汽車輕量化及使用材料多元化

王睿 曹暉

摘要：近年來，世界各汽車制造廠不斷推進(jìn)汽車輕量化。在汽車用材方面，除了鋼鐵材料，鋁材和碳纖維強(qiáng)化樹脂（CFRP）的使用也在增加。車體采用多種材料的“材料多元化”有了很大進(jìn)展。文章分析了汽車輕量化的意義、鋁合金材料的特點(diǎn)及性能優(yōu)勢，鋁合金車身板材的生產(chǎn)工藝，并且重點(diǎn)闡述了鋁合金車身板在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用，進(jìn)而分析總結(jié)出我國汽車輕量化進(jìn)程中所面臨的主要難題，為汽車輕量化的加速發(fā)展提供良好的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：汽車；輕量化；鋁合金；材料

1導(dǎo)言

構(gòu)建生態(tài)文明的社會，最重要的就是要人與社會的和諧發(fā)展，保持生態(tài)建設(shè)和工業(yè)建設(shè)之間的平衡，這也是企業(yè)產(chǎn)業(yè)需要遵循的原則之一。隨著節(jié)能減排的大力推行，加之環(huán)保政策力度的進(jìn)一步加強(qiáng)，2016年底至2017年上半年持續(xù)放緩的汽車輕量化推進(jìn)有了回升的態(tài)勢。之前受阻于車用鋁材成本高昂的汽車輕量化，在政策扶持、大環(huán)境發(fā)展趨勢的雙重驅(qū)動下重新成為了汽車行業(yè)的焦點(diǎn)。

2汽車輕量化的概念和意義

汽車輕量化設(shè)計(jì)，就需要在降低整個(gè)車廂設(shè)備質(zhì)量的同時(shí)，保證汽車的整體安全性能以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)化。經(jīng)過相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，汽車的質(zhì)量每減少1/2，行使過程中所消耗的燃料就會減少一半，這樣產(chǎn)生的尾氣也會大大減少。同時(shí)，如果能減少車身的質(zhì)量，對于改善整個(gè)汽車行駛性能、提升汽車的耐磨力具有重要的意義。主要措施。首先是結(jié)構(gòu)的輕量化。隨著計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，也逐漸滲透到汽車產(chǎn)業(yè)和設(shè)計(jì)制造業(yè)中，不僅大大提升了汽車的設(shè)計(jì)性能，也滿足了如今對于節(jié)能減排的需求。尤其在輕量化設(shè)計(jì)中，采取計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)，不僅能夠保證汽車的安全駕駛，也能提升汽車的個(gè)性行使性能。例如在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)中，設(shè)置汽車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等條件，就能利用強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫對其安全性能進(jìn)行評估和計(jì)算。這也在一定程度上減少了汽車產(chǎn)品的更換周期，提升了資源的利用效率。

其次是材料的輕量化。在科學(xué)技術(shù)的支撐下，飛機(jī)、汽車等高性能機(jī)械逐漸走進(jìn)人們的視野中。塑料和復(fù)合材料也是如今科技材料發(fā)展的主要方向之一。在實(shí)現(xiàn)了材料輕量化的同時(shí)，也促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)效益的最大化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，將碳纖維材料應(yīng)用到汽車輕量化設(shè)計(jì)中，能將油耗降低百分之二十以上。因此，想要改善汽車設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)減少汽車質(zhì)量，就需要將塑料與復(fù)合材料融入其中，并取代部分金屬材料。

3鋁合金材料的特點(diǎn)及性能優(yōu)勢

鋁合金是地殼中含量最多的金屬元素，它具有一系列的優(yōu)良性能，比如低密度、高強(qiáng)度、良好的成形性能及工藝性能等，更重要的是鋁合金的回收再利用性非常好，具有較高的回收率。低密度讓鋁合金比合金鋼更具優(yōu)勢。鋁合金在強(qiáng)度和剛度方面明顯要低于鋼板，但是鋁合金可以通過加厚和優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高強(qiáng)度和剛度，最終達(dá)到與鋼板一樣的水平。由于鋁合金的密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼鐵，所以即使增加厚度，鋁合金構(gòu)件的減重效果仍然非常明顯。數(shù)據(jù)資料顯示，同剛度下，鋁合金減重效果可達(dá)50%。

