汽車輕量化及其材料的經(jīng)濟(jì)選用

張志軍

摘要：汽車輕量化在汽車生態(tài)設(shè)計(jì)中有著重要的作用，這是因?yàn)槠嚨妮p量化不僅可以減少尾氣的排放，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染，同時(shí)還能降低油耗，起到節(jié)約資源的作用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，汽車輕量化已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，這一技術(shù)成為了各個(gè)汽車廠家重點(diǎn)研究的內(nèi)容。本文主要對(duì)汽車輕量化的含義、應(yīng)用現(xiàn)狀及其材料的經(jīng)濟(jì)選用進(jìn)行了相應(yīng)的分析和探討。

關(guān)鍵詞：汽車輕量化；材料；經(jīng)濟(jì)選用

前言

隨著汽車制造業(yè)的不斷發(fā)展，汽車普及度越來越高，已逐漸成為一種社會(huì)化的產(chǎn)品。而嚴(yán)重的資源和能源危機(jī)要求汽車制造業(yè)在大規(guī)模生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，必須考慮高性能、高功能、輕量化和資源節(jié)約。研究表明，如果汽車的整體質(zhì)量降低10%，那么，能源利用率就可以提高6%～8%。因此，確保汽車的輕量化是非常重要的。

一、汽車輕量化的含義

汽車車身質(zhì)量占汽車整體質(zhì)量的30%，空載時(shí)，有70%的能源消耗在汽車車身上。采用汽車輕量化技術(shù)除了可以降低能耗外，還可以提高汽車操作的穩(wěn)定性和安全性。使用輕量化材料后，汽車質(zhì)量會(huì)減輕。在其行駛過程中，由于汽車底盤質(zhì)量比較輕，所以，顛簸會(huì)減弱，車身會(huì)更加穩(wěn)定。當(dāng)汽車遇到撞擊時(shí)，其撞擊能力會(huì)被吸收一部分，從而提高汽車運(yùn)行的安全性。但是，輕量化并不是說汽車質(zhì)量越輕越好，這需要綜合考慮汽車的安全性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性等因素。在保證汽車各項(xiàng)指標(biāo)都滿足要求的情況下，為了降低能耗，使其更加環(huán)保、安全，要采用先進(jìn)的技術(shù)或特殊材料盡可能地減輕汽車質(zhì)量。

汽車輕量化并不是簡(jiǎn)單地縮小汽車的體積或者減輕汽車的質(zhì)量。汽車的安全性、穩(wěn)定性、舒適性和耐撞性等與汽車的質(zhì)量有直接關(guān)系，所以，還需要考慮其經(jīng)濟(jì)合理性，畢竟汽車屬于商品，要讓消費(fèi)者接受它的價(jià)格。

汽車結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新化設(shè)計(jì)和特殊材料的使用是汽車輕量化技術(shù)的重要組成部分。如果汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，不僅可以減少材料的使用量，還能達(dá)到輕量化的目的。要想實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，車身材料是非常重要的。相關(guān)研究表明，汽車輕量化主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①隨著新材料的出現(xiàn)，很多性能好的輕質(zhì)材料被應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，例如高輕度鋼、鎂合金、鈦合金、鋁合金、特殊塑料、陶瓷和生態(tài)復(fù)合材料等；②隨著汽車工業(yè)設(shè)計(jì)水平的不斷提高，很多汽車開始采用超輕懸架結(jié)構(gòu)、高剛性結(jié)構(gòu)來減輕其質(zhì)量；③汽車輕量化的發(fā)展促使計(jì)算機(jī)輔助集成技術(shù)和結(jié)構(gòu)分析等技術(shù)被應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，從而帶動(dòng)汽車聯(lián)接技術(shù)的創(chuàng)新。

二、汽車輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著科技的快速發(fā)展，新材料、新技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于汽車輕量化領(lǐng)域。目前，很多汽車的變速箱殼體采用的都是鎂合金材料，例如上海大眾桑塔納轎車。隨著鎂合金材料性能的提升，如果曲軸的箱體材料由鋁合金變?yōu)殒V合金，那么，其質(zhì)量將會(huì)減輕30%；如果能進(jìn)一步改善鎂合金材料的抗蠕變性能，那么，自動(dòng)變速箱的箱體也可以使用鎂合金材料制造。

汽車輕量化的重點(diǎn)在于車身結(jié)構(gòu)的用材。傳統(tǒng)的車身結(jié)構(gòu)是鋼材，但隨著材料學(xué)的發(fā)展，鋁合金、精煉鋼、夾層鋼等材料被應(yīng)用于汽車車身制造上，柔性化板材輥軋、剪拼焊接工藝等技術(shù)也得到了應(yīng)用。不銹鋼與高強(qiáng)度的碳鋼相比，其強(qiáng)度更高、延展性更好。20世紀(jì)90年代，奇瑞等汽車公司就開始進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

隨著時(shí)間的推移，我國(guó)在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面也取得了較大的進(jìn)步，已經(jīng)從依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)逐漸發(fā)展為應(yīng)用有限元等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)行靜強(qiáng)度計(jì)算和分析的階段。在薄板沖壓工藝方面，上海通用、五菱與湖南大學(xué)合作，開展了深入的研究，而北京航空航天大學(xué)則利用開發(fā)的CAXA系統(tǒng)研究客車輕量化技術(shù)。

