汽車輕量化及其材料的經(jīng)濟(jì)選用

孫瑞霞 王永強(qiáng)

摘 要：汽車“節(jié)能減重”是當(dāng)下汽車行業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)，而汽車零部件材料的選擇是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要技術(shù)途徑。本文回顧了汽車選材的發(fā)展史，從材料的技術(shù)成熟度和經(jīng)濟(jì)化出發(fā)，對(duì)未來(lái)輕量化材料的選用進(jìn)行研究，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼和碳纖維復(fù)合材料等。結(jié)合我國(guó)汽車的發(fā)展和輕量化材料的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了汽車輕量化主導(dǎo)材料的發(fā)展情況。

關(guān)鍵詞：汽車輕量化；材料；經(jīng)濟(jì)；選用

1、前言

汽車問(wèn)世相當(dāng)長(zhǎng)的一段歷史時(shí)間內(nèi)，節(jié)能并未引起人們足夠的重視。早期人們研究汽車的注意力大多集中在提高動(dòng)力性上，至于汽車車身也只以尊重人們的習(xí)慣為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇合適的外形。但是，進(jìn)入20世紀(jì)70年代以后，世界性能源危機(jī)及其對(duì)全球經(jīng)濟(jì)的沖擊，人們的節(jié)能目標(biāo)開始迅速想汽車工程材料滲透，車身隨之越發(fā)講究“輕、薄、短、小”了。改善車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的主要措施有3個(gè)方面：一是減少汽車整備質(zhì)量；二是提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率；三是降低行駛阻力。車身是汽車的重要組成部分，它對(duì)車輛節(jié)能影響巨大，通常車身節(jié)能需要從構(gòu)造和形狀變化來(lái)改進(jìn)之外，生產(chǎn)應(yīng)用材料的需求卻是改善節(jié)能設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的重中之重，在材料上既要充分考慮構(gòu)件的強(qiáng)度要求，又要考慮到車身總體重量和耐腐蝕的要求。[1]

2、汽車輕量化材料

2.1鋁合金

①變形鋁合金。工業(yè)中常用的鋁合金板條、擠塑材料和鍛造材料就是變形鋁合金，常用于汽車空調(diào)冷凝器、蒸發(fā)器、車身面板、裝飾件、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器、車身框架、輪轂和懸掛系統(tǒng)部件等。通過(guò)資料顯示：全鋁式的承載式車身在1990年所熱銷的本田NSX跑車上得到應(yīng)用，鋁材達(dá)到了31%，內(nèi)板使用5052-0合金，外板使用6000系列合金，骨架大部分使用5182-0合金，車身重量相比于冷軋鋼板輕200公斤，引起了世界各國(guó)的震動(dòng)。[2]由此可見，變形鋁合金的輕量化性比較突出。

②鑄造鋁合金。鋁鑄件在汽車工業(yè)市場(chǎng)運(yùn)用較為廣泛，比如日本大部分鋁鑄件為汽車鑄件，大多用于發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架、車輪、進(jìn)氣歧管、離合器殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體等零部件。這是由于鑄造鋁合金的合金元素種類繁多的緣故，經(jīng)過(guò)多種元素的大量加工以及恰當(dāng)?shù)墓に嚳梢陨a(chǎn)出種類繁多的鋁合金零部件。

2.2鎂合金

鎂合金比鋁合金輕33%，比鋼輕77%是普遍使用金屬材料結(jié)構(gòu)中最輕的材料。鎂合金在汽車上的采用將有效的降低汽車的啟動(dòng)慣性，達(dá)到節(jié)約油耗，降低環(huán)境污染。相同條件下，鎂合金成品的硬度是塑料的10倍以上。相同硬度條件下，約0.5公斤鎂的硬度程度等同于約0.8公斤的鋁和約1公斤的鋼。如果用鎂合金替換ABS塑脂，側(cè)制品重量可降低36%，厚度可降低64%。鎂合金抵抗震動(dòng)及降低噪音的性能特佳，一般為鋁合金的6-30倍。鎂合金強(qiáng)固耐沖撞，相同抗力下，厚度僅為塑料的33%。而鎂合金制造剛性好的性能對(duì)整體構(gòu)架的設(shè)計(jì)十分有利。鎂合金的韌性好，減震性強(qiáng)。鎂合金在受外力作用時(shí)，易產(chǎn)生較大的變形。鎂合金有很高的阻尼容量，是避免由于震動(dòng)、噪音而引起工人疲勞等場(chǎng)合的理想材料。鎂合金的熱容量低，凝固速度快、壓鑄性好、還具有優(yōu)良的切削加工性。鎂合金的缺點(diǎn)：室溫塑性差，耐腐蝕性差。