目前，隨著汽車保有量的不斷增加和人們環(huán)保意識的逐漸增強(qiáng)，報(bào)廢汽車的回收和再生越來越受到關(guān)注。鋁制品的性能優(yōu)勢決定了鋁具有較高的回收價(jià)值率，可達(dá)到80%左右，并且鋁材是對環(huán)境完全無害的綠色材料。優(yōu)越的性能決定了鋁合金材料在汽車輕量化領(lǐng)域中的重要地位。

4汽車輕量化及使用材料多元化

4.1鋼鐵材料：高強(qiáng)鋼比例增加

過去，汽車用鋼鐵材料是具有強(qiáng)度、成形性、環(huán)境性（循環(huán)利用）以及價(jià)格等多方面優(yōu)勢的良好材料。隨著近年來汽車輕量化的推進(jìn)，汽車用鋼材也發(fā)生了變化。強(qiáng)度高、加工性好的高強(qiáng)度鋼比例不斷增力加。高強(qiáng)度鋼是添加C、Si、Mn等元素、進(jìn)行組織控制提高強(qiáng)度的鋼材。其制造方法往往被鋼廠視為保密內(nèi)容。高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度高于普通鋼材，因此可薄型化，容易實(shí)現(xiàn)輕量化。一般來說，高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度升高，在進(jìn)行復(fù)雜形狀部件沖壓成形時(shí)，容易產(chǎn)生裂紋。為此，對高強(qiáng)度鋼進(jìn)行組織微細(xì)化，使高強(qiáng)度鋼在提高強(qiáng)度的同時(shí)，不易產(chǎn)生裂紋。并且生產(chǎn)成本沒有增加。現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出980MPa級以上的超高強(qiáng)度鋼材，并用于保險(xiǎn)杠防撞梁和車門抗沖擊梁。另一方面，用于汽車的鋼鐵材料的比例逐漸下降。15年前鋼鐵材料占汽車用材的80%，現(xiàn)在已經(jīng)下降到70%左右。但是，高強(qiáng)度鋼占汽車用鋼的比例升高，接近60%。今后，將鋼板加熱后進(jìn)行沖壓成形，然后快速冷卻使部件強(qiáng)度有飛躍提高的熱沖壓技術(shù)、將不同厚度的部件進(jìn)行拼焊的技術(shù)以及使部件具有不同強(qiáng)度的局部淬火技術(shù)將會得到擴(kuò)大應(yīng)用。因此可認(rèn)為，作為汽車用材的、具有綜合優(yōu)良特性的鋼鐵材料（特別是高強(qiáng)度鋼）的需求，今后不會大幅度下降。鋼鐵材料將繼續(xù)保持在汽車用材方面的優(yōu)勢地位。

4.2采用優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)專用汽車輕量化

這是通過對專用汽車進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的方式，實(shí)現(xiàn)專用汽車車身輕量化的技術(shù)和方法。它是一個(gè)迭代的過程，在一定的空間區(qū)域之內(nèi)選取最為適宜的材料，進(jìn)行科學(xué)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中包括有限元分析、靈敏度計(jì)算、材料分布修改等內(nèi)容，突破了傳統(tǒng)專用汽車設(shè)計(jì)理念，更好地優(yōu)化了專用汽車的車身形狀和結(jié)構(gòu)，削薄了汽車零部件的厚度，有效減輕了專用汽車零部件的質(zhì)量，使汽車上一些無關(guān)緊要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)得以簡化，降低生產(chǎn)制造成本；同時(shí)，也改變了汽車零部件設(shè)計(jì)的模仿現(xiàn)象，使汽車零部件設(shè)計(jì)更具有針對性和實(shí)用性。

