汽車輕量化及其材料的經濟選用

張志軍

摘要：汽車輕量化在汽車生態設計中有著重要的作用，這是因為汽車的輕量化不僅可以減少尾氣的排放，減少對生態環境的污染，同時還能降低油耗，起到節約資源的作用。經過幾十年的發展，汽車輕量化已經取得了長足的發展，這一技術成為了各個汽車廠家重點研究的內容。本文主要對汽車輕量化的含義、應用現狀及其材料的經濟選用進行了相應的分析和探討。

關鍵詞：汽車輕量化；材料；經濟選用

前言

隨著汽車制造業的不斷發展，汽車普及度越來越高，已逐漸成為一種社會化的產品。而嚴重的資源和能源危機要求汽車制造業在大規模生產的基礎上，必須考慮高性能、高功能、輕量化和資源節約。研究表明，如果汽車的整體質量降低10%，那么，能源利用率就可以提高6%～8%。因此，確保汽車的輕量化是非常重要的。

一、汽車輕量化的含義

汽車車身質量占汽車整體質量的30%，空載時，有70%的能源消耗在汽車車身上。采用汽車輕量化技術除了可以降低能耗外，還可以提高汽車操作的穩定性和安全性。使用輕量化材料后，汽車質量會減輕。在其行駛過程中，由于汽車底盤質量比較輕，所以，顛簸會減弱，車身會更加穩定。當汽車遇到撞擊時，其撞擊能力會被吸收一部分，從而提高汽車運行的安全性。但是，輕量化并不是說汽車質量越輕越好，這需要綜合考慮汽車的安全性、經濟性和實用性等因素。在保證汽車各項指標都滿足要求的情況下，為了降低能耗，使其更加環保、安全，要采用先進的技術或特殊材料盡可能地減輕汽車質量。

汽車輕量化并不是簡單地縮小汽車的體積或者減輕汽車的質量。汽車的安全性、穩定性、舒適性和耐撞性等與汽車的質量有直接關系，所以，還需要考慮其經濟合理性，畢竟汽車屬于商品，要讓消費者接受它的價格。

汽車結構的創新化設計和特殊材料的使用是汽車輕量化技術的重要組成部分。如果汽車車身結構設計合理，不僅可以減少材料的使用量，還能達到輕量化的目的。要想實現汽車輕量化，車身材料是非常重要的。相關研究表明，汽車輕量化主要表現在以下3個方面：①隨著新材料的出現，很多性能好的輕質材料被應用于汽車領域，例如高輕度鋼、鎂合金、鈦合金、鋁合金、特殊塑料、陶瓷和生態復合材料等；②隨著汽車工業設計水平的不斷提高，很多汽車開始采用超輕懸架結構、高剛性結構來減輕其質量；③汽車輕量化的發展促使計算機輔助集成技術和結構分析等技術被應用于汽車領域，從而帶動汽車聯接技術的創新。

二、汽車輕量化的發展現狀

隨著科技的快速發展，新材料、新技術已被廣泛應用于汽車輕量化領域。目前，很多汽車的變速箱殼體采用的都是鎂合金材料，例如上海大眾桑塔納轎車。隨著鎂合金材料性能的提升，如果曲軸的箱體材料由鋁合金變為鎂合金，那么，其質量將會減輕30%；如果能進一步改善鎂合金材料的抗蠕變性能，那么，自動變速箱的箱體也可以使用鎂合金材料制造。

汽車輕量化的重點在于車身結構的用材。傳統的車身結構是鋼材，但隨著材料學的發展，鋁合金、精煉鋼、夾層鋼等材料被應用于汽車車身制造上，柔性化板材輥軋、剪拼焊接工藝等技術也得到了應用。不銹鋼與高強度的碳鋼相比，其強度更高、延展性更好。20世紀90年代，奇瑞等汽車公司就開始進行相關試驗。

隨著時間的推移，我國在汽車結構設計方面也取得了較大的進步，已經從依靠經驗設計逐漸發展為應用有限元等現代設計方法實行靜強度計算和分析的階段。在薄板沖壓工藝方面，上海通用、五菱與湖南大學合作，開展了深入的研究，而北京航空航天大學則利用開發的CAXA系統研究客車輕量化技術。

