汽車應(yīng)用材料輕量化淺談

孟祥龍

摘 要：作為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一，汽車新材料、先進(jìn)的設(shè)計(jì)和工藝制造技術(shù)，能促進(jìn)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。輕量化材料一方面節(jié)約汽車制造成本，另一方面還可以低碳環(huán)保循環(huán)利用。新材料和新技術(shù)之間相輔相成，先進(jìn)的工藝技術(shù)為輕量化材料更新提供基礎(chǔ)，新材料的廣泛應(yīng)用推動(dòng)工藝技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：汽車;內(nèi)外飾;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);成型工藝

1 汽車內(nèi)外飾輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 鋁合金替代鋼材

（1）鋁合金的應(yīng)用。鋁合金作為輕質(zhì)金屬，是汽車輕量化的理想替代材料。鋁合金在汽車領(lǐng)域的用量在逐步增加，且種類越來(lái)越多樣化，汽車車身使用鋁合金作為主要材料的趨勢(shì)正在形成。

（2）應(yīng)用于汽車上的鋁合金部件。奧迪在A8車型上使用了全鋁合金車身，其剛度提高60%，焊點(diǎn)減少40%，重量更輕。無(wú)論是靈活性、安全性，或平穩(wěn)性均表現(xiàn)出色。而在內(nèi)外飾上有眾多的零部件實(shí)現(xiàn)鋁合金替代鋼，如儀表臺(tái)橫梁，由于強(qiáng)剛度指標(biāo)要求，長(zhǎng)期以來(lái)橫梁都是采取鋼材支架焊接的方式。而目前寶馬，奧迪等車型已經(jīng)在使用鋁合金設(shè)計(jì)的橫梁，其比鋼橫梁要減重40%。

其他眾多的零部件應(yīng)用如座椅支架、發(fā)動(dòng)機(jī)周邊部件等。

1.2 熱塑性塑料的應(yīng)用

熱塑性輕量化塑料LFT-PP，以金發(fā)的材料為例，其增強(qiáng)玻璃纖維長(zhǎng)度達(dá)6-25 mm（SFT-PP是0.2-0.6 mm），由于出色的力學(xué)性能、機(jī)械性能和熱老化性能成為比較理想的輕量化產(chǎn)品的原材料。LFT-PP材料目前應(yīng)用范圍是“以塑代鋼”，如前端模塊，后尾門。目前汽車市場(chǎng)上，眾多的品牌如日產(chǎn)、雷諾、標(biāo)致等相繼研發(fā)出LFT-PP的塑料后尾門，相比鋼制后尾門，減重達(dá)30%，其作為注塑工藝應(yīng)用在后背門上是前瞻性的輕量化工藝;注塑后尾門有輕量化、模塊化、產(chǎn)品精度高等特點(diǎn)。

2 內(nèi)外飾輕量化的設(shè)計(jì)原則

2.1 人機(jī)交互原則

所謂人機(jī)交互就是駕駛者或乘客在使用汽車時(shí)與車輛系統(tǒng)的“對(duì)話”，這種對(duì)話必須合理、簡(jiǎn)單、易用，因而設(shè)計(jì)過程必須充分考慮這三個(gè)基本人機(jī)交互原則。汽車輕量化設(shè)計(jì)絕不能違背這些原則或者說犧牲人機(jī)交互的某些原則，可以說輕量化設(shè)計(jì)難度要比一般意義的設(shè)計(jì)要大得多，輕量化設(shè)計(jì)就是在滿足原有指標(biāo)基礎(chǔ)上增加指標(biāo)條件，而這些條件都是充分必要條件。

2.2 節(jié)能環(huán)保原則

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，可持續(xù)發(fā)展成為我國(guó)工業(yè)發(fā)展的基本策略，而節(jié)能環(huán)保則是可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)。輕量化設(shè)計(jì)過程必須考慮運(yùn)用此材料和工藝的各個(gè)環(huán)節(jié)是否可以保證節(jié)能環(huán)保，任何一個(gè)環(huán)節(jié)如果對(duì)環(huán)境造成不良影響將導(dǎo)致設(shè)計(jì)推行艱難，最終有可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)停留在設(shè)計(jì)階段，不能導(dǎo)入生產(chǎn)的輕量化設(shè)計(jì)沒有任何意義。

2.3 安全法規(guī)原則

汽車內(nèi)外飾輕量化必須在滿足國(guó)家安全法規(guī)的前提下，減重才有意義。安全性保障是汽車內(nèi)飾輕量化設(shè)計(jì)的一個(gè)基本的原則。這一原則不僅要求內(nèi)飾的材料本身的強(qiáng)度要符合要求，而且要求產(chǎn)品本身設(shè)計(jì)可以作為其他產(chǎn)品的載體，可以滿足一定的負(fù)荷要求。除了承載的載荷之外，對(duì)于內(nèi)外飾設(shè)計(jì)的安裝（固定）強(qiáng)度也有著一定的要求，最基本的就是要能承受車輛高速運(yùn)行過程中產(chǎn)生的主動(dòng)和被動(dòng)沖擊載荷，強(qiáng)度和穩(wěn)定性都能符合設(shè)計(jì)驗(yàn)證（DV）要求。

