淺談輕量化技術在汽車領域的應用和發(fā)展前景

成亮

[摘要]隨著汽車節(jié)能減排和環(huán)保的要求越來越高，除了“新能源”技術外，如何減輕汽車重量，從而降低汽車油耗，輕量化技術在汽車領域的應用可以有效地解決這些問題。

[關鍵詞]汽車；輕量化；碳纖維

1輕量化的意義

輕量化概念最早起源于賽車，重量輕了，并能導致更好的操控，發(fā)動機的功率輸出能夠產(chǎn)生更高的加速度的。作為車輛用燈具，啟動性能和更好的加速，制動剎車距離較短。隨著“綠色能源”已日益成為普遍關注的話題，也輕巧廣泛應用到汽車領域，以提高操控性，同時仍然突出的燃油經(jīng)濟性能。汽車的油耗和排放取決于汽車發(fā)動機的總質量，在保持汽車整體品質，性能和成本優(yōu)化不變甚至減少汽車的自身重量可以提高輸出功率的前提下，降低噪音，提升操控可靠，提高速度，降低油耗，減少排放，提高安全性。有研究數(shù)字顯示，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；若滾動阻力減少10%，燃油效率可提高3%；若車橋、變速器等裝置的傳動效率提高10%，燃油效率可提高7%。汽車車身約占汽車總質量的30%，空載情況下，約70%的油耗用在車身質量上。因此車身變輕對于整車的燃油經(jīng)濟性、車輛控制穩(wěn)定性、碰撞安全性都大有裨益。

2輕量化技術主要有以下幾方面

2.1具有更高強度的輕質材料的應用

構成汽車的2萬多個零件中，約86%是金屬材料，且鋼鐵占了約80%，這表明通過材料的輕量化來減輕汽車重量有巨大潛力。目前鋁合金、高強度鋼、碳纖維、工程塑料和復合材料等輕質材料的開發(fā)與應用在汽車的輕量化中發(fā)揮了重大作用。

鋁是最廣泛使用的汽車材料的輕質材料，鋁具有良好的機械性能，并且它的密度是鋼的，易于加工，導熱性，耐腐蝕性。高強度鋁合金的約113，而且具有良好的能量吸收。根據(jù)鋁的美國研究所，利用每車鋁0.45kg可以減輕車重1kg，車鋁理論上可以減肥比鋼汽車約40%。因為鋁具有上述優(yōu)點，它已成為最常用的鋁輕質材料在車內(nèi)。越來越多的鋁合金輪轂和全鋁制發(fā)動機出現(xiàn)在各種車型，逐步取代傳統(tǒng)的鋼構件。

高強度鋼也是一種廣泛應用的輕量化材料，它的應用可以減少鋼板的設計用量和厚度。高強度鋼保留了甚至提高了鋼材的優(yōu)點。與鋁、鎂、復合材料等相比，高強度鋼板的原料與制造價格較低，經(jīng)濟性較好，可以大量取代現(xiàn)在所用的車用鋼材，支撐起乘員艙結構的鋼材通常使用的都是高強度鋼。

碳纖維這種材料具有重量輕、剛性好、吸能性好、易塑性高、耐腐蝕等優(yōu)點。碳纖維在車輛裝飾方面的應用是占多數(shù)的，例如發(fā)動機蓋、尾翼、內(nèi)飾面板等。碳纖維比鋁輕30%、比鋼輕50%，強度是鋼的7到9倍。鋼鐵材料約占車體重量的3/4，如果汽車的鋼材部件全部由碳纖維復合材料置換，車體重量可減輕300kg，燃油效率提高36%，二氧化碳排放量可削減17%。而且有的汽車廠商已經(jīng)把碳纖維復合材料應用在汽車傳動軸、板簧、構架和剎車片等關鍵零件上，例如：賽車底盤、碳纖維制動盤、碳纖維輪轂、傳動軸。碳纖維還具有極佳的能量吸收率，碰撞吸能能力是鋼的6倍-7倍、鋁的3倍-4倍。

基于這幾點原因，碳纖維材料才逐漸小幅度地在中檔汽車身上運用，再加上新能源汽車的普及，對車身重要的要求進一步提高了，這也促進了碳纖維材料車身的應用，例如奧新新能源汽車公司在2015年成功研發(fā)的碳纖維車身電動車，這樣不但能達到節(jié)能減排的省油需求，也能滿足消費者關心的安全問題。碳纖維車身的普及另外還有一個重要問題，就是碳纖維材料的來源，相信大家都知道，碳纖維零部件是由碳纖維絲束貼制而成，所以絲束才是技術關鍵。

