汽車輕量化技術方案及應用實例

高 陽

（神龍汽車有限公司，武漢 430056）

汽車是國民經濟的重要支柱產業，帶動了上下游產業鏈的同步發展，但尾氣排放、環境污染、能源消耗等問題日趨嚴重。國務院早在2012年6月就發布了《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020年）》，要求乘用車的平均燃料消耗量由2015年的6.9 L/100 km降低到2020年的5.0 L/100 km[1]，如圖1所示。這對汽車生產廠家來說壓力非常大，而輕量化是解決這些問題的有效方法之一。我國于2007年12月成立了“汽車輕量化技術創新戰略聯盟”，由一汽、東風、上汽、北汽、長安、長城、吉利、奇瑞、中汽院、寶鋼、西南鋁和吉林大學等16個成員單位共同組成，試圖在一定時期內聯合研發達到跨國公司整車的輕量化水平。輕量化作為一門綜合學科，促進了現代汽車設計技術的發展。目前輕量化技術的主要思路是：在兼顧產品性能和成本的前提下，采用輕質材料、新成型工藝并配合結構上的優化，盡可能地降低汽車產品自身重量，以達到減重、降耗、環保、安全的綜合指標。

圖1 我國車企平均油耗限值

1 新材料技術

在研究與開發的實踐過程中，在現有設計技術難有重大突破之前，新材料的應用往往成為輕量化的首選方案，這也為輕量化材料技術迎來了更廣闊的市場。據不完全統計，在構成汽車的全部材料中，金屬材料約占66.9%，非金屬材料約占28.5%，液體材料約占4.6%。目前在得到應用的輕量化材料中，金屬材料仍占主導地位，這其中鋼鐵材料的比例在逐年緩慢下降。

表1 部分汽車用高強度鋼板的種類

1.1 金屬材料

1.1.1 高強鋼

據統計，客車、轎車和多數專用汽車車身的質量占整車自身質量的40%～60%，貨車車身質量占整車質量的16%～30%[2]，車身材料的輕量化舉足輕重。研究表明，當鋼板厚度分別減小0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm時，車身質量可分別減少6%、12%、18%[3]。高強鋼具有強度高、質量輕、成本低等特點，而普通鋼是通過減薄零件來減輕質量的，它是汽車輕量化中保證碰撞安全的最主要材料，可以說高強鋼的用量直接決定了汽車輕量化的水平。另一方面，它與輕質合金、非金屬材料和復合材料相比，制造成型過程相對容易，具有經濟性好的優勢。

高強鋼是按照抗拉強度或屈服強度來劃分的，表1給出了汽車行業常用的高強度鋼板種類。

車身對鋼板的要求是塑性好和強度高，第三代高強鋼（強塑積A·Rm在30～40 GPa%之間）依然是目前汽車用鋼中研發的熱點，將來的發展趨勢和主要路徑有：（1）開發低錳、中錳TWIP鋼。（2）雙相鐵素體-奧氏體鋼。（3）采用新型處理工藝如淬火分配（Q&P），生產淬火延性鋼。（4）超快速加熱和冷卻，得到超細顯微組織。

據2007年歐洲白車身用鋼會議資料，各獲獎車型高強鋼用量占白車身的質量比例為 ：Honda Accord 49%，Ford Mondeo 60%，Fiat Grade Punto 67%，Opel Corsa 68%，Audi A5 68%，Volvo V70 70%，Nissan Qashqai 71%，Mercedes C-class 74%[4]。當年國內自主品牌車應用高強鋼的比例平均只有25%，而近幾年新開發的高強鋼應用比例大都超過45%，高的達到60%，變化非常明顯?？梢姡c國外先進車型相比，自主品牌還存在一定差距，但近年增長趨勢明顯。目前高強鋼（包括超高強度鋼）多應用于汽車車身、轉向、底盤、懸架等汽車零部件。

