汽車輕量化材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

張艷君

(廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510700)

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汽車輕量化材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

張艷君

(廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510700)

摘要：汽車輕量化是提高產(chǎn)品競爭力的一個核心關(guān)鍵技術(shù)。為降低汽車的整備質(zhì)量，采用輕量化材料勢在必行。介紹了當(dāng)前主要采用的汽車輕量化材料，分析了它們的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，并展望了未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：汽車；輕量化； 新材料

0引言

要實(shí)現(xiàn)國務(wù)院發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》中提出的第四階段油耗指標(biāo)5 L/100 km，輕量化是一個重要的技術(shù)路徑。汽車的輕量化，是在滿足汽車的強(qiáng)度、剛度、被動安全性、振動噪聲和耐久性前提下，通過優(yōu)化汽車的結(jié)構(gòu)和零部件的材料，選擇合理的制造工藝，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃油消耗，降低排氣污染。實(shí)驗證明：汽車整車的質(zhì)量降低1%，油耗可降低0.7%；汽車整車的質(zhì)量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車的整備質(zhì)量每減少100 kg，油耗可減少0.3～0.6 L/100 km。汽車輕量化技術(shù)目前已被眾多汽車企業(yè)高度認(rèn)同和重視。當(dāng)前，為了保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源和能源，各車企都在如火如荼地開展汽車輕量化研究。汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。

1汽車輕量化的主要途徑

汽車輕量化是設(shè)計、制造、材料技術(shù)集成的系統(tǒng)工程。輕量化不是偷工減料，也不是簡單的車身或者汽車某個零部件的輕量化。當(dāng)前主要采用的途徑有：

(1)對汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以提升整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低耗材用量。如采用有限元分析、多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計；采用承載式車身，減薄車身板料厚度等；

(2)采用輕質(zhì)高強(qiáng)度材料。如鋁、鎂、陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料等；

(3)優(yōu)化制造工藝。

作者主要針對輕量化材料進(jìn)行介紹，介紹目前在汽車制造中采用的輕量化材料。

2輕量化材料

目前得到應(yīng)用的輕量化材料中，鋼鐵材料仍保持主導(dǎo)地位，但鋼鐵材料的比例逐年下降，鋁合金、鎂合金、工程塑料、復(fù)合材料等材料的比例逐漸增加。

2.1鋼

現(xiàn)代汽車制造中使用最多的是鋼。普通低碳鋼板具有很好的塑性加工性能，強(qiáng)度和剛度也能滿足汽車車身的要求，同時能滿足汽車車身拼焊的要求，因此在汽車車身上的應(yīng)用很廣。但是在輕量化的浪潮下，普通低碳鋼板就難以滿足越來越高的環(huán)保和節(jié)能的要求。為了滿足汽車輕量化的要求，鋼鐵企業(yè)推出系列高強(qiáng)度汽車鋼材。這種高強(qiáng)度鋼板是在低碳鋼板的基礎(chǔ)上采用不同的強(qiáng)化機(jī)制得到的，抗拉強(qiáng)度得到大幅增強(qiáng)。利用高強(qiáng)度特性，可以在厚度減薄的情況下依然保持汽車車身的機(jī)械性能要求，從而減輕了汽車質(zhì)量。有研究表明：當(dāng)鋼板厚度分別減小0.05、0.1、0.15 mm時，車身質(zhì)量可分別減少6%、12%、18%[1]。車用高強(qiáng)度鋼板還具有高強(qiáng)度和延塑性好的特點(diǎn)。按照生產(chǎn)工藝的不同，分冷軋高強(qiáng)度鋼和熱軋高強(qiáng)度鋼。冷軋高強(qiáng)度鋼主要用于車身零件，包括外板(車門、發(fā)動機(jī)罩外板)、內(nèi)板(車門、發(fā)動機(jī)罩內(nèi)板)和結(jié)構(gòu)件；熱軋高強(qiáng)度鋼主要用于車架縱橫梁、車廂縱橫梁、車輪、剎車盤等受力結(jié)構(gòu)件和安全件[2]。

