汽車(chē)材料及結(jié)構(gòu)輕量化的研究進(jìn)展

熊培練

摘 要：隨著人們?cè)谌粘Ｉ钪袑?duì)汽車(chē)的依賴(lài)程度增加，汽車(chē)的產(chǎn)量逐年增加，伴隨著環(huán)境污染加重和能源短缺問(wèn)題的出現(xiàn)。汽車(chē)輕量化逐漸受到人們的關(guān)注，本文介紹汽車(chē)輕量化在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)的同時(shí)，具體介紹汽車(chē)輕量化的兩個(gè)主要方向：汽車(chē)材料和結(jié)構(gòu)輕量化。汽車(chē)材料輕量化中具體介紹了金屬材料如高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金和非金屬材料如碳纖維、塑料和樹(shù)脂在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用;汽車(chē)結(jié)構(gòu)輕量化主要通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到減輕汽車(chē)重量、節(jié)能減排目的。最后對(duì)汽車(chē)輕量化未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)材料;汽車(chē)結(jié)構(gòu);輕量化;節(jié)能減排

1 引言

隨著人們?cè)谌粘Ｉ钪袑?duì)汽車(chē)的依賴(lài)程度增加，汽車(chē)的產(chǎn)量逐年增加，生產(chǎn)技術(shù)也不斷提升。雖然汽車(chē)使人們出行更加便利高效，提高人們生活質(zhì)量，但同時(shí)尾氣排放的增加也造成了環(huán)境的不可逆污染日益加劇，能源的使用量也不斷提高。現(xiàn)如今在汽車(chē)行業(yè)能節(jié)能減排實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的主要有兩個(gè)方向：第一，汽車(chē)材料輕量化;第二，汽車(chē)結(jié)構(gòu)輕量化。據(jù)相關(guān)研究表明汽車(chē)重量每下降10%，燃油的用量下降6%～8%，尾氣的排放量下降4%～10%。輕量化汽車(chē)的使用能節(jié)能減排的同時(shí)也改善了汽車(chē)的性能，提高汽車(chē)行駛的安全性。目前，汽車(chē)輕量化已成為汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。[1-8]

2 國(guó)內(nèi)外汽車(chē)輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

我國(guó)汽車(chē)行業(yè)在輕量化方面的發(fā)展雖然已經(jīng)起步并逐漸形成了一個(gè)較為完整的體系，但是和其他國(guó)家相比還是差距顯著。首先，國(guó)內(nèi)的自主創(chuàng)新能力弱，大部分依賴(lài)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)。日本、德國(guó)、美國(guó)發(fā)表關(guān)于汽車(chē)輕量化方面的專(zhuān)利數(shù)量占全球?qū)＠倲?shù)量的70%，其中發(fā)表的核心專(zhuān)利占80%。國(guó)內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)汽車(chē)輕量化核心專(zhuān)利發(fā)表的重視，提高汽車(chē)輕量化的自主創(chuàng)新能力，并自主創(chuàng)造出具有優(yōu)異性能的輕量化汽車(chē)。其次，國(guó)內(nèi)沒(méi)有完善的汽車(chē)輕量化組織體系，汽車(chē)企業(yè)沒(méi)有設(shè)置專(zhuān)門(mén)的研發(fā)部門(mén)，沒(méi)有注重企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)各方的協(xié)同。國(guó)外不僅有政府的支持，也同時(shí)推動(dòng)構(gòu)建“企業(yè)+高校+研究機(jī)構(gòu)”的產(chǎn)業(yè)組織體系。最后，國(guó)外政府出臺(tái)政策扶持、引導(dǎo)汽車(chē)輕量化應(yīng)用，例如技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)、溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)要求及目標(biāo);財(cái)稅政策包括高額燃油稅、重量稅、財(cái)政補(bǔ)貼、經(jīng)濟(jì)處罰;科技計(jì)劃：共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目、鼓勵(lì)和支持跨產(chǎn)業(yè)合作。國(guó)內(nèi)也應(yīng)加強(qiáng)政府指導(dǎo)，出臺(tái)相關(guān)政策，大力發(fā)展汽車(chē)輕量化技術(shù)。[8-11]

3 汽車(chē)材料輕量化

汽車(chē)材料輕量化和汽車(chē)結(jié)構(gòu)輕量化兩者相輔相成，通過(guò)減輕汽車(chē)重量來(lái)減輕環(huán)境污染、降低能源消耗、提高汽車(chē)性能。在20世紀(jì)80年代，大部分汽車(chē)材料都是由鋼鐵組成，但世界石油危機(jī)爆發(fā)后，人們開(kāi)始追求輕量化汽車(chē)材料以降低燃油使用量。因此增加了如高強(qiáng)度鋼、鎂合金、鋁合金、鈦合金、鋅合金以及塑料、橡膠等低密度、高強(qiáng)度、性能優(yōu)異汽車(chē)材料的使用，而鋼鐵材料在汽車(chē)方面的應(yīng)用比例有一定降低。[2]