1.1.2 鋁合金

鋁的密度只有鋼的1/3，強度卻與低碳鋼接近，是很好的輕量化材料。鋁合金在汽車上的應用已有幾十年的歷史，從最初的受力不大的鋁散熱器、鋁支架到發動機殼體、變速器殼體、離合器殼體，鋁車輪（以上全部為鑄造鋁合金），再到三角臂、轉向節、鋁制橫梁，最后到鋁機罩、翼子板、車身覆蓋件（這些零件多數采用變形鋁合金）。

用鋁合金板材做汽車沖壓件也有很多難點，工業化過程中要解決抗時效穩定性、烘烤硬化性、成形性、翻邊延性、抗凹性、油漆的兼容性等技術難題。圖2為神龍汽車有限公司最新開發的鋁合金在汽車上的典型應用實例，某車型發動機機罩外板使用6016-T4、內板使用5182-O，后橫梁使用6351-T6。目前國內能供應鋁汽車板的廠家有諾貝利斯（NOVELIS）、天津忠旺（ZHONGWANG）、日本神戶（KOBELCO）、重慶西南鋁（SOUTHWEST ALUMINUM）、福州中鋁瑞敏（CHALCO）等。

圖2 鋁合金的應用實例

1.1.3 鎂合金

鎂的密度僅為鋁的2/3，是所有結構材料中最輕的金屬，具有比強度和比剛度高、容易成型加工、抗震性好等優點。采用鎂合金制造汽車零件能在應用鋁合金的基礎上再減輕15%～20%，輕量化效果十分可觀，但成本偏高于鋁合金和鋼。

圖3為神龍汽車有限公司新開發的鎂合金在汽車上的典型應用實例。圖3a為采用變形鎂合金AM50A制造的方向盤骨架，硬度為61～63 HB，金相組織為α鎂基體+β相，應用在全部車型上；圖3b為用壓鑄鎂合金AZ91D制造的用于某車型手制動操縱臂和基座，金相組織為α鎂基體+β相（Mg17Al12），硬度為58～60 HB，屈服強度162 MPa，抗拉強度235 MPa，延伸率4%，各向強度驗證合格，僅操縱臂就可減重190 g。

圖3 鎂合金的應用實例

關于其它零件的鎂合金材料輕量化工作，今后的研發方向是座椅骨架、儀表盤骨架、ECU殼體、升降器殼體，以及難度相對大一些的油底殼、凸輪軸罩蓋和轉向機轉向殼體等零件，主要還是用在支架類和殼體類零件上。

1.1.4 鈦合金

鈦的密度為4.5 g/cm3，介于鋼和鋁之間，具有高強度、耐高溫、耐腐蝕等優良性能，也被幾大汽車生產廠家所關注。日本豐田曾生產出改良型的鈦合金，材料以TC4為基體、TiB為增強體，采用粉末冶金法生產，最早用于發動機連桿，抗拉強度要高于普通高強鋼20%以上[5]。美國也已生產出賽車用的鈦制進排氣門、氣門護圈等發動機零件，將來有望擴展到傳動系統與減振零件上。

鈦作為一種“航空金屬”，成本過高是限制它在普通汽車上應用的瓶頸。隨著材料科學技術的進步，通過不斷降低鈦合金的生產和加工成本，將來它在汽車領域應該會有更大的應用空間。

圖4 鈦合金發動機連桿

1.1.5 高強度鑄鐵

球墨鑄鐵的密度比鋼小約10%，以球鐵代鋼可以產生一定的輕量化效果。普通球鐵經過等溫淬火形成的奧貝球鐵（Austempered Ductile Iron，ADI），基體組織為貝氏體B+殘余奧氏體A’，抗拉強度可達1 400 MPa，韌性好、有自硬性，超過了調質鋼和滲碳鋼的強度水平。熱處理工藝曲線如圖5所示，淬火介質可以是油、氣體、硝鹽等，目前的研究方向是用ADI代替鋼制造汽車輪轂、轉向節臂、發動機正時齒輪、曲軸和連桿等零件[6]。例如，用ADI代替鍛鋼制造曲軸可以減重10%，而成本比鋼要低。