3 汽車應(yīng)用材料輕量化的具體運(yùn)用

3.1 塑料材料在汽車內(nèi)裝飾中的運(yùn)用

在汽車內(nèi)裝飾零部件主要包括門內(nèi)裝飾、車廂隔板、扶手、儀表板、頂板、座椅、地毯。傳統(tǒng)的汽車車內(nèi)裝飾主要是以金屬、木材、人造革、毛氈、針織品等為構(gòu)造結(jié)構(gòu)，其中塑料材料在其中運(yùn)用不到一半分量，使得汽車內(nèi)部可視性、舒適度和觸感都明顯不足。而如果汽車內(nèi)裝飾提高塑料材料在設(shè)計(jì)、制造中的分量，則不會(huì)出現(xiàn)上述問題。我國(guó)塑料材料的運(yùn)用于國(guó)際水平還有相當(dāng)大的差距。

3.2 汽車用碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

（1）底盤傳動(dòng)系統(tǒng)方面應(yīng)用。以DodgeViper型跑車為例，碳纖維復(fù)合材料就被應(yīng)用到了擋板支架系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了碳纖維在大型底盤及車身外部件的應(yīng)用，該車型的碳纖維擋板支架重量?jī)H在1.9千克左右，碳纖維復(fù)合材料中有摻加55%碳纖維碎屑，受無(wú)其他填充物的影響，其密度較低，約為1.4 g/cm3，加之金屬零件的減少，從而就在一定程度上實(shí)現(xiàn)了減重。值得注意的是，雖然碳纖維復(fù)合材料擋板支架壁厚在2毫米左右，但其卻發(fā)揮著較強(qiáng)的支撐作用，可將車身前端支撐起來(lái)，通過與其它零件的有效連接，剛性也得到了明顯的提高。

（2）壓氣機(jī)葉輪應(yīng)用。汽車渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪的制造，有利于減輕葉輪質(zhì)量，這不僅會(huì)降低轉(zhuǎn)子慣量，且還可促進(jìn)轉(zhuǎn)子加速性能的提高，在一定程度上減少了渦輪增壓器響應(yīng)滯后時(shí)間。同時(shí)，為進(jìn)一步達(dá)到葉輪強(qiáng)度、耐久及可靠性方面的要求，就需處理了碳纖維表面，實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度的提高，這主要是因?yàn)榛w樹脂使用了玻璃化轉(zhuǎn)變的溫度聚醚酮，相較于鋁合金，復(fù)合材料的就充分體現(xiàn)出了較高抗拉強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)。

（3）制動(dòng)器襯片應(yīng)用。針對(duì)汽車制動(dòng)器的襯片而言，其構(gòu)成材料主要為石棉摩擦材料，當(dāng)處于高溫制動(dòng)情況下時(shí)，該材料極有可能發(fā)生摩擦性能“熱衰退”，且所產(chǎn)生的石棉粉塵，還具有致癌風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)危害的人體健康?；诖?，現(xiàn)階段各國(guó)都加大了對(duì)新一代摩阻材料的研究，旨在替代石棉摩擦材料，碳纖維復(fù)合材料通過其強(qiáng)度高、耐熱性強(qiáng)等特點(diǎn)，已逐漸取代了石棉。

（4）傳動(dòng)軸應(yīng)用。在制造傳動(dòng)軸的過程中，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)重量的減輕，且振動(dòng)噪聲較小，不僅促進(jìn)了傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速的提高，且還在一定程度上減輕了后期的維護(hù)費(fèi)用。

（5）在變速箱同步器齒環(huán)中的應(yīng)用。針同步器而言，其屬于機(jī)械式手動(dòng)變速箱的主要零部件之一，發(fā)揮的作用極為關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)了換擋操縱的進(jìn)一步簡(jiǎn)化，這在減輕司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，也在一定程度上規(guī)避了換擋沖擊。同時(shí)，從同步器的結(jié)構(gòu)來(lái)說，摩擦環(huán)屬于重要零件，通過錐面產(chǎn)生的摩擦力矩，可促使兩個(gè)換擋元件間的同步運(yùn)轉(zhuǎn)。但就目前來(lái)說，傳統(tǒng)的同步器已漸漸無(wú)法滿足現(xiàn)代化機(jī)械要求，而碳纖維摩擦材料同步器通過其使用時(shí)間長(zhǎng)、高強(qiáng)度等特點(diǎn)得到了較好的應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

汽車減重顯然能帶來(lái)很多的好處，但從目前市場(chǎng)表現(xiàn)來(lái)看，我國(guó)的輕量化技術(shù)起步較晚，缺乏經(jīng)驗(yàn)，仍未建立起完善的產(chǎn)業(yè)鏈。在汽車輕量化之路上，仍然面臨著眾多難題。當(dāng)前，隨著新能源汽車的發(fā)展，輕量化更是重中之重。

參考文獻(xiàn)：

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