淺談?shì)p量化技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展前景

成亮

[摘要]隨著汽車(chē)節(jié)能減排和環(huán)保的要求越來(lái)越高，除了“新能源”技術(shù)外，如何減輕汽車(chē)重量，從而降低汽車(chē)油耗，輕量化技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用可以有效地解決這些問(wèn)題。

[關(guān)鍵詞]汽車(chē)；輕量化；碳纖維

1輕量化的意義

輕量化概念最早起源于賽車(chē)，重量輕了，并能導(dǎo)致更好的操控，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出能夠產(chǎn)生更高的加速度的。作為車(chē)輛用燈具，啟動(dòng)性能和更好的加速，制動(dòng)剎車(chē)距離較短。隨著“綠色能源”已日益成為普遍關(guān)注的話(huà)題，也輕巧廣泛應(yīng)用到汽車(chē)領(lǐng)域，以提高操控性，同時(shí)仍然突出的燃油經(jīng)濟(jì)性能。汽車(chē)的油耗和排放取決于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的總質(zhì)量，在保持汽車(chē)整體品質(zhì)，性能和成本優(yōu)化不變甚至減少汽車(chē)的自身重量可以提高輸出功率的前提下，降低噪音，提升操控可靠，提高速度，降低油耗，減少排放，提高安全性。有研究數(shù)字顯示，若汽車(chē)整車(chē)重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；若滾動(dòng)阻力減少10%，燃油效率可提高3%；若車(chē)橋、變速器等裝置的傳動(dòng)效率提高10%，燃油效率可提高7%。汽車(chē)車(chē)身約占汽車(chē)總質(zhì)量的30%，空載情況下，約70%的油耗用在車(chē)身質(zhì)量上。因此車(chē)身變輕對(duì)于整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性、車(chē)輛控制穩(wěn)定性、碰撞安全性都大有裨益。

2輕量化技術(shù)主要有以下幾方面

2.1具有更高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料的應(yīng)用

構(gòu)成汽車(chē)的2萬(wàn)多個(gè)零件中，約86%是金屬材料，且鋼鐵占了約80%，這表明通過(guò)材料的輕量化來(lái)減輕汽車(chē)重量有巨大潛力。目前鋁合金、高強(qiáng)度鋼、碳纖維、工程塑料和復(fù)合材料等輕質(zhì)材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用在汽車(chē)的輕量化中發(fā)揮了重大作用。

鋁是最廣泛使用的汽車(chē)材料的輕質(zhì)材料，鋁具有良好的機(jī)械性能，并且它的密度是鋼的，易于加工，導(dǎo)熱性，耐腐蝕性。高強(qiáng)度鋁合金的約113，而且具有良好的能量吸收。根據(jù)鋁的美國(guó)研究所，利用每車(chē)鋁0.45kg可以減輕車(chē)重1kg，車(chē)鋁理論上可以減肥比鋼汽車(chē)約40%。因?yàn)殇X具有上述優(yōu)點(diǎn)，它已成為最常用的鋁輕質(zhì)材料在車(chē)內(nèi)。越來(lái)越多的鋁合金輪轂和全鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)在各種車(chē)型，逐步取代傳統(tǒng)的鋼構(gòu)件。

高強(qiáng)度鋼也是一種廣泛應(yīng)用的輕量化材料，它的應(yīng)用可以減少鋼板的設(shè)計(jì)用量和厚度。高強(qiáng)度鋼保留了甚至提高了鋼材的優(yōu)點(diǎn)。與鋁、鎂、復(fù)合材料等相比，高強(qiáng)度鋼板的原料與制造價(jià)格較低，經(jīng)濟(jì)性較好，可以大量取代現(xiàn)在所用的車(chē)用鋼材，支撐起乘員艙結(jié)構(gòu)的鋼材通常使用的都是高強(qiáng)度鋼。

碳纖維這種材料具有重量輕、剛性好、吸能性好、易塑性高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。碳纖維在車(chē)輛裝飾方面的應(yīng)用是占多數(shù)的，例如發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、尾翼、內(nèi)飾面板等。碳纖維比鋁輕30%、比鋼輕50%，強(qiáng)度是鋼的7到9倍。鋼鐵材料約占車(chē)體重量的3/4，如果汽車(chē)的鋼材部件全部由碳纖維復(fù)合材料置換，車(chē)體重量可減輕300kg，燃油效率提高36%，二氧化碳排放量可削減17%。而且有的汽車(chē)廠商已經(jīng)把碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在汽車(chē)傳動(dòng)軸、板簧、構(gòu)架和剎車(chē)片等關(guān)鍵零件上，例如：賽車(chē)底盤(pán)、碳纖維制動(dòng)盤(pán)、碳纖維輪轂、傳動(dòng)軸。碳纖維還具有極佳的能量吸收率，碰撞吸能能力是鋼的6倍-7倍、鋁的3倍-4倍。

基于這幾點(diǎn)原因，碳纖維材料才逐漸小幅度地在中檔汽車(chē)身上運(yùn)用，再加上新能源汽車(chē)的普及，對(duì)車(chē)身重要的要求進(jìn)一步提高了，這也促進(jìn)了碳纖維材料車(chē)身的應(yīng)用，例如奧新新能源汽車(chē)公司在2015年成功研發(fā)的碳纖維車(chē)身電動(dòng)車(chē)，這樣不但能達(dá)到節(jié)能減排的省油需求，也能滿(mǎn)足消費(fèi)者關(guān)心的安全問(wèn)題。碳纖維車(chē)身的普及另外還有一個(gè)重要問(wèn)題，就是碳纖維材料的來(lái)源，相信大家都知道，碳纖維零部件是由碳纖維絲束貼制而成，所以絲束才是技術(shù)關(guān)鍵。