圖5 奧貝球鐵熱處理工藝

蠕墨鑄鐵（Vermicular Graphite Cast Iron）的鑄造性和機械性能介于灰鐵和球鐵之間，較適于制造強度要求較高和要承受熱循環負荷的零件，如氣缸體、氣缸蓋、排氣歧管和制動鼓等。例如，用蠕墨鑄鐵制成的氣缸體比灰鑄鐵要減重16%，而結構剛度提高了12%～25%。

1.1.6 粉末冶金材料

粉末冶金是將金屬粉末放入模具壓成生坯，以適當的溫度燒結，冷卻后出模而成為零件的技術。與鑄造件相比，它省略了熔煉工藝，是一種無污染的節能材料；與其它材料零件相比，它省略了機械加工，屬一次成型零件，因此，價格相對較低，又因密度比鋼小，所以也是輕量化材料。

圖6為神龍汽車有限公司近些年開發使用粉末冶金材料在汽車上的典型實例，主要有：（1）變速器傳動齒輪，材料為F50-N2U2-68，與鋼齒座激光焊接后進行整體碳氮共滲。（2）變速器5擋同步器齒座，采用F60-U2D2-66材料壓制燒結成型，然后組裝到同步器上進行滲碳處理。（3）某型號發動機進排氣閥座，采用雙層粉冶材料（3115+5715），燒結過程中用滲銅來填充空隙增加零件的強度，在出爐過程中快冷。開發的其它零件還有：曲軸正時齒輪F50-U3-66、凸輪軸相位傳感器靶齒和機油泵轉子等。以上材料的密度多數只有6.6～6.8 g/cm3，因此具備一定的輕量化效果。目前在整車上的用量約5～6 kg，將來有望進一步推廣應用的零件有：同步器滑塊、氣門導管、發電機電刷和減磨零件含油軸承等。

1.2 塑料、橡膠和皮革等非金屬材料

塑料是重要的非金屬輕量化材料，具有比重小、成本低、易于加工、耐蝕性好等特點，在汽車行業中的應用前景被看好。正因如此，包括尼龍PA、聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC、聚氨酯PU、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯ABS等在內的塑材市場得以迅速放大。

圖7為神龍汽車有限公司最新開發的塑料在汽車上使用的典型實例。圖7a為某B級車上應用的搪塑儀表板，原材料為PP+EPDM-T20，厚度2.5 mm，改進后應用材料為PP-LGF20，平均厚度2 mm，結合發泡工藝，減重效果達30%；圖7b為采用塑料踏板代替鈑金結構踏板，集成化程度大大提高，減輕了0.2 kg。

圖7 塑料輕量化的應用實例

此外，在橡膠及彈性體材料方面，成功開發了內層為氟橡膠（FPM）或氟硅橡膠（FVMQ）、外層為硅橡膠（SI）的渦輪增壓器出氣端耐高溫耐油橡膠管零件。在內外窗臺密封條、車門導槽密封條等靜態車身密封系統上全面使用熱塑性彈性體（TPE）材料，也取得了微小的輕量化效果。

在面料及皮革材料方面，德國LANXESS公司推出X-Lite工藝，能將較薄粒面層制成高檔皮革產品，制成的皮革在厚度不變的情況下質量可減輕20%。

在膠、粘接劑及聲學阻尼材料方面，以及油料及油脂材料方面，很難再有輕量化的空間供挖掘，它們也不是汽車企業輕量化研發的重點，在此不做贅述。

1.3 玻璃

玻璃的輕量化主要是在不降低耐刮性能和安全強度的前提下，從降低玻璃厚度和采用塑料玻璃兩方面著手。例如，前擋玻璃可由4.76 mm減薄到4.36 mm，后擋玻璃可由3.5 mm減薄到3.2 mm，門玻璃可由3.2～3.5 mm減薄到2.8 mm。塑料玻璃如聚碳酸酯（PC）玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）有機玻璃等，強度得到提高，質量得以減輕。