2.3鈦合金

鈦合金具有質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高，耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，故被廣泛應(yīng)用在汽車工業(yè)中，應(yīng)用最多的是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。利用鈦合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)零件有很多處。鈦合金密度低，可以降低動(dòng)件的慣性質(zhì)量和鈦閥彈簧自由振動(dòng)的提高，降低車身晃動(dòng)、提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及輸出功率。降低動(dòng)件的慣性質(zhì)量，達(dá)到減下摩擦力的效果，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率。鈦合金的選用可降低相關(guān)部件的乘載能力、縮小部件大小，而達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)及整車的重量減輕， 從而實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的目的。鈦合金在汽車其他方面上的應(yīng)用可增加乘員的舒適性和汽車美觀等。鈦合金在汽車節(jié)能減排方面起到了無(wú)法想象的效果。鈦合金的缺點(diǎn)：價(jià)格較貴、成本性較差和焊接性能差等問(wèn)題。

2.4高強(qiáng)度鋼

高強(qiáng)度鋼是一種具有極高抗拉強(qiáng)度、屈服極限（通常大于1200MPa）和足夠結(jié)構(gòu)材料任性，分心超高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼和馬氏體時(shí)效鋼。汽車用普通鋼鋼板的厚度通常在0.7-0.75mm之間，而高強(qiáng)度鋼板厚度只有0.65mm甚至更薄，新款歐寶賽飛利的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鋼板只有0.6厚。只需在每輛車上增加約2200人民幣的成本以購(gòu)買高強(qiáng)度鋼材減輕車身質(zhì)量就能節(jié)省約5%的燃油。另外，降低車身質(zhì)量，還可以有效減輕剎車系統(tǒng)的負(fù)荷并提高。

2.5碳纖維復(fù)合材料

汽車上常用的碳纖維復(fù)合材料的密度為1.5-2.0g/cm3，只有普通鋼的25%-20%，比鋁合金還要輕33%左右，但碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能優(yōu)于金屬材料，其抗拉強(qiáng)度高于鋼材3-4倍，剛度高于鋼材2-3倍。因此使用碳纖維材料，在減輕車身質(zhì)量的同時(shí)，也可以使公率需求更小，進(jìn)而采用更小的發(fā)動(dòng)機(jī)和懸掛裝置，通過(guò)減少動(dòng)能而減少?zèng)_擊危險(xiǎn)，這種螺旋式的結(jié)果將使車身質(zhì)量進(jìn)一步減輕。因此用碳纖維材料代替原來(lái)的鋼制件、其輕量化效果明顯。

根據(jù)以上各材料的性能對(duì)比，現(xiàn)有汽車的材料和汽車對(duì)材料在物理性能、機(jī)械性能的要求。碳纖維復(fù)合材料具有很高的輕量化標(biāo)準(zhǔn)、剛度和強(qiáng)度的特點(diǎn)。目前市場(chǎng)上碳纖維引擎蓋只在高級(jí)轎車上有應(yīng)用，并沒有大規(guī)模應(yīng)用，還是比較新穎的輕量化材料，材料的經(jīng)濟(jì)性成本相對(duì)其性能還不算高。

3、結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)汽車輕量化材料的描述，介紹了在現(xiàn)實(shí)中輕量化所選用的各鋁合金、鎂合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼和復(fù)合材料，進(jìn)一步講述了輕量化材料的使用對(duì)汽車輕量化方面所帶來(lái)的實(shí)際好處，以表明不同輕量化材料對(duì)汽車減重的幅度。帶動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高人們的生活質(zhì)量，對(duì)環(huán)境保護(hù)和減少各類資源的使用有著重要意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1][德]弗蘭克.哼寧 [德]埃爾偉拉.穆勒。輕量化材料和屬性， 2015.03.

[2]王宏雁 陳君毅。 汽車車身輕量化結(jié)構(gòu)及輕質(zhì)材料，2009.08.

（作者單位：黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950）