國內(nèi)車企很重視高強(qiáng)度鋼在汽車輕量化中的作用，高強(qiáng)度鋼是長城汽車現(xiàn)階段批量化使用最為廣泛的輕量化材料之一；寶山鋼鐵股份有限公司一直致力于先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板和超高強(qiáng)度鋼的技術(shù)研究和開發(fā)應(yīng)用，在變厚度鋼板的材料特性和超輕型白車身的開發(fā)方面也開展了大量的工作；一汽集團(tuán)的某款車車身高強(qiáng)度鋼比例達(dá)到47%，碰撞達(dá)到了NCAP 4星級標(biāo)準(zhǔn)[3]；一汽大眾的邁騰更是以80%的高強(qiáng)度鋼板，為邁騰產(chǎn)品品質(zhì)提供了保障[4]。奇瑞某款車車身高強(qiáng)度鋼比例達(dá)到45%，車身減重10%[3]；吉利汽車某款車車身高強(qiáng)度鋼比例達(dá)到54%，車身減重8%[3]。

2.2鋁合金

添加一定元素形成的鋁合金在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)的同時還具有較高的強(qiáng)度，其比強(qiáng)度勝過很多合金鋼，是一種理想的結(jié)構(gòu)材料。在汽車輕量化中，鋁合金有著獨(dú)特的優(yōu)勢：(1)鋁的力學(xué)性能好，其密度為2.7 g/cm3，是鋼鐵的1/3，具有良好的導(dǎo)熱性，僅次于銅，機(jī)械加工性能比鐵高4.5倍，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蝕性。(2)乘客的舒適性和安全性得到提高。鋁合金汽車行駛更加穩(wěn)定、駕乘人員感覺更舒適。由于鋁材的吸能性好，在碰撞安全性方面有顯著的優(yōu)勢，汽車前部的變形區(qū)在碰撞時會產(chǎn)生變形，可吸收大量的沖擊力，從而保護(hù)了車上的駕乘人員。(3)鋁的再生性能好。在使用過程中，鋁制品幾乎不會發(fā)生腐蝕或僅僅發(fā)生輕微腐蝕，工業(yè)上常規(guī)使用的材料中，鋁的回收價值是最高的。在鋁材-鋁制品-使用-回收再生鋁錠-再加工成鋁材的過程中，鋁的損耗也只有5%左右，其再生性能比任何一種常用金屬都高。

據(jù)卓創(chuàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：2015年1—12月份我國汽車用鋁量達(dá)到312萬噸，同比增長3.2%；另據(jù)歐洲鋁業(yè)協(xié)會公布的資料：2014年歐洲汽車的平均鋁含量150 kg，2020年可達(dá)180 kg，是用鋁增長量最多的產(chǎn)業(yè)。從圖1所示的2015—2020年全球汽車鋁輪轂消費(fèi)量預(yù)測可以看出，未來鋁合金在汽車產(chǎn)業(yè)中占有重要的位置。

鋁合金可用來制造車身、副車架、發(fā)動機(jī)、前懸掛、前保險杠、后備箱、車門板等汽車零部件。奧迪在車身輕量化技術(shù)領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先水平，目前在售的奧迪A8L(圖2)的空間框架結(jié)構(gòu)(ASF)包括22%的擠壓成形鋁合金件、35%的高精真空鑄造鋁件、35%的液壓成形鋁合金板材、8%的強(qiáng)化鋼材44 m無縫激光焊接和1 847個沖鉆鉚接，白車身質(zhì)量只有241 kg，較傳統(tǒng)鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)車身具有40%的輕量化優(yōu)勢，但其結(jié)構(gòu)剛性與抗扭強(qiáng)度較上代產(chǎn)品提升了25%[5]。福特、捷豹等汽車生產(chǎn)商也在使用全鋁車身，奇瑞汽車等也逐漸開始全鋁車身的嘗試。

