现代汽车新技术相关论文

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现代汽车轻量化技术的发展

姓名：左巍

学号： 10230221 学院：机电与汽车工程学院专业：汽车1002班

指导老师：邓涛

重庆交通大学机电与汽车工程学院

2013年11月

现代汽车轻量化技术的发展

摘要：

近十多年来，世界汽车工业面临着三大问题：能源、公害和安全。由于能源危机和环境问题的日益突出，现阶段世界各国均十分关注汽车轻量化技术。从汽车轻量化对能源、环境和汽车性能的影响入手，指出了轻量化研究的整体思路；介绍了当今世界先进汽车轻量化设计的概况、作用和目前汽车用轻量化材料的使用情况和性质；分析了汽车轻量化发展面临的技术和成本问题，为汽车的轻量化项目的进一步开展提出了建议。

Abstract：Over the past decade, the world automobile industry was faced with three major issues: energy, pollution and safety. At this stage, the world are very much concerned about the lightweight technology of automotive, for the energy crisis and environmental issues have become increasingly prominent. From the auto motive's lightweight in faction on the energy, environment and vehicle's performance, research ideas of vehicle’s lightweight technology were pointed out. The overview and function of vehicle's lightweight technology in the world were introduced.Now, using condition and performance of the lightweight vehicle's materials also were introduced. By analyzing the confronting problem of the deve lopment of vehicle’s lightweight technique, the suggestions of how to develop the projected of vehicle's lightweight technology were proposed.

关键字：

轻量化（light weight）；材料（material）；油耗（oil wear）

正文：

能源短缺及环境污染问题已成为制约我国汽车产业可持续发展的突出问题，无论是从社会效益还是经济效益来考虑，低油耗、低排放的汽车都是节约型社会发展的需要。汽车轻量化技术是汽车节油的重要手段，试验表明：汽车质量每下降10%，油耗约下降3%～5%。

自上世纪70年代以来，随着材料技术和设计制造技术的进步，汽车自身质量逐年减少。以美国为例，上世纪80年代初，中型轿车平均质量为1520kg；90年代初下降至1475kg;90年代末下降至1230kg；1985～1995年期间，轿车质量平均每年减少0.9%。20世纪末和本世纪初世界各国先后出现了百公里油耗3L的汽车，这类汽车的质量基本上处在750～850kg之间，比现今同类车轻50%。1998年德国大众推出的路波3L T D I，汽车自身质量只有800kg。奥迪公司最近开发的紧凑型全铝轿车AudiA2，汽车自身质量只有895～990kg。

近十多年来，世界汽车工业面临着三大问题：能源、公害和安全。众所周知，车用燃油是全球石油消耗的重要组成部分，全球汽车的石油消耗量达到每年90 亿桶，约占世界石油总产量的40％（2003

年数据）。为了应对可能的能源危机，在不降低汽车性能的情况下，降低汽车油耗具有重大的现实意义。从环境角度看，汽车每年向大气中排放的二氧化碳量多达40 亿吨，占世界全部二氧化碳排放量的25％，而其它汽车排放物如氮化物、硫化物、微粒物等也是大气污染的重要因素。因而各国政府先后制定了能源保护、废气排放、噪声和安全的有关法规。汽车技术的发展主要是围绕这三大问题进行的，其中能源问题尤为突出，可以说是汽车工业发展与变革的动力。

欧、美、日等国家在数年前已开始重视能源及环保的议题并制定相关法令。轻量化、环保回收及节约能源已成为全球汽车产业发展的趋势。我国国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会于2004 年10 月28 日联合发布了我国首个油耗强制性国家标准——GB

19578-2004 乘用车燃料消耗量限值，对我国汽车的燃油消耗作了上限规定，将分两个阶段实施。标准第一阶段实施后我国现有汽车油耗水平将降低5％～10％，第二阶段实施后油耗将比现在降低15％以上，这将使汽车厂商更注重汽车的节能降耗。此外，单从汽车销售的角度来看，随着油价的不断攀升，汽车油耗也越来越成为影响国家政策及消费者选择车型甚至是决定是否购车的重要因素。

1有效降低车用油耗的关键是汽车轻量化

汽车行驶方程式为：

sin 2 / 21.15 d F = G?f +G?α +δ?m?a + C ?A?v其中：F 为行驶阻力；G 为车重；f 为滚动阻力系数；α为道路坡度；δ为汽车旋转质量换算系数；m 为汽车质量；Cd 为风阻系数；A 为迎风面积；v 为车速。

汽车行驶阻力越大，耗油越多。汽车行驶阻力包括滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力和空气阻力等四项，从上式可以看出，其中前三项均与车重成正比。经验数据显示，空气阻力约占行驶阻力的25％。目前，减少这部分阻力的措施通常有：流线型车身、

