鎂合金應(yīng)用與汽車節(jié)能減排

□文/龍思遠(yuǎn)徐紹勇查吉利曹韓學(xué)劉波蔡軍馬季

1.重慶大學(xué)國(guó)家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心 2.長(zhǎng)安汽車研究院

鎂合金應(yīng)用與汽車節(jié)能減排

Application of Magnesium Alloy is Conducive to the Vehicle "Energy Saving"

□文/龍思遠(yuǎn)1徐紹勇1查吉利1曹韓學(xué)1劉波2蔡軍2馬季2

1.重慶大學(xué)國(guó)家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心 2.長(zhǎng)安汽車研究院

作為全球最大的發(fā)展中國(guó)家，中國(guó)的能源基本格局為“富煤、貧油、少氣”，根本無(wú)法支撐按西方模式發(fā)展傳統(tǒng)燃油汽車產(chǎn)業(yè)，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提升，“以車代步”已經(jīng)成為消費(fèi)取向。作為成長(zhǎng)速度最快、燃油能耗最大、排放對(duì)環(huán)境沖擊最明顯的汽車制造和使用領(lǐng)域，自然首當(dāng)其沖，面臨著最大的“節(jié)能減排”壓力。面對(duì)壓力，中國(guó)的汽車業(yè)的必然選擇是“減少燃油消耗、尋求替代能源”，在實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”的同時(shí)，不斷提高人民生活質(zhì)量。

圖1 北美汽車總量與其單位里程油耗之間的關(guān)系

一、汽車的“節(jié)能減排”與輕量化

顯然，采用可再生綠色能源，是汽車實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”的終極手段。但在新能源汽車處于千呼萬(wàn)喚未出來(lái)的現(xiàn)階段，實(shí)現(xiàn)車輛輕量化、提高燃油效率，就成為汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”的必由之路。事實(shí)上，受替代能源儲(chǔ)存和使用技術(shù)水平的限制，為了延長(zhǎng)行駛里程、提高車輛動(dòng)態(tài)相應(yīng)能力，新能源汽車開(kāi)發(fā)正面臨著更大的減重壓力。

目前，在燃油汽車上實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”有兩大技術(shù)途徑：一是提高車輛的燃油能量利用率，如：基于儲(chǔ)存及回收燃油動(dòng)力的不同混度的油電混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)，提高燃?xì)鈮耗艿脑鰤喝紵夹g(shù)，使用高燃值燃油的柴油內(nèi)燃技術(shù)等；二是基于保障服役性能的車輛輕量化，如：采用高比性能材料替代傳統(tǒng)地比性能材料，在確保車輛動(dòng)態(tài)駕控性能和碰撞安全的前提下，降低車輛重量，降低車輛的制造、使用和回收的能耗和排放。

如圖1所示，在統(tǒng)計(jì)涉及的車重范圍內(nèi)，車輛重量每降低10%，百公里油耗就降低6%～8%。可見(jiàn)，對(duì)于燃油車輛而言，降低車輛的重量是實(shí)現(xiàn)汽車“節(jié)能減排”最顯而易見(jiàn)的有效途徑。

除顯著的“節(jié)能減排”效果外，輕量化還能提高車輛的駕乘動(dòng)力學(xué)性能（如：加速、制動(dòng)、過(guò)彎穩(wěn)定性、NVH性能，碰撞慣性等），而這類性能的改善一直是車輛設(shè)計(jì)者、制造商和用戶孜孜追求的目標(biāo)。除國(guó)內(nèi)獨(dú)特的碰撞安全利己思維外，汽車輕量化已在西方發(fā)達(dá)國(guó)家廣為接受、深入人心。各高端品牌汽車制造企業(yè)，都形成了自己的輕量化獨(dú)門絕技，如法拉利、保時(shí)捷、蘭博基尼、寶馬、尼桑跑車產(chǎn)品，不斷地利用鋁合金、鎂合金、超高強(qiáng)度鋼、長(zhǎng)纖維基復(fù)合材料等輕量化材料來(lái)提升產(chǎn)品性能，鞏固和擴(kuò)大產(chǎn)品的技術(shù)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