4.3碳纖維復(fù)合材料

復(fù)合型材料在汽車車身中的應(yīng)用能夠提升整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性和獨(dú)特性。雖然碳纖維材料性能好，但是成本也相對較高，因此沒有得到大面積的普及。在現(xiàn)如今小批量的汽車設(shè)計(jì)中，如寶馬公司研制了一批使用低成本的碳纖維材料車身，不僅成產(chǎn)成本相對較低，效率也更高。

4.4應(yīng)用連接工藝實(shí)現(xiàn)專用汽車輕量化

要采用鎖鉚連接工藝，以較好地實(shí)現(xiàn)不同材質(zhì)、強(qiáng)度、硬度、厚度的材料的連接，滿足不同材料之間連接的動態(tài)疲勞強(qiáng)度和靜態(tài)強(qiáng)度要求，并可以使不同形態(tài)汽車輕量化材料之間進(jìn)行有效的粘合，提升汽車吸收撞擊能量的功能，并達(dá)到防水密封、隔音降噪的目的，有效地實(shí)現(xiàn)專用汽車的輕量化設(shè)計(jì)。同時(shí)，相較于傳統(tǒng)的鉚接工藝而言，鎖鉚連接工藝縮減了冗余的工序和環(huán)節(jié)，具有更高的生產(chǎn)效率。

4.5異種材料接合技術(shù)

汽車制造廠為了進(jìn)行新一代汽車開發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)對汽車不同部位新材料的應(yīng)用問題進(jìn)行研究。汽車制造廠的用材方針是最大限度地發(fā)揮材料特性，將“把現(xiàn)有材料特性用盡”作為汽車輕量化的方針。當(dāng)“把現(xiàn)有材料特性用盡”仍不能獲得滿意的輕量化效果時(shí)，再研究新材料的正式應(yīng)用。另一方面，隨著燃油效率法規(guī)的強(qiáng)化，對汽車輕量化的要求不斷提高，將不斷推進(jìn)對鋁材和CFRP的應(yīng)用研究。鋁材和CFRP的應(yīng)用，形成汽車材料的多元化，雖然要經(jīng)過一定時(shí)間，但這是不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢。汽車材料多元化的推進(jìn)過程中，異種材料接合技術(shù)是不可或缺的技術(shù)。通過異種材料接合在抑制成本升高的同時(shí)，還可以利用異種材料的特性。但是，由于不同材料的熔點(diǎn)、熱膨脹率、氧化性的不同，異種材料接合部件的材料界面上容易產(chǎn)生裂紋、銹蝕，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。因此要研發(fā)出基于各種材料優(yōu)缺點(diǎn)的異種材料接合技術(shù)。

結(jié)束語

綜上所述，專用汽車輕量化設(shè)計(jì)是時(shí)代的趨勢和要求，有不可忽視的現(xiàn)實(shí)意義和作用，隨著新能源汽車的發(fā)展，輕量化更是重中之重。鋁合金材料以其自身優(yōu)勢必將在汽車輕量化發(fā)展中發(fā)揮重要作用。作為鋁加工企業(yè)，應(yīng)將汽車用鋁合金板的生產(chǎn)成本作為關(guān)注焦點(diǎn)，重點(diǎn)從生產(chǎn)工藝、設(shè)備和管理等多角度制定降低成本措施，為鋁板材的大批量生產(chǎn)與應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張媛.塑料與復(fù)合材料在汽車輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2018（13）：4.

[2]黃維，王志娟，魯后國，張羽.熱成形技術(shù)在汽車輕量化中的應(yīng)用[J].汽車工藝師，2018（05）：48-51.

[3]郎勇.汽車輕量化評價(jià)方法[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018（08）：122-126+158.

[4]楊志強(qiáng)，麻桂艷.汽車后縱梁輕量化設(shè)計(jì)方法研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018（08）：132-133.