1.4 復合材料

復合材料即纖維增強塑料，這里主要是指碳纖維復合材料（CFRP），它具有重量輕、剛性好、易塑性高、吸能性好、耐腐蝕等優點，可用于制造車身、底盤、傳動軸等結構件，以及尾翼、內飾面板等裝飾件。碳纖維零件是由碳纖維絲束貼制而成，絲束是技術關鍵，常有的加工成型方式有噴射成型、層壓成型、纏繞成型、拉擠成型、反應注射成型、團/片狀模塑料成型、樹脂傳遞模塑成型等。

碳纖維復合材料成本很高，中國產能又低，目前主要集中應用在一些賽車和小批量高檔轎車上。例如，采用T300碳絲+環氧樹脂代替SMC+ABS制造的某車型車身頂蓋，質量由9.7 kg減到5 kg，但單件產品成本從三百多元翻了近五番。

值得一提的是，其它如精細陶瓷、金屬基復合材料、非金屬基復合材料等也是未來汽車輕量化發展的可選項。

2 先進成型工藝技術

為進一步達到減重降本的目的，除了開發應用以上材料外，一系列適應這些新材料的先進工藝，如熱成型、激光焊接、液壓成型、差厚軋制、徑向鍛造、半固態成型等應運而生。

2.1 熱成型

熱成型技術是基于高強鋼冷沖壓成型中普遍存在塑性范圍窄、易開裂、回彈大等問題而發展起來的板材成形新技術，通常在900～950 ℃的奧氏體狀態下沖壓，并在模具內淬火冷卻，其工藝原理如圖8所示。汽車上應用熱成型技術的典型鋼種是22MnB5，抗拉強度可達1 500 MPa。

圖8 熱成型工藝原理圖[7]

神龍汽車有限公司在近年推出的多個車型上，均使用了熱成型技術來降低車身質量，且新車型中還呈現出應用比例越來越高的趨勢。以其中某個車型為例，應用熱成型技術的零件共計20多個，總質量超過50 kg，主要有右/左前上縱梁、立柱加強板、風窗支柱里板、頂蓋弧形里板、前后門側防撞加強板、右/左前內縱梁角撐等，如圖9所示。

圖9 熱成型在車身上的應用

2.2 激光拼焊

激光拼焊可將不同厚度、不同強度的鋼板焊接成一個板坯后沖壓成形，與傳統工藝技術相比，應用在車身制造上有減少零件數量、減輕車身自重、減少模具投入和生產流程、增加安全性等優勢[8]。典型的應用零件有車門內板、前地板、前后輪罩、側圍、A/B/C柱等等。

除了激光拼焊外，摩擦攪拌焊（Friction Stir Welding，FSW）已用在神龍汽車有限公司絕大部分傳動軸的空心軸管與軸頭的連接上。鎖鉚、點膠焊、超聲波焊、超塑性擴散連接等技術也將逐步得到應用。

2.3 液壓成型

液壓成型是利用流體介質的高壓施力，將放在密閉模具中的管件或板料貼合凸模或凹模變形成所需形狀零件的工藝技術，它在節省材料、簡化模具結構、降低生產成本、減重的同時提高了零件整體的強度和剛度。液壓成型作為一種近凈成形技術，受到世界各大汽車公司的青睞，可被用于制造排放系統、發動機支架、曲軸、座椅框架、后橋部件等[9]。圖10為神龍汽車有限公司開發使用液壓成型技術生產的后橫梁。

圖10 液壓成型后橫梁

2.4 差厚軋制

差厚軋制即變截面軋制，生產板厚沿長度方向按一定形狀變化且精度高的縱向變截面鋼板（TRB），可節省鋼材用量，減少焊接次數，是一種輕量化的節約型鋼板[10]。例如，圖11為神龍汽車有限公司近年開發應用的右/左前上縱梁，它的厚度在1.4～1.85 mm之間變化。

2.5 楔橫軋和徑向鍛造

楔橫軋是將加熱后的圓形坯料送入兩個帶有楔形模的軋輥中，坯料發生徑向壓縮和軸向壓縮形成階梯軸的成型工藝。某種手動變速器的二軸采用楔橫軋技術成型，如圖12所示（一模兩根），相比熱鍛和冷鍛產品節省了毛坯用量、提高了生產效率并且改善了工作環境，適合批量生產。