三、輕量化材料的選用

1.有色合金

（1）鋁合金。①變形鋁合金。在工業(yè)上常見的鋁合金板帶材、擠壓型材和鍛造材就是變形鋁合金，往往用于汽車的空調(diào)冷凝器、蒸發(fā)器、車身面板、裝飾件、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器、車身骨架、車輪和懸架系統(tǒng)零件等。經(jīng)過資料的查閱：日本在1990年所銷售的本田NSX車就采用了全鋁承載式車身，鋁材達(dá)到31.3%，內(nèi)板使用5052-0合金，外板使用6000系列合金，骨架大部使用5182-0合金，車身重量比用冷軋鋼板輕200kg，引起了世界性的轟動(dòng)。由此可見，變形鋁合金材料的輕量化效果比較明顯。②鑄造鋁合金。鋁鑄件在汽車工業(yè)市場(chǎng)運(yùn)用較為廣泛，比如日本77%的鋁壓鑄件與76%的鋁鑄件均為汽車鑄件，大多用于發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架、車輪、進(jìn)氣歧管、離合器殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、搖臂、活塞、空壓機(jī)連桿、制動(dòng)器零件、傳動(dòng)器殼體、氣缸蓋、把手及罩蓋殼體類零件等。這是由于鑄造鋁合金的合金元素種類較多，具體有Mn、Si、Mg、Li、Cu、Zn等元素，經(jīng)過多種元素的大量加工以及恰當(dāng)?shù)墓に嚳梢陨a(chǎn)出種類繁多的鋁合金。

（2）鈦合金。鈦的密度為4.5g/cm3，具有高強(qiáng)度、耐高溫以及耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。雖然鈦的價(jià)格有點(diǎn)昂貴，但是不少汽車的生產(chǎn)還是采用了該原材料?？蒲腥藛T在汽車材料應(yīng)用方面，針對(duì)鈦合金也進(jìn)行了大量的的試驗(yàn)研究工作。研究表明：用α+β系鈦合金制造的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，強(qiáng)度相當(dāng)于45鋼調(diào)質(zhì)的水平，而重量可以降低30%；β系鈦合金經(jīng)過超低溫加工和時(shí)效處理，強(qiáng)度可達(dá)2000MPa，可用來制造懸架彈簧、氣門彈簧和氣門等，與拉伸強(qiáng)度為2100MPa的高強(qiáng)度鋼相比，鈦彈簧可降重20%。

（3）鎂合金。鎂在實(shí)際應(yīng)用的金屬中，質(zhì)量是最輕，密度大概為鋁的2/3。由鎂元素合成的鎂合金切削性能好、吸振能力強(qiáng)、易于鑄造模型，是非常適合制造汽車零件的原材料。鎂合金大部分以壓鑄件的形式在汽車上應(yīng)用，該合金零件的生產(chǎn)效率比鋁高30%左右。鎂鑄件在汽車上使用最早的實(shí)例是車輪輪輞。在汽車上應(yīng)用鎂合金的具體情況還有儀表板骨架轉(zhuǎn)向盤輪芯、離合器殼體、離合器踏板、變速箱殼體、座椅、轉(zhuǎn)向柱部件、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、制動(dòng)踏板固定支架、氣缸蓋和氣缸蓋罩蓋等。

2.塑料

塑料也是輕質(zhì)材料之一，是汽車制造的必選材料。汽車輕量化，使得聚乙烯、熱固性復(fù)合材料、聚丙烯、聚氯乙烯、尼龍以及聚氨酯等在內(nèi)的塑料市場(chǎng)迅速發(fā)展。最近幾年，聚丙烯是車用塑料的最大品種之一，每年以2.8%左右的速度迅速增長(zhǎng)。目前國(guó)外汽車的內(nèi)飾件已基本實(shí)現(xiàn)塑料化，塑料在汽車中的應(yīng)用范圍正在由內(nèi)裝件向外裝件、車身和結(jié)構(gòu)件擴(kuò)展。今后的重點(diǎn)發(fā)展方向是外裝件用的增強(qiáng)塑料復(fù)合材料、開發(fā)結(jié)構(gòu)件、高性能樹脂材料與塑料，并對(duì)塑料材料的回收予以高度重視。

3.鋼材料

由于轎車自重的25%在車身，因此車身材料的輕量化對(duì)于汽車的發(fā)展至關(guān)重要。早在上世紀(jì)90年代，全球有35家大型鋼鐵企業(yè)通過合作完成了“超輕鋼質(zhì)汽車車身”的研究。該研究表明，車身鋼板的90%使用現(xiàn)已大量生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼板，可以在不增加成本的前提下實(shí)現(xiàn)車身降重25%，且靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度提高80%，靜態(tài)彎曲剛度提高52%，第一車身結(jié)構(gòu)模量提高58%，滿足全部碰撞法規(guī)要求。在普通的IF鋼板的基礎(chǔ)上相繼開發(fā)了高強(qiáng)度IF鋼板和烘烤硬化IF鋼板，在保持高成型性的同時(shí)提高了強(qiáng)度和抗凹陷性，為車身鋼板的減薄和實(shí)現(xiàn)輕量化創(chuàng)造了條件。

四、結(jié)束語

綜上所述，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們更加重視節(jié)能減排，而汽車輕量化技術(shù)勢(shì)必會(huì)得到重視，也會(huì)吸引更多的力量研究它，新技術(shù)、新材料將也將被廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)制造中。因此，汽車輕量化技術(shù)的應(yīng)用還有很大的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)：

[1]王利等.汽車輕量化用高強(qiáng)度鋼板的發(fā)展[J].鋼鐵，2012（07）.

[2]賈婷婷.高強(qiáng)亞共晶Al-Si合金的研究[D].濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué)，2014.

[3]鄭海彤.金屬材料在汽車輕量化中的應(yīng)用與發(fā)展研究[J].科技資訊，2014（10）：56-57.