足要求的汽车，轻量化的设计是降低重量而保持原功能不变，其轻量化的效果是直接的减重；现有功能尚不能全部满足要求或需要提升的汽车，轻量化设计是完善功能而保持质量不变；既要提高改进性能，同时也使汽车减重。汽车轻量化设计实际上是功能改进，质量降低，结构优化和合理价格的结合。汽车轻量化的概念14-294汽车轻量化之第二章国内外汽车轻量化发展概况2.1国际汽车轻量化发展现状2.2国内汽车轻量化发展现状15-2942.1国际汽车轻量化发展现状主要汽车生产国对策汽车轻量化研发项目16-294自上世纪70年代以来，随着材料技术和制造技术的进步，汽车自身重量在逐年减少，以美国为例，上世纪80年代初，中型轿车的平均质量为1520KG；90年代初下降至1475KG；90年代末下降至1230KG；1985~1995年期间，轿车质量平均每年减少0.9%。20世纪末和本世纪初世界各国先后出现过百公里油耗3L的汽车，这类汽车的质量基本处在750~850KG之间，比现今同类车轻50%。1998年德国大众推出路波3LTDI，汽车自身质量只有800KG。奥迪公司开发全铝型轿车AuDiA2,汽车自身质量只有895~990KG。商用车的自身质量也在减少，以意大利依柯维商用车为例，2004年其驾驶室的质量已降为960KG，减少40%。17-294主要汽车生产国对策影响美国最深的当属“平均燃油效率标准”（CAFE）与“新一代汽车共同开发计划”（PNGV）。PNGV计划于1993年开始实施，政府每年投资2亿美元，主要用于家庭用车的减重。美国总统奥巴马2009年5月公布了一项汽车节能减排计划，目标是到2016年，美国国内生产的客车和轻型卡车百公里耗油不超过6.62L，CO2排放量也比现有车辆减少1/3。这项计划2012年开始实施，将使美国在2012～2016年减少使用原油18亿桶，温室气体排放量将减少9亿吨。欧洲和日本不仅在降耗减排方面推行了相关政策，而且对废旧车辆回收也作出了严格规定。如日本2001年规划由抛弃型进入循环型的社会发展模式，推行全回收或零废弃的观念。其实，2001年以前，日本已有相关法令推行绿色设计及绿色采购。18-294日本美国欧洲改善燃油效率的做法2010年燃油效率提高24%（与1995年比）燃油效率的规定不按照企业平均量，而按照汽车等级来区分贯彻执行企业平均燃油效率CAFE政策。以PNGV（新一代汽车合作计划）计划推动3L/100km车的开发（2004年）加州2009年起达成CO2的企业平均限制法。汽车业自我限制，2008年新车的平均CO2排放标准为140g/km(5.9L/100km)超低燃油消耗车的开发紧盯美国加州法令，加速开发汽油/电池混合车PNGV计划正在开发全铝车体：GMPrecept；FordProdigy；Chrysler批量生产出全球首部燃油效率为3L/100km的车VWLupo3L/100km概念车领先开发燃料电池车发表丰田ES3(*)ESX2三种燃料电池车燃料电池车*超级燃油效率概念车，燃油效率为2.7L/100km（CO271g/km）主要汽车生产国轻量化与改善燃油效率值的策略19-294汽车轻量化研发项目国际钢铁协会首先开展了超轻钢汽车车身UISAB项目，参加该项目的有来自5大洲18个国家的35家钢铁企业。该项目于1994年启动，1998年结束，主要目标是减小车身质量、提高结构强度、提高安全性、简化制造工艺及降低生产成本。与UISAB相关的项目还有UISAC和UISAS两项目，前者是将高强度钢应用在汽车车身覆盖件上，后者是采用高强度和超高强度材料以及一些先进的制造技术来生产轻量、廉价和性能良好的悬架系统，目标是通过采用新的钢材及设计，将悬架质量减小20%。国际钢协1998年3月开始在全球实施UISAB-AVC计划，该项目是从整体上研究开发新一代钢铁材料汽车结构（车身、覆盖件、悬架系统、发动机支架及所有与结构、安全相关的部件）。世界各大铝业公司也结成了汽车铝材联盟，如美国汽车材料合作伙伴（USAMP）。20-294汽车轻量化之第二章国内外汽车轻量化技术发展概状2.1国际汽车轻量化技术发展现状2.2国内汽车轻量化技术发展现状21-2942.2国内汽车轻量化发展现状汽车轻量化技术发展现状汽车轻量化技术发展面临的主要问题行业政策及标准22-294行业政策及标准2004年我国出台《乘用车燃料消耗量限值》国家标准，以期从长远角度提高能源利用率，并促进汽车轻量化的发展，分阶段实施。2009年初出台的“汽车产业调整振兴规划”，其中规定购买1.6L及以下的小排量汽车可减免5%的车辆购置税。23-294近年来,我国在汽车轻量化技术方面取得了不少成果。“九五”和“十五”期间,一批汽车新材料项目被列为国家“863”、“973”高新技术项目和国家科技攻关重大项目。促进了汽车轻量化技术的进步。九五“期间,我国进行了铝合金材料和铸件生产成套工艺技术的开发研究,开发出了多种铸造合金和高性能轴瓦材料：耐热铝合金、高强高韧铝合金、铝基复合材料等新材料的研究取得了较大进展。半固态成型、快速凝固等先进成型技术研究与应用也取得了突破。一汽等几大汽车生产厂家都有自己的铝合金铸造生产线；湖南大学也正在进行汽车大型铝合金结构件整体铸造成形技术和关键设备的研究；重庆汽车研究所、西南铝、东北大学和一汽都进行了铝合金板材的成形性研究。汽车轻量化技术发展现状24-294“十五”期间，我国将镁合金应用与开发列为材料领域重点项目,一汽、东风、长安等汽车企业建立了压铸镁合金生产线重庆汽车研究所在镁合金零件的性能测试、疲劳试验、计算机模拟等方面做了大量的工作：上海交大、湖南大学、重庆大学等高校就镁合金的强韧化、耐蚀性、阻燃性和抗高温蠕变性等开展了较深入的研究。目前,国内汽车轻量化材料正在加速发展,车用高性能钢板、镁合金已在汽车上有所应用。如上海大众桑塔纳轿车变速器壳体采用镁合金。上世纪80年代,重庆汽车研究所就开展了双相钢研究；一汽轿车、奇瑞汽车公司也在轿车车身上进行了高强度钢板的初步应用试验。25-294在汽车结构优化设计方面,国内已从主要依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等现代设计方法进行静强度计算和分析阶段。目前出现了一批拥有自主知识产权的汽车车身模具开发技术，如湖南大学与上汽通用五菱在薄板冲压工艺与模具设计理论方面开展了较深入的研究；北京航空航天大学开发了CAD系统CAXA。并已经开展了客车轻量化技术的研究，利用有限元法和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计。以减少车身骨架、发动机和车身蒙皮的重量等。26-294目前，我国汽车轻量化技术无论在理论研究方面还是在实际应用方面与国外均有较大差距。轻量化技术的发展主要面临如下问题：1、轻量化技术涉及众多学科的研究领域需要运用多学科交叉融合所形成的综合性、系统性知识体系,而在目前的研发体系下，各研发机构往往只注重单个技术的研发很少开展各技术间的交叉与融合2、汽车轻量化技术涉及众多的共性技术和前沿技术其关键、核心技术的突破不可能由单个企业或科研机构独立完成。必须要由国家级的研究机构对其关键、重大问题进行战略性和前瞻性的超前