汽車應用材料輕量化淺談

孟祥龍

摘 要：作為實現節能減排的重要措施之一，汽車新材料、先進的設計和工藝制造技術，能促進汽車工業可持續發展。輕量化材料一方面節約汽車制造成本，另一方面還可以低碳環保循環利用。新材料和新技術之間相輔相成，先進的工藝技術為輕量化材料更新提供基礎，新材料的廣泛應用推動工藝技術的發展。

關鍵詞：汽車;內外飾;結構設計;成型工藝

1 汽車內外飾輕量化發展現狀

1.1 鋁合金替代鋼材

（1）鋁合金的應用。鋁合金作為輕質金屬，是汽車輕量化的理想替代材料。鋁合金在汽車領域的用量在逐步增加，且種類越來越多樣化，汽車車身使用鋁合金作為主要材料的趨勢正在形成。

（2）應用于汽車上的鋁合金部件。奧迪在A8車型上使用了全鋁合金車身，其剛度提高60%，焊點減少40%，重量更輕。無論是靈活性、安全性，或平穩性均表現出色。而在內外飾上有眾多的零部件實現鋁合金替代鋼，如儀表臺橫梁，由于強剛度指標要求，長期以來橫梁都是采取鋼材支架焊接的方式。而目前寶馬，奧迪等車型已經在使用鋁合金設計的橫梁，其比鋼橫梁要減重40%。

其他眾多的零部件應用如座椅支架、發動機周邊部件等。

1.2 熱塑性塑料的應用

熱塑性輕量化塑料LFT-PP，以金發的材料為例，其增強玻璃纖維長度達6-25 mm（SFT-PP是0.2-0.6 mm），由于出色的力學性能、機械性能和熱老化性能成為比較理想的輕量化產品的原材料。LFT-PP材料目前應用范圍是“以塑代鋼”，如前端模塊，后尾門。目前汽車市場上，眾多的品牌如日產、雷諾、標致等相繼研發出LFT-PP的塑料后尾門，相比鋼制后尾門，減重達30%，其作為注塑工藝應用在后背門上是前瞻性的輕量化工藝;注塑后尾門有輕量化、模塊化、產品精度高等特點。

2 內外飾輕量化的設計原則

2.1 人機交互原則

所謂人機交互就是駕駛者或乘客在使用汽車時與車輛系統的“對話”，這種對話必須合理、簡單、易用，因而設計過程必須充分考慮這三個基本人機交互原則。汽車輕量化設計絕不能違背這些原則或者說犧牲人機交互的某些原則，可以說輕量化設計難度要比一般意義的設計要大得多，輕量化設計就是在滿足原有指標基礎上增加指標條件，而這些條件都是充分必要條件。

2.2 節能環保原則

隨著社會經濟發展，可持續發展成為我國工業發展的基本策略，而節能環保則是可持續發展的重要一環。輕量化設計過程必須考慮運用此材料和工藝的各個環節是否可以保證節能環保，任何一個環節如果對環境造成不良影響將導致設計推行艱難，最終有可能導致設計永遠停留在設計階段，不能導入生產的輕量化設計沒有任何意義。

2.3 安全法規原則

汽車內外飾輕量化必須在滿足國家安全法規的前提下，減重才有意義。安全性保障是汽車內飾輕量化設計的一個基本的原則。這一原則不僅要求內飾的材料本身的強度要符合要求，而且要求產品本身設計可以作為其他產品的載體，可以滿足一定的負荷要求。除了承載的載荷之外，對于內外飾設計的安裝（固定）強度也有著一定的要求，最基本的就是要能承受車輛高速運行過程中產生的主動和被動沖擊載荷，強度和穩定性都能符合設計驗證（DV）要求。

3 汽車應用材料輕量化的具體運用

3.1 塑料材料在汽車內裝飾中的運用

在汽車內裝飾零部件主要包括門內裝飾、車廂隔板、扶手、儀表板、頂板、座椅、地毯。傳統的汽車車內裝飾主要是以金屬、木材、人造革、毛氈、針織品等為構造結構，其中塑料材料在其中運用不到一半分量，使得汽車內部可視性、舒適度和觸感都明顯不足。而如果汽車內裝飾提高塑料材料在設計、制造中的分量，則不會出現上述問題。我國塑料材料的運用于國際水平還有相當大的差距。

3.2 汽車用碳纖維復合材料的應用

（1）底盤傳動系統方面應用。以DodgeViper型跑車為例，碳纖維復合材料就被應用到了擋板支架系統中，實現了碳纖維在大型底盤及車身外部件的應用，該車型的碳纖維擋板支架重量僅在1.9千克左右，碳纖維復合材料中有摻加55%碳纖維碎屑，受無其他填充物的影響，其密度較低，約為1.4 g/cm3，加之金屬零件的減少，從而就在一定程度上實現了減重。值得注意的是，雖然碳纖維復合材料擋板支架壁厚在2毫米左右，但其卻發揮著較強的支撐作用，可將車身前端支撐起來，通過與其它零件的有效連接，剛性也得到了明顯的提高。

（2）壓氣機葉輪應用。汽車渦輪增壓器壓氣機葉輪的制造，有利于減輕葉輪質量，這不僅會降低轉子慣量，且還可促進轉子加速性能的提高，在一定程度上減少了渦輪增壓器響應滯后時間。同時，為進一步達到葉輪強度、耐久及可靠性方面的要求，就需處理了碳纖維表面，實現了碳纖維復合材料強度的提高，這主要是因為基體樹脂使用了玻璃化轉變的溫度聚醚酮，相較于鋁合金，復合材料的就充分體現出了較高抗拉強度優勢。

（3）制動器襯片應用。針對汽車制動器的襯片而言，其構成材料主要為石棉摩擦材料，當處于高溫制動情況下時，該材料極有可能發生摩擦性能“熱衰退”，且所產生的石棉粉塵，還具有致癌風險，會危害的人體健康。基于此，現階段各國都加大了對新一代摩阻材料的研究，旨在替代石棉摩擦材料，碳纖維復合材料通過其強度高、耐熱性強等特點，已逐漸取代了石棉。

（4）傳動軸應用。在制造傳動軸的過程中，碳纖維復合材料的應用能夠實現對整體結構重量的減輕，且振動噪聲較小，不僅促進了傳動軸臨界轉速的提高，且還在一定程度上減輕了后期的維護費用。

（5）在變速箱同步器齒環中的應用。針同步器而言，其屬于機械式手動變速箱的主要零部件之一，發揮的作用極為關鍵，實現了換擋操縱的進一步簡化，這在減輕司機勞動強度的同時，也在一定程度上規避了換擋沖擊。同時，從同步器的結構來說，摩擦環屬于重要零件，通過錐面產生的摩擦力矩，可促使兩個換擋元件間的同步運轉。但就目前來說，傳統的同步器已漸漸無法滿足現代化機械要求，而碳纖維摩擦材料同步器通過其使用時間長、高強度等特點得到了較好的應用。

4 結束語

汽車減重顯然能帶來很多的好處，但從目前市場表現來看，我國的輕量化技術起步較晚，缺乏經驗，仍未建立起完善的產業鏈。在汽車輕量化之路上，仍然面臨著眾多難題。當前，隨著新能源汽車的發展，輕量化更是重中之重。

參考文獻：

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[2]崔許剛，陳緒強，康繼超，等.淺談汽車內外飾結構設計及成型工藝[J].汽車與駕駛維修（維修版），2020（03）：70-71.