隨著汽車技術(shù)發(fā)展思路更新和節(jié)能環(huán)保理念深入人心，國(guó)產(chǎn)車在輕量化方面投入也越來(lái)越大，推動(dòng)著輕量化技術(shù)的不斷進(jìn)步。如，馬自達(dá)睿翼2.0L自動(dòng)擋車型，局部采用的高強(qiáng)度鋼板最高強(qiáng)度達(dá)1 480兆帕，其整備質(zhì)量為1.423T，比同級(jí)別的新天籟2.0L還輕了61千克，并完全能達(dá)到C—NCAP碰撞5星安全標(biāo)準(zhǔn)；長(zhǎng)安汽車在鎂合金研發(fā)的基礎(chǔ)上，在2006～2009年期間，除在新車型開(kāi)發(fā)中進(jìn)行鎂合金零部件同步集成開(kāi)發(fā)外，還對(duì)鎂合金在汽車前端上的應(yīng)用就行了系統(tǒng)深入的可行性研究（見(jiàn)圖2）。

為了消除車輛在道路行駛過(guò)程中的排放，采用非內(nèi)燃驅(qū)動(dòng)的各種新能源汽車開(kāi)發(fā)正如火如荼。但是受能量?jī)?chǔ)存和動(dòng)力高效輸出技術(shù)的限制，為了獲得可接受的行駛動(dòng)力學(xué)特性和續(xù)航里程，整車減重的壓力變得更加嚴(yán)峻。目前，電動(dòng)汽車的一次充電續(xù)航里程普遍低于300公里，0到100公里/時(shí)的加速時(shí)間普遍在于10秒以上，僅能用于市內(nèi)或中短途代步，無(wú)法滿足家庭和辦公旅行對(duì)車輛日行駛里程和單次續(xù)航能力的要求。因此，在改善能量?jī)?chǔ)存技術(shù)、提高動(dòng)力輸出特性的同時(shí)，如何經(jīng)濟(jì)高效地控制和降低車輛自重，一直是新能源汽車開(kāi)發(fā)的迫切需求。

綜上所述，汽車輕量化已成為全球汽車發(fā)展的必由之路。目前公認(rèn)具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的汽車輕量化材料主要有：高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金和有機(jī)基纖維復(fù)合材料等。但其具體的選用則主要取決于材料的使用性能、成形工藝特性和構(gòu)件的性價(jià)比。

二、減重的“優(yōu)先次序”及性價(jià)比

1. 減重的“優(yōu)先次序”

對(duì)動(dòng)力學(xué)特性有要求的常見(jiàn)“前置前驅(qū)”和“前置后驅(qū)”車輛，在其輕量化需要顧及維持和提升駕乘性能。因此，輕量化過(guò)程要有序有理地、有選擇地進(jìn)行，即，遵守“至上而下、從前到后、先動(dòng)后靜”的輕量化原則。

至上而下：對(duì)于一個(gè)強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)特性的四輪車，在駕乘過(guò)程中需要頻繁轉(zhuǎn)彎、加速和制動(dòng)。因此，在車輛輕量化過(guò)程中，保持“至上而下”的優(yōu)先次序，利于維持或降低整車重心，對(duì)于提高車輛在側(cè)向和直線加速下的駕乘動(dòng)態(tài)性能，防止制動(dòng)“點(diǎn)頭”都極其有利。因此，車身減重的目標(biāo)目前主要集中在艙蓋、門框和車頂框等上部車身結(jié)構(gòu)，及座椅骨架等安裝位置較高的部件上。

從前到后：眾所周知，四輪車輛前后軸荷重的均衡性決定著車輛在啟動(dòng)、制動(dòng)、彎道循跡動(dòng)態(tài)品質(zhì)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前置的車輛，前軸荷重較大。因此，在車輛輕量化時(shí)，優(yōu)先選擇降低前軸荷重的減重方案，以獲取更加理想的軸荷均衡分配（50%：50%）。故常見(jiàn)的汽車減重實(shí)例均集中在前端構(gòu)件上。如：發(fā)動(dòng)機(jī)、油底殼、變速箱殼體、離合器殼體、儀表板支架、中控支架、水箱支架、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋、車身前端等；只有在發(fā)動(dòng)機(jī)中置或后置的車型上，才可以看到尾部的輕量化。