3.1 金屬類(lèi)材料

3.1.1 高強(qiáng)度鋼

汽車(chē)材料制造技術(shù)不斷更新的時(shí)代，陸續(xù)出現(xiàn)了鎂、鋁合金等輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼鐵，導(dǎo)致鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)面臨危機(jī)。面對(duì)市場(chǎng)需求日益衰減的境況，鋼鐵企業(yè)迅速采取有效措施，研發(fā)制造出密度低，高強(qiáng)度的車(chē)用高強(qiáng)度鋼。[3]高強(qiáng)度鋼又可分為高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度鋼以及特高強(qiáng)度鋼板。[1]相比普通鋼材，高強(qiáng)度鋼能減輕車(chē)身重量達(dá)16%，提高燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)10%。雖然其密度比鎂、鋁合金大，但高強(qiáng)度鋼具有強(qiáng)度高、塑性較好、韌性較好、安全性高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，因而在汽車(chē)方面得到廣泛應(yīng)用。 鋼材主要分布在車(chē)身，然而車(chē)身重量占整車(chē)重量的40%～60%，所以高強(qiáng)度鋼的使用能很大程度的減輕車(chē)身重量，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化。[12]

3.1.2 鋁合金

鋁合金相比鋼材具有更小的密度，其密度只是鋼材的1/3，還具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕強(qiáng)、導(dǎo)熱性好、物理性能良好等優(yōu)點(diǎn)。[13]根據(jù)鋁合金材料性能的不同，其在汽車(chē)上的應(yīng)用也有差異。汽車(chē)生產(chǎn)中的鋁合金材料可分為三類(lèi)：鑄造鋁合金因其良好的耐腐蝕性及導(dǎo)熱性，在汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋、熱交換器及氣缸體應(yīng)用廣泛;變形鋁合金因其韌性好和強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)懸掛零件、結(jié)構(gòu)件、車(chē)身面板等應(yīng)用廣泛;鋁基復(fù)合材料具有抗疲勞、抗斷裂等優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)軸、搖臂等零件中應(yīng)用廣泛。[5]雖然鋁合金的成本高，只有國(guó)外的少數(shù)運(yùn)動(dòng)和豪華車(chē)型上得到應(yīng)用，但其顯著的減重能力使其在汽車(chē)材料輕量化中占據(jù)舉足輕重的地位。

3.1.3 鎂合金

鎂合金具有優(yōu)異的散熱性和減震性，其重量只是鋁合金材料的66%。[3]根據(jù)其良好的性能在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中也逐漸得到重視，主要應(yīng)用在方向盤(pán)、軸承、安全氣囊底座和車(chē)身部分。[7]在歐洲和美國(guó)汽車(chē)材料領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，已經(jīng)投入使用和正在產(chǎn)品研發(fā)階段的汽車(chē)用鎂合金產(chǎn)品分別為60和100余種，其中鎂合金的單車(chē)用量分別為9.3～20.3kg和5.8～26.3kg。[1]但在國(guó)內(nèi)由于鎂合金生產(chǎn)工藝較復(fù)雜、成本較高，在單車(chē)上的使用量不足1.5kg。我國(guó)應(yīng)加大開(kāi)發(fā)利用鎂合金簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝、優(yōu)化性能，在汽車(chē)材料輕量化上充分發(fā)揮其輕質(zhì)優(yōu)點(diǎn)。[9]

3.2 非金屬類(lèi)材料

3.2.1 碳纖維

碳纖維是一種含碳量高達(dá)90%的纖維狀碳材料，具有低密度、耐高溫、高強(qiáng)度、耐腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)。[1]歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車(chē)行業(yè)巨頭們都引領(lǐng)并推動(dòng)著碳纖維材料在汽車(chē)上應(yīng)用，德國(guó)寶馬公司還率先將碳纖維材料全方位的應(yīng)用在汽車(chē)上，其中包括：車(chē)身、底盤(pán)、車(chē)頂、車(chē)門(mén)、引擎蓋、尾翼、儀表盤(pán)、傳動(dòng)軸、頭蓋、壓尾翼、中控臺(tái)等系統(tǒng)。寶馬公司生產(chǎn)的碳纖維量產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)，其整車(chē)車(chē)身全部由碳纖維制造，車(chē)身重量?jī)H有112.2kg。除了寶馬公司，豐田、大眾、奔馳、現(xiàn)代等各大汽車(chē)廠(chǎng)商都在加大對(duì)碳纖維的開(kāi)發(fā)力度，以期實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化。[14]

3.2.2 塑料

車(chē)用塑料具有質(zhì)量輕、耐熱、耐腐蝕、韌性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車(chē)上的使用量也逐年增加。汽車(chē)上使用的塑料主要為用于儀表盤(pán)、輪圈蓋和引擎部件的聚丙烯（PP）;用于汽車(chē)地毯的聚乙烯（PE）;用于汽車(chē)保險(xiǎn)杠格柵的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）。[1]現(xiàn)在國(guó)外的汽車(chē)廠(chǎng)商已經(jīng)研制出性能更優(yōu)異的車(chē)用塑料，不僅減重，還兼顧汽車(chē)制造成本、質(zhì)量、功能，未來(lái)塑料在汽車(chē)上的使用范圍將更加廣泛。[15-16]