在全球主要的高性能纖維年產(chǎn)能33萬(wàn)噸，中國(guó)只有7.3萬(wàn)噸，供應(yīng)乏力。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的碳纖維領(lǐng)域，我國(guó)年產(chǎn)量?jī)H為4000噸，大多數(shù)企業(yè)處在虧損狀態(tài)。中國(guó)碳纖維企業(yè)有30多家，每家投入幾億元到十幾億元，最大規(guī)模不超過(guò)3000噸，相比國(guó)際龍頭3萬(wàn)噸的規(guī)模而言，競(jìng)爭(zhēng)力多少顯得有些不足。因此碳纖維車(chē)身的普及在國(guó)內(nèi)比在國(guó)外，要面對(duì)的困難會(huì)更多。制造碳纖維絲束。需要芳綸、超高分子量聚乙烯纖維、聚苯硫醚纖維、玄武巖纖維、聚酰亞胺纖維等材料，以及相關(guān)設(shè)備。而我國(guó)生產(chǎn)碳纖維的關(guān)鍵材料和設(shè)備還依靠進(jìn)口。據(jù)介紹，由于碳纖維油劑、碳化設(shè)備依靠進(jìn)口，沒(méi)有大型石墨碳材料，許多企業(yè)不得不從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)要價(jià)不菲的汽車(chē)零部件自動(dòng)化生產(chǎn)線。

2.2結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與優(yōu)化

在承載式車(chē)身，設(shè)計(jì)與鋼體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是安全決策的一個(gè)重要因素。強(qiáng)大的軟件設(shè)計(jì)工程師可以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)和檢查汽車(chē)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，降低體重和板的厚度，從而使中空部，小型化或復(fù)合，以確保車(chē)輛的質(zhì)量和性能。謀求材料成本，重量。安全性能指標(biāo)和點(diǎn)的其他最佳組合，我們需要使用的各種材料的組合，和用于安排多材料組合必須使用每個(gè)材料的最好的部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。豪華車(chē)采用了空間框架結(jié)構(gòu)、成分大多是多功能的大型鑄件，大型整體結(jié)構(gòu)和鍛件比例高，可以減少身體各部分的數(shù)量，一系列的優(yōu)化，輕量化設(shè)計(jì)使得整車(chē)的同時(shí)提高安全性能。因?yàn)檐?chē)重每減小10%，油耗可降低6%-8%，排放量可降低5%-6%，0km/h-100km/h加速性可提升8%-10%，制動(dòng)距離縮短2m-7m。

車(chē)輛主要是人的事故發(fā)生時(shí)的保障，而不是損壞的汽車(chē)程度的安全性來(lái)衡量。大型車(chē)具有輕便車(chē)相撞的重量，損失重的汽車(chē)程度比較小，但是傷害人員吸能車(chē)身設(shè)計(jì)，以及主動(dòng)和被動(dòng)安全的程度密切相關(guān)。例如，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一些模型，它能夠更好地吸收撞擊能量分散到一個(gè)高強(qiáng)度A柱和車(chē)身下部，提高乘客的安全，同時(shí)也降低了在進(jìn)攻對(duì)方車(chē)輛。該車(chē)輛的重心的體重后的中心可以實(shí)現(xiàn)向下以提高車(chē)輛的操縱性和穩(wěn)定性。實(shí)際上，對(duì)于不同的部分安全車(chē)有不同的要求。例如，有緩沖的無(wú)左右兩側(cè)必須改善通過(guò)高沖擊鋼安全梁剛性部分。而且對(duì)于前部和后部保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)、軀干吸收更多重要的緩沖器。門(mén)沖擊梁的內(nèi)部采取一些垂直布置，有一對(duì)角型，也就是，從該幀的底部一直延伸到窗玻璃的底部邊緣。不管如何他們的具體位置，車(chē)門(mén)防撞梁乘客堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，最直接、最有效的保護(hù)，這可以減少乘員的力量可以從外面受苦。事實(shí)證明在車(chē)門(mén)沖擊梁擊中固定物體（如樹(shù)）時(shí)的保護(hù)作用是很明顯的。豪華車(chē)采用了空間框架結(jié)構(gòu)、成分大多是多功能的大型鑄件，大型整體結(jié)構(gòu)和鍛件比例高，可以減少身體各部分的數(shù)量，一系列的優(yōu)化，輕量化設(shè)計(jì)使得整車(chē)的同時(shí)提高安全性能。

3結(jié)語(yǔ)

實(shí)際上在應(yīng)對(duì)節(jié)能與環(huán)保的問(wèn)題上，國(guó)際車(chē)企對(duì)于輕量化都十分重視。目前歐洲、美國(guó)、日本等主要汽車(chē)生產(chǎn)廠商都在推進(jìn)汽車(chē)輕量化項(xiàng)目。目前國(guó)際上平均每車(chē)每年自重減輕1%，國(guó)內(nèi)自主乘用車(chē)較國(guó)外同類(lèi)車(chē)自重高約8%～10%，國(guó)內(nèi)自主商用車(chē)較國(guó)外同類(lèi)車(chē)自重高約10%-15%。正是看到這種差距，國(guó)內(nèi)整車(chē)廠和研發(fā)機(jī)構(gòu)共同成立了“汽車(chē)輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”，試圖通過(guò)聯(lián)合研發(fā)一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到跨國(guó)公司目前整車(chē)的輕量化水平。相信在不久的將來(lái)，輕量化汽車(chē)將會(huì)走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)。與“新能源”技術(shù)共同打造一個(gè)更加環(huán)保的地球。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]