不論是燃油經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保壓力，還是將要大力發(fā)展的電動汽車行業(yè)，鋁代鋼都將是汽車輕量化的必然趨勢。

2.3鎂合金

鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的一種輕合金。鎂合金是工程應(yīng)用中最輕的金屬材料，常規(guī)鎂合金如AZ91密度也只是1.81 g/cm3，約為鋁的2/3、鋼的1/4，接近工程塑料的密度；而且鎂合金比強(qiáng)度高，比彈性模量大，散熱性好，消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機(jī)物和堿的腐蝕性能好，因此鎂合金不僅是最適合鑄造汽車零部件的材料，也是最有效的汽車輕量化材料。

由于鎂合金對振動能量的吸收性能好，使用在驅(qū)動和傳動的部件上可減少振動，適合用在車輪上代替塑料件；鎂合金沖擊能量吸收性能好，受到?jīng)_擊后，鎂合金能吸收沖擊能量而不會產(chǎn)生斷裂，適合用在汽車防碰撞橫梁等部位來替代塑料件；它可以簡單地再生使用且不降低其機(jī)械性能，這一點(diǎn)是工程塑料無法比擬的，因塑料很難能在不降低其機(jī)械性能的前提下再生使用。正是由于鎂合金上述優(yōu)點(diǎn)，在保證汽車安全性的情況下，使用鎂合金制造汽車零部件對減輕汽車自身質(zhì)量、降低汽車能耗特別有效。鎂合金目前主要應(yīng)用在發(fā)動機(jī)罩蓋、方向盤、儀表盤支架、座椅支架、車內(nèi)門板、變速器外殼、輪轂等方面。長安汽車某款車單車用鎂超過20 kg，采用耐熱鎂合金變速箱殼體相比傳統(tǒng)殼體減重37%，采用鎂合金發(fā)動機(jī)罩蓋相比傳統(tǒng)罩蓋減重33.7%[3]。

但是到目前為止，鎂合金在汽車制造上一直沒有得到大規(guī)模應(yīng)用，究其原因，主要是因為用鎂合金制造汽車零部件存在壓鑄成本高、廢品率高的問題，生產(chǎn)過程中還存在安全隱患，使鎂合金在汽車上的應(yīng)用大受影響。

2.4工程塑料及復(fù)合材料

每輛汽車塑料的用量是衡量汽車生產(chǎn)技術(shù)水平的標(biāo)志之一，今后的車用材料有從金屬向塑料過渡的趨勢。工程塑料是可作為工程材料和代替金屬制造機(jī)器零部件等的塑料。工程塑料具有優(yōu)良的綜合性能，剛性大，蠕變小，機(jī)械強(qiáng)度高，耐熱性好，電絕緣性好，可在較苛刻的化學(xué)、物理環(huán)境中長期使用，可替代金屬作為工程結(jié)構(gòu)材料使用，但價格較貴，產(chǎn)量較小。工程塑料的性能特點(diǎn)主要是：(1)與通用塑料相比，具有優(yōu)良的耐熱和耐寒性能，在廣泛的溫度范圍內(nèi)機(jī)械性能優(yōu)良，適宜作為結(jié)構(gòu)材料使用；(2)耐腐蝕性良好，受環(huán)境影響較小，有良好的耐久性；(3)與金屬材料相比，容易加工，生產(chǎn)效率高，并可簡化程序，節(jié)省費(fèi)用；(4)有良好的尺寸穩(wěn)定性和電絕緣性；(5)質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高，并具有突出的減摩、耐磨性。