在全球主要的高性能纖維年產(chǎn)能33萬噸，中國只有7.3萬噸，供應乏力。在競爭激烈的碳纖維領域，我國年產(chǎn)量僅為4000噸，大多數(shù)企業(yè)處在虧損狀態(tài)。中國碳纖維企業(yè)有30多家，每家投入幾億元到十幾億元，最大規(guī)模不超過3000噸，相比國際龍頭3萬噸的規(guī)模而言，競爭力多少顯得有些不足。因此碳纖維車身的普及在國內(nèi)比在國外，要面對的困難會更多。制造碳纖維絲束。需要芳綸、超高分子量聚乙烯纖維、聚苯硫醚纖維、玄武巖纖維、聚酰亞胺纖維等材料，以及相關設備。而我國生產(chǎn)碳纖維的關鍵材料和設備還依靠進口。據(jù)介紹，由于碳纖維油劑、碳化設備依靠進口，沒有大型石墨碳材料，許多企業(yè)不得不從國外購買要價不菲的汽車零部件自動化生產(chǎn)線。

2.2結構輕量化設計與優(yōu)化

在承載式車身，設計與鋼體結構的強度是安全決策的一個重要因素。強大的軟件設計工程師可以優(yōu)化設計和檢查汽車結構的強度和剛度，降低體重和板的厚度，從而使中空部，小型化或復合，以確保車輛的質量和性能。謀求材料成本，重量。安全性能指標和點的其他最佳組合，我們需要使用的各種材料的組合，和用于安排多材料組合必須使用每個材料的最好的部分進行設計。豪華車采用了空間框架結構、成分大多是多功能的大型鑄件，大型整體結構和鍛件比例高，可以減少身體各部分的數(shù)量，一系列的優(yōu)化，輕量化設計使得整車的同時提高安全性能。因為車重每減小10%，油耗可降低6%-8%，排放量可降低5%-6%，0km/h-100km/h加速性可提升8%-10%，制動距離縮短2m-7m。

車輛主要是人的事故發(fā)生時的保障，而不是損壞的汽車程度的安全性來衡量。大型車具有輕便車相撞的重量，損失重的汽車程度比較小，但是傷害人員吸能車身設計，以及主動和被動安全的程度密切相關。例如，通過優(yōu)化結構設計一些模型，它能夠更好地吸收撞擊能量分散到一個高強度A柱和車身下部，提高乘客的安全，同時也降低了在進攻對方車輛。該車輛的重心的體重后的中心可以實現(xiàn)向下以提高車輛的操縱性和穩(wěn)定性。實際上，對于不同的部分安全車有不同的要求。例如，有緩沖的無左右兩側必須改善通過高沖擊鋼安全梁剛性部分。而且對于前部和后部保險杠、發(fā)動機、軀干吸收更多重要的緩沖器。門沖擊梁的內(nèi)部采取一些垂直布置，有一對角型，也就是，從該幀的底部一直延伸到窗玻璃的底部邊緣。不管如何他們的具體位置，車門防撞梁乘客堅固的結構，最直接、最有效的保護，這可以減少乘員的力量可以從外面受苦。事實證明在車門沖擊梁擊中固定物體（如樹）時的保護作用是很明顯的。豪華車采用了空間框架結構、成分大多是多功能的大型鑄件，大型整體結構和鍛件比例高，可以減少身體各部分的數(shù)量，一系列的優(yōu)化，輕量化設計使得整車的同時提高安全性能。

3結語

實際上在應對節(jié)能與環(huán)保的問題上，國際車企對于輕量化都十分重視。目前歐洲、美國、日本等主要汽車生產(chǎn)廠商都在推進汽車輕量化項目。目前國際上平均每車每年自重減輕1%，國內(nèi)自主乘用車較國外同類車自重高約8%～10%，國內(nèi)自主商用車較國外同類車自重高約10%-15%。正是看到這種差距，國內(nèi)整車廠和研發(fā)機構共同成立了“汽車輕量化技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”，試圖通過聯(lián)合研發(fā)一定時間內(nèi)達到跨國公司目前整車的輕量化水平。相信在不久的將來，輕量化汽車將會走進千家萬戶。與“新能源”技術共同打造一個更加環(huán)保的地球。

[責任編輯：楊玉潔]