先動(dòng)后靜：在車輛駕乘過(guò)程中，燃油能量主要用于克服車輛行駛的各種內(nèi)部阻力（克服運(yùn)動(dòng)部件的慣性、零件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦）、外部阻力（風(fēng)阻、行駛阻力）和克服車輛變速慣性（加速時(shí)賦予車輛動(dòng)能或減速時(shí)耗散車輛動(dòng)能）。顯然，減重可有效降低改變車輛速度（加速和減速）所需要的能量。

值得注意的是，車輛的慣性分為隨車輛移動(dòng)的平動(dòng)慣量和運(yùn)動(dòng)構(gòu)件自身運(yùn)行所儲(chǔ)備的附加運(yùn)動(dòng)慣量。對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，車輛使用時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)不僅要通過(guò)功率輸出將運(yùn)動(dòng)構(gòu)件加速到要求的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在制動(dòng)時(shí)還需要耗能將其已擁有的平動(dòng)慣量和附加運(yùn)動(dòng)慣量耗散掉，才能實(shí)現(xiàn)減速制動(dòng)。因此，車輛運(yùn)動(dòng)部件的減重，能起到事半功倍的“節(jié)能” 效果，并同時(shí)提高車輛的駕乘性能。根據(jù)圖1所示的“車重”與“能耗”統(tǒng)計(jì)關(guān)系，車身減重10%，油耗只能降低6%～8%；而根據(jù)已有的路試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，輪轂類運(yùn)動(dòng)部件如減重25%（約占車重的2%～3%），則百公里油耗可降低10%。可見(jiàn)，車輛高速運(yùn)動(dòng)部件的“減重”所產(chǎn)生的“節(jié)能”效果是“車身”等靜態(tài)構(gòu)件單位減重“節(jié)能”效果的數(shù)倍。

2. 輕量化的性價(jià)比

汽車生產(chǎn)商實(shí)施輕量化的終極目的是獲得更有利的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)地位，用戶接受輕量化是追求更佳的駕乘性能和更低的使用成本。因此，在達(dá)到相同或相近減重效果的同時(shí)，構(gòu)件的生產(chǎn)廠，整車生產(chǎn)商和用戶的市場(chǎng)博弈最終都聚焦在產(chǎn)品的性價(jià)比上。

汽車輕量化的性價(jià)比取決于材料的價(jià)格，成形加工的成本和由材料比性能決定的減重潛力。表1給出了汽車輕量化常用材料的參考現(xiàn)價(jià)、彈性模量、屈服強(qiáng)度對(duì)照。值得提醒的是，從原材料到可供裝配的零部件，不同材料因成形加工特性的差異，工藝成本差異明顯；且構(gòu)件的本體材料性能因工藝不同也與標(biāo)準(zhǔn)試樣性能存在顯著差異。因此，在汽車輕量化設(shè)計(jì)中，在滿足使用性能要求的前提下，需要綜合考量材料價(jià)格和材料工藝（包括成形、機(jī)加、涂裝、連接、腐蝕防護(hù)、裝配等）成本，最終才能科學(xué)地評(píng)價(jià)一種輕量化材料可能帶來(lái)的輕量化效果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征。

值得注意的是，在集成化、模塊化設(shè)計(jì)制造的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)被汽車工業(yè)廣泛認(rèn)知和接納的今天，材料的成形工藝特性決定著構(gòu)件的集成設(shè)計(jì)制造程度，最終影響著汽車零部件的制作成本和價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。因此，輕量化材料工藝性能優(yōu)勢(shì)及相應(yīng)的集成設(shè)計(jì)制造潛質(zhì)，越來(lái)越受到設(shè)計(jì)人員的高度重視。（未完待續(xù)）

表1 汽車輕量化金屬結(jié)構(gòu)材料的價(jià)格性能比對(duì)照表