全粘接挡风玻璃、隐蔽式雨刮器、下地板全封装等。这些措施能将风阻系数降到0.3，但这已到瓶颈，其进一步减小的可能性只能寄希望于更为流畅低矮的车身。只是这样不仅需要巨大的技术与资金的投入，且不适用于要求空间宽敞的日常用车，因而应该将目光转移到其它的阻力因素上。而剩下的75％，即滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力，从公式可以看出，均与车重成正比。因此，减轻汽车质量，就成为减轻阻力从而节约燃油的重要措施。

汽车轻量化是当代国内外汽车工业发展的一个重要课题：

（1）在保证汽车质量和功能不受影响的前提下，最大限度地减轻各零部件的质量，降低燃耗，减少排放污染。

（2）在使汽车减轻质量、降低燃耗、减少排放的同时，努力谋求高输出功率、高响应性、低噪声、低振动、良好操纵性、高可靠性和高舒适性等。

（3）在汽车轻量化的同时，汽车的价格应当下降或保持在合理水平，具有商业竞争能力，即汽车的轻量化技术必须是兼顾质量、性能、价格的技术。

汽车轻量化对汽车技术的不断发展起到了重要作用：

（1）降低油耗：汽车轻量化减小了汽车的滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力，这些都可以降低油耗。同时如果使动力性能不变，通过恰当的齿轮传动比也可以使油耗降低。根据宝马公司研究结果，汽车自身质量每减轻100 kg，可节油0.3～0.8 L/100 km。考虑到不同车型质量的不同，整车质量每降低1％，油耗可减少0.6～0.8％。如果以2002 年全球汽车总产量5800 万辆、每辆行驶寿命10 万公里计算，则仅这一年生产的汽车在整个寿命期间就能节约燃油3.48×1010 L，即2.2 亿桶（159 L/桶）。

（2）改善性能：汽车轻量化，有利于改善汽车

的行驶、转向、加速、制动等运动性能和排气性能等多方面的性能。其中，发动机的轻量化还可改善前轮荷重分担率，进而改善汽车的操纵稳定性，还可为降低噪声、振动、实现大功率化创造条件。同时还有利于减轻部件振动和降低噪声，提高舒适性能，对于某些承载件，其承载的重量减轻，有利于降低元件疲劳，提高耐久性。例如一辆重量1543 kg的汽车，若车重减轻25%，可使该车加速到60 km/h的时间从原来的10 秒减少到8 秒。

（3）波及效果：汽车各部分的质量是相互关联的。例如，发动机质量的减轻，使有关底盘部分也可以相应地减轻，即汽车整车减少的质量将大于发动机减少的质量；又如，车身零部件的轻量化，使支承它的行驶系统（车架、车桥、车轮、悬架等）

负荷减小，尺寸和质量即可适当减小，发动机和制动器也可相应减小、减轻。通常，当平衡系统中某个部位质量减少1 kg，给予整个系统的波及效果是质量减少K kg，称K 为增长因子，K 值因部位而异，汽车的K 值在1.5～2.0 之间。

然而现在随着人们对汽车安全性、舒适性、环保性要求的提高，汽车上空调、安全气囊、隔热隔音装置、废气净化装置、卫星导航系统、车载娱乐系统、无线电通讯、电子控制等设备越来越普及，这些装置无不在增加汽车的重量。以大众GOLF 车型为例，在过去的30 多年内重量从750 kg 增加到1070 kg。汽车上不断增加的装置与汽车轻量化的矛盾正不断挑战着汽车工程师。

2 汽车轻量化的措施

目前国内外汽车轻量化技术的发展迅速，主要的轻量化措施是如下所述。

（1）轻量化的结构设计和分析，而且这种设计已经融合到了汽车的前期概念设计阶段。由于计算机技术的飞速发展，目前利CAD/CAE/CAM 一体化技术可以实现汽车的轻量化设计、制造。计算规模、计算容量和计算速度对于各种实用程序来说已不是主要矛盾，有关理论与软件的不断发展进步使计算机辅助分析如虎添翼，计算机辅助分析（CAE）

技术将在汽车工业中起着越来越重要的作用。计算机辅助结构优化设计分析技术在汽车开发设计中的地位和作用如图1、图2 所示。它不仅使得汽车开发周期大为缩短，研发投入大大减少，而且使开发的产品更为优秀可靠。

图1 CAE 及优化技术在汽车开发中的作用变化

图2 汽车开发过程中的变化趋势

（2）轻质材料在汽车上的应用，包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等，并在前期与结构设计融为一体，以及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的研究应用。福特汽车公司负责研究工作的副总裁Dr. Willian F. Powers 在一次国际材料学会议上强调指出，21 世纪的汽车将发生巨大变化，而材料技术是推动汽车技术进步的关键，轻量化是今后汽车发展的关键。他认为，虽然通过优化目前所应用材料的设计可以减小质量，但大幅度地减小汽车质量，则要考虑汽车零件尽可能选用低密度的材料。