三、輕量化材料的選用

1.有色合金

（1）鋁合金。①變形鋁合金。在工業上常見的鋁合金板帶材、擠壓型材和鍛造材就是變形鋁合金，往往用于汽車的空調冷凝器、蒸發器、車身面板、裝飾件、發動機散熱器、車身骨架、車輪和懸架系統零件等。經過資料的查閱：日本在1990年所銷售的本田NSX車就采用了全鋁承載式車身，鋁材達到31.3%，內板使用5052-0合金，外板使用6000系列合金，骨架大部使用5182-0合金，車身重量比用冷軋鋼板輕200kg，引起了世界性的轟動。由此可見，變形鋁合金材料的輕量化效果比較明顯。②鑄造鋁合金。鋁鑄件在汽車工業市場運用較為廣泛，比如日本77%的鋁壓鑄件與76%的鋁鑄件均為汽車鑄件，大多用于發動機懸置支架、車輪、進氣歧管、離合器殼體、發動機氣缸體、搖臂、活塞、空壓機連桿、制動器零件、傳動器殼體、氣缸蓋、把手及罩蓋殼體類零件等。這是由于鑄造鋁合金的合金元素種類較多，具體有Mn、Si、Mg、Li、Cu、Zn等元素，經過多種元素的大量加工以及恰當的工藝可以生產出種類繁多的鋁合金。

（2）鈦合金。鈦的密度為4.5g/cm3，具有高強度、耐高溫以及耐腐蝕的優點。雖然鈦的價格有點昂貴，但是不少汽車的生產還是采用了該原材料。科研人員在汽車材料應用方面，針對鈦合金也進行了大量的的試驗研究工作。研究表明：用α+β系鈦合金制造的發動機連桿，強度相當于45鋼調質的水平，而重量可以降低30%；β系鈦合金經過超低溫加工和時效處理，強度可達2000MPa，可用來制造懸架彈簧、氣門彈簧和氣門等，與拉伸強度為2100MPa的高強度鋼相比，鈦彈簧可降重20%。

（3）鎂合金。鎂在實際應用的金屬中，質量是最輕，密度大概為鋁的2/3。由鎂元素合成的鎂合金切削性能好、吸振能力強、易于鑄造模型，是非常適合制造汽車零件的原材料。鎂合金大部分以壓鑄件的形式在汽車上應用，該合金零件的生產效率比鋁高30%左右。鎂鑄件在汽車上使用最早的實例是車輪輪輞。在汽車上應用鎂合金的具體情況還有儀表板骨架轉向盤輪芯、離合器殼體、離合器踏板、變速箱殼體、座椅、轉向柱部件、發動機懸置、制動踏板固定支架、氣缸蓋和氣缸蓋罩蓋等。

2.塑料

塑料也是輕質材料之一，是汽車制造的必選材料。汽車輕量化，使得聚乙烯、熱固性復合材料、聚丙烯、聚氯乙烯、尼龍以及聚氨酯等在內的塑料市場迅速發展。最近幾年，聚丙烯是車用塑料的最大品種之一，每年以2.8%左右的速度迅速增長。目前國外汽車的內飾件已基本實現塑料化，塑料在汽車中的應用范圍正在由內裝件向外裝件、車身和結構件擴展。今后的重點發展方向是外裝件用的增強塑料復合材料、開發結構件、高性能樹脂材料與塑料，并對塑料材料的回收予以高度重視。

3.鋼材料

由于轎車自重的25%在車身，因此車身材料的輕量化對于汽車的發展至關重要。早在上世紀90年代，全球有35家大型鋼鐵企業通過合作完成了“超輕鋼質汽車車身”的研究。該研究表明，車身鋼板的90%使用現已大量生產的高強度鋼板，可以在不增加成本的前提下實現車身降重25%，且靜態扭轉剛度提高80%，靜態彎曲剛度提高52%，第一車身結構模量提高58%，滿足全部碰撞法規要求。在普通的IF鋼板的基礎上相繼開發了高強度IF鋼板和烘烤硬化IF鋼板，在保持高成型性的同時提高了強度和抗凹陷性，為車身鋼板的減薄和實現輕量化創造了條件。

四、結束語

綜上所述，隨著社會經濟的發展，人們更加重視節能減排，而汽車輕量化技術勢必會得到重視，也會吸引更多的力量研究它，新技術、新材料將也將被廣泛應用于汽車設計制造中。因此，汽車輕量化技術的應用還有很大的發展空間。

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