可使用PA6制作空氣濾清器、外殼、風(fēng)扇、車輪罩、導(dǎo)流板、車內(nèi)裝飾、儲水器材蓋、線卡、各種車內(nèi)電氣接插件等；聚碳酸酯(PC)被廣泛用于燈罩、汽車反射鏡、擋風(fēng)玻璃板 ；聚甲醛(POM)主要用作齒輪、凸輪、軸承、滑輪、扣鏈輪和軸襯等；聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)主要用于制造汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)配件材料的生產(chǎn)、汽車分電盤和點(diǎn)火線圈、各種汽車外裝部件、空調(diào)機(jī)風(fēng)扇；改性PPO主要用于制作一些薄壁的復(fù)雜硬質(zhì)結(jié)構(gòu)件，如儀表盤骨架等。

車用復(fù)合材料主要指碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有著絕佳的物理特性：比鋁輕30%、比鋼輕50%，強(qiáng)度卻是鋼的7～9倍，最早用于航空、航天、軍工等科技高精尖領(lǐng)域。在全新BMW 7系的車體框架中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料被用于加固車頂橫梁結(jié)構(gòu)以及B柱和C柱、底部側(cè)圍、中央通道和后部支撐。相比上一代車型，全新BMW 7系最大減重達(dá)130 kg，成為大型豪華汽車市場智能輕量化結(jié)構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)者[6]。增強(qiáng)型碳纖維復(fù)合材料的固有強(qiáng)度能夠適應(yīng)苛刻的安全要求，它的使用顯著優(yōu)化了全新BMW 7系的車身剛性，對于那些需要承受較大壓力的車身部件效果則尤為明顯。以B柱為例，在碰撞中，經(jīng)過增強(qiáng)型碳纖維復(fù)合材料加固的B柱不會因為沖擊而變形，相反地，高強(qiáng)度鋼和增強(qiáng)型碳纖維復(fù)合材料的相互作用會分散沖擊力，提升了車輛的安全性能。

國內(nèi)，碳纖維材料是長城輕量化技術(shù)主攻的方向之一，長城正牽頭組織多家整車企業(yè)，欲聯(lián)合攻關(guān)碳纖維技術(shù)，推動國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展；上汽集團(tuán)主要在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)項目研究、復(fù)合材料應(yīng)用開發(fā)能力建設(shè)方面做了大量的工作；

塑料應(yīng)用雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但相對金屬材料而言，一方面，塑料材料成本偏高；另一方面，塑料部件的回收成本偏高，在回收處理過程中存在環(huán)境污染問題，特別是纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的回收更困難。所有這些因素都成為制約塑料應(yīng)用發(fā)展的障礙。

3結(jié)束語

輕量化是一個系統(tǒng)工程，汽車輕量化新材料的選用原則是安全、性能、成本、環(huán)保等的綜合平衡，多材料是汽車材料使用的基本戰(zhàn)略。在汽車輕量化的大趨勢下，推動多種汽車輕量化新材料發(fā)展勢在必行。但輕量化絕不只是材料輕量化，需要設(shè)計技術(shù)、材料技術(shù)、制造技術(shù)集成應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)，不僅僅要保證安全性、降低油耗，還要保證可靠性和成本。對我國的車企來說，既要提高自主開發(fā)能力，又要提高輕量化技術(shù)水平，只有這樣，才能提高市場競爭能力。

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Current Situation and Trend of Automobile Lightweight Material Technology

ZHANG Yanjun

(Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510700,China)

Keywords:Automobile; Lightweight;New material

Abstract:Automobile lightweight is a key technology to enhance the competitiveness of products. To decrease the curb weight of automobile,it is necessary to adopt lightweight material.The current main lightweight materials were introduced and their characteristic and application field were analyzed,the future developing trend was expected.

收稿日期：2016-04-05

作者簡介：張艷君(1977—)，女，工學(xué)碩士，工程師，講師，主要從事科技期刊的編輯出版工作。E-mail:zhangyanjun@gmeri.com。

中圖分類號:U465

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)04-083-03