圖11 差厚軋制右/左前上縱梁

圖12 楔橫軋設備（左）、變速器二軸（右）

徑向鍛造是專門加工實心或空心長軸類零件的旋轉鍛造工藝，鍛造時，分布在棒料圓周方向的錘頭（2～8個）對工件進行快速和同步鍛打。圖13為某車企應用徑向鍛造法生產的四驅分動器空心輸入軸，與實心軸相比，減少了加工成本，材料節省了40%，實現了輕量化。

圖13 采用徑向鍛造工藝制造的四驅分動器輸入軸

除以上工藝介紹外，其它的先進制造成型技術還有半固態成型、高真空壓鑄成型、噴射成型、氣體輔助注射成型、電磁成型、無模多點成型、泡沫鋁、塑料微發泡成型等等，待時機成熟后有望在汽車零件產品中得到應用。

3 結構優化技術

CAD/CAE/CAM計算機輔助技術涵蓋了汽車設計和制造的各個環節，輕量化的另一手段就是在汽車零部件概念設計、初始結構設計、產品工程設計及樣車制造過程中做相關結構的分析和優化，或去除零部件的冗余部分、或減少搭接（如花邊形設計）、或改變結構，以實現對汽車零部件的精簡化、整體化和輕質化。這是從源頭設計上就開始著手做文章，主要運用ANSYS、UG、CAD、CATIA等軟件，手段有形貌優化、尺寸優化、拓撲優化（包括多種輕量化材料的匹配、零部件的優化分塊）、有限元分析和模塊化集成設計等。

下面僅結合神龍汽車有限公司的實際應用情況作兩個實例展示。

實例（1）：三角臂在汽車行駛于不平路面時起平衡支撐作用，原采用圖14a的結構，制造材料為非調質鋼30MnVS。更改后材料為具有高擴孔性的鐵素體-貝氏體鋼FB60（FB- Ferrite and Bainite Steel），結構如圖14b所示，質量減輕近50%，制造能耗降低65%。今后還將進一步研究鍛鋁材料在三角臂上的應用。

圖14 三角臂結構變更

實例（2）：凸輪軸控制著氣門的開啟和閉合動作，是發動機里的重要部件。原來采用圖15a所示的實心結構，制造材料為鑄造冷激灰鑄鐵GLA1，關鍵是控制凸輪軸桃尖部位的硬度和白口層深度，保證整體成型后桃片部分耐磨耐用。更改后采用裝配式空心結構，如圖15b所示，空心管材料為E355（相當于國產Q345）、桃片材料為GCr15，兩者的裝配工藝有花鍵式連接和熱套法過盈配合連接，質量相比減輕20%，制造能耗降低50%。今后還將進一步研究粉末冶金材料在凸輪軸上的應用。

圖15 發動機凸輪軸結構優化

上汽技術中心范軍鋒等[11]指出，以計算機輔助作為獲取知識的手段，建立汽車零部件性能數據庫及成形工藝咨詢庫；建立常用車型材料在成形前、后及不同使用時間的參數庫；建立吸能部件優化設計專家系統，開發新一代汽車CAE軟件系統。通過建立這些數據庫和專家庫，大幅度提高我國汽車結構設計水平，可為快速進行汽車結構輕量化設計提供有力的手段和有效的工具。

4 結語

綜上所述，在汽車工業快速發展的今天，推行汽車輕量化技術應該牢牢掌握新材料應用、先進成型工藝、結構優化設計三個重點，設計是龍頭、材料是基礎、工藝是橋梁，實際開發中往往是這三方面綜合應用的結果。

輕量化也是一個多學科、多領域交叉的系統工程，不僅為實現汽車減重，還應同時兼顧產品的成本、質量、功能、NVH和可回收性等要素。相信在政府部門、汽車生產企業、零部件供應商和消費者群體的共同努力下，汽車輕量化工作會朝著更加節能、環保、智能化、信息化、系統化的方向發展。

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