很多汽车公司都在发动机的活塞、散热器、油底壳、缸体和缸盖、曲轴箱、连杆、滤清器、发动机架等部件上采用铝合金材料。发动机使用铝材不光是带来了减重省油的效果。现在的轿车发动机多为前置式，造成前重后轻，为了保证良好的操纵稳定性和乘坐舒适性，必须平衡前后质量。宝马新7系发动机中的很多部件就由铝合金加工而成，另外还采用了铝合金引擎盖、铝合金保险杠等。除此以外，铝合金材料还被广泛用于车门、发动机罩、行李箱罩、地板和翼子板、座椅等，铝合金在汽车上已经无处不在，如奔驰S 级轿车中的铝件（图3）：前盖板、前围板、副车架、后桥、气缸体等。

图3 奔驰S 级轿车上的铝件

目前镁合金在汽车上一般用于：发动机部分的气缸体、曲轴箱、汽油和空气滤清器壳体、进气歧管、油泵、配电器、风扇等；底盘上离合器和变速器的壳体、车架、方向盘和转向器、轮毂等。如图4 所示的进气管、方向盘骨架、座椅骨架等。

图4 镁合金部件举例

近年来，塑料在汽车中的用量迅速上升，全世界平均每辆汽车的塑料用量2000 年就已达105 kg，约占汽车总重量的8%～12％。目前，发达国家车用塑料已占塑料总消耗量的7%～8％，预计不久将达到10%～11％。车用塑料的品种已经涵盖了聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、热固性复合材料、ABS、尼龙和聚乙烯等几乎塑料的所有领域。2005 年，我国车用塑料需求就达45 万吨，2010 年预计可达72 万吨。目前，塑料大都使用在汽车的内外饰件上，如仪表板、侧围内衬板、车门防撞条、扶手、车窗、散热器罩、挡泥板、车门外板、行李舱盖、扰流板、座椅支架等，为汽车饰件的软饰化、高档化、舒适化起到了很大的作用。塑料在汽车功能件上的运用也越来越多，例如发动机及其相关系统、冷却系统等。同时，塑料也在向制作车身覆盖件方向发展。

3 汽车轻量化发展面临的问题

轻量化的方法、技术、替代材料这么多，各有各的优势和缺点，那么使用现有技术和材料，汽车到底能做到多轻呢？美国通用汽车公司设计了一辆超轻型概念汽车，这辆汽车完全由手工制造，并且使用了多种减轻重量和提高燃油效率的技术，结果该超轻型概念汽车只有140 kg 重，相当于美国家用汽车平均重量的12％，用1 L 汽油可行驶45 km，仅为美国家用汽车平均耗油量的1/4。

不过必须看到，这还只是一种概念车，它的数据可能具有一定的指导意义，但现实意义有限，因此不能因此对轻量化前景产生盲目的乐观。如果把眼光拉近到现实中，可以看到，汽车轻量化虽然已成为未来潮流，但目前要在全行业广泛应用轻量化技术还为时尚早，主要原因就在于技术还不完善、成本仍然太高。以取得巨大轻量化成果的奥迪A8车型为例，使用ASF 技术的全铝车身减重200 kg，以每减重100kg 油耗减少0.6 L/100 km 计算，一辆A8 车在其行驶寿命10 万公里期间可省油1200 L，以欧洲市场油价1.12 €/L（2004 年5 月10 日价格）计算，可为车主省下1344 €，但是相比全铝车身带来的昂贵价格，消费者仍然是得不偿失。虽然对整个社会来说，轻量化将为能源、环境带来巨大的好处，但是具体到每一个消费者，他们却不得不在购车时为自己的钱包作打算，需要认真衡量一下轻质汽车的额外高价与省下的油钱相比哪一项更多。

图5 是汽车轻量化与设计成本、制造成本、材料成本之间关系的研究结果。研究结果清楚地表明，轻量化必须以昂贵的设计与制造成本为代价。汽车设计人员的任务就是兼顾重量与成本，争取将两者关系控制在图中阴影范围内的轻量化最优区域。

不仅是成本问题，纵览全局还可以发现，轻量化目标的实现不能只依靠汽车工业、汽车厂商自身的开发研究，同时还需要上下游产业的协作努力，如上游的材料、合金、专业分析模拟软件等技术，下游的回收、再生技术等，没有这些技术的不断进步与提高，轻量化的目标就只是空中楼阁。

图5 轻量化程度与成本关系图

4 结论

尽管面临种种障碍，人们仍然没有放弃努力，专业软件的开发成果越来越多，新材料技术、新生产技术和新设计方法不断进步，铝、镁、复合材料和特种钢等新材料在汽车制造中的使用比例在逐步加大。虽然在目前看来汽车工业短期内不会在减重方面出现革命性突破，但是由于不断地努力，人们实际上正在一步步接近制造出轻量廉价的新一代汽车的目标。

轻量化技术是一项涉及基础理论、工程设计、工厂制造、实践验证的内容丰富、涉及广泛的课题，必将经历一个努力的探索过程。经过努力，汽车将在不远的将来，以清洁、强大、轻量的崭新形象引导新一代的潮流。

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