汽車輕量化及其材料的經(jīng)濟選用

孫瑞霞 王永強

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，而汽車零部件材料的選擇是實現(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)濟化出發(fā)，對未來輕量化材料的選用進行研究，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、高強度鋼和碳纖維復(fù)合材料等。結(jié)合我國汽車的發(fā)展和輕量化材料的應(yīng)用，重點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；選用

1、前言

汽車問世相當(dāng)長的一段歷史時間內(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)來選擇合適的外形。但是，進入20世紀70年代以后，世界性能源危機及其對全球經(jīng)濟的沖擊，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)濟性的主要措施有3個方面：一是減少汽車整備質(zhì)量；二是提高發(fā)動機效率；三是降低行駛阻力。車身是汽車的重要組成部分，它對車輛節(jié)能影響巨大，通常車身節(jié)能需要從構(gòu)造和形狀變化來改進之外，生產(chǎn)應(yīng)用材料的需求卻是改善節(jié)能設(shè)計環(huán)節(jié)的重中之重，在材料上既要充分考慮構(gòu)件的強度要求，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)動機散熱器、車身框架、輪轂和懸掛系統(tǒng)部件等。通過資料顯示：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，引起了世界各國的震動。[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)市場運用較為廣泛，比如日本大部分鋁鑄件為汽車鑄件，大多用于發(fā)動機懸置支架、車輪、進氣歧管、離合器殼體、發(fā)動機氣缸體等零部件。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慣性，達到節(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%。鎂合金抵抗震動及降低噪音的性能特佳，一般為鋁合金的6-30倍。鎂合金強固耐沖撞，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整體構(gòu)架的設(shè)計十分有利。鎂合金的韌性好，減震性強。鎂合金在受外力作用時，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、噪音而引起工人疲勞等場合的理想材料。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：室溫塑性差，耐腐蝕性差。

2.3鈦合金

鈦合金具有質(zhì)量輕，比強度高，耐腐蝕性好等優(yōu)點，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)動機系統(tǒng)。利用鈦合金制造發(fā)動機零件有很多處。鈦合金密度低，可以降低動件的慣性質(zhì)量和鈦閥彈簧自由振動的提高，降低車身晃動、提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速及輸出功率。降低動件的慣性質(zhì)量，達到減下摩擦力的效果，從而提高發(fā)動機的燃油效率。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，而達到發(fā)動機及整車的重量減輕， 從而實現(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法想象的效果。鈦合金的缺點：價格較貴、成本性較差和焊接性能差等問題。

2.4高強度鋼

高強度鋼是一種具有極高抗拉強度、屈服極限（通常大于1200MPa）和足夠結(jié)構(gòu)材料任性，分心超高強度調(diào)質(zhì)鋼和馬氏體時效鋼。汽車用普通鋼鋼板的厚度通常在0.7-0.75mm之間，而高強度鋼板厚度只有0.65mm甚至更薄，新款歐寶賽飛利的發(fā)動機蓋鋼板只有0.6厚。只需在每輛車上增加約2200人民幣的成本以購買高強度鋼材減輕車身質(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)合材料的機械性能優(yōu)于金屬材料，其抗拉強度高于鋼材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，也可以使公率需求更小，進而采用更小的發(fā)動機和懸掛裝置，通過減少動能而減少沖擊危險，這種螺旋式的結(jié)果將使車身質(zhì)量進一步減輕。因此用碳纖維材料代替原來的鋼制件、其輕量化效果明顯。

根據(jù)以上各材料的性能對比，現(xiàn)有汽車的材料和汽車對材料在物理性能、機械性能的要求。碳纖維復(fù)合材料具有很高的輕量化標(biāo)準(zhǔn)、剛度和強度的特點。目前市場上碳纖維引擎蓋只在高級轎車上有應(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)濟性成本相對其性能還不算高。

3、結(jié)語

文章對汽車輕量化材料的描述，介紹了在現(xiàn)實中輕量化所選用的各鋁合金、鎂合金、鈦合金、高強度鋼和復(fù)合材料，進一步講述了輕量化材料的使用對汽車輕量化方面所帶來的實際好處，以表明不同輕量化材料對汽車減重的幅度。帶動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高人們的生活質(zhì)量，對環(huán)境保護和減少各類資源的使用有著重要意義。

[參考文獻]

[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）