新材料对汽车轻量化的影响

浅谈新材料对汽车轻量化的影响

【摘要】：随着能源和环境问题的日益严峻，对汽车实现节能减排具有重大影响的汽车轻量化成为重要的研究方向，文章列举了实现轻量化的四种途径，并论述了铝合金在发动机、车身领域的应用。预测轻量化必将有更大的进步。

【关键词】：轻量化，铝合金，车身

About New Materials Influence Automotive Light Weight

Abstract：With problem of energy and environment becoming severe , Automotive Light Weight, which is important to automotive energy-saving and emission-reduction, becomes an important direction of research. The article lists four methods of realizing light weight.Discuss ing aluminum alloy apply to engine and car body. Predict light weight will progress a lot in the future.

Key words：Light Weight; Aluminum Alloy; Car Body

0 引言

当前世界汽车工业可持续发展面临着两大难题，即能源短缺和环境污染，而在我国这两者表现得更加突出。随着哥本哈根世界气候峰会的举办，越来越多的汽车企业开始重点关注节能减排。试验表明，减少汽车自身重量（汽车轻量化）是实现节能减排的最有效措施之一，数据显示，汽车自重每减少10%，燃油消耗可降低6%~8%，排放降低5%~6%，而燃油消耗每减少1L，CO2的排放量减少2.45Kg，可见汽车轻量化是实现节能减排的重要手段和方法。此外，轻量化对汽车的稳定性、噪声、加速、振动等方面也都有影响。

1 轻量化的实现

要实现整车质量的减轻，就必须落实到每一个可能的零部件的轻量化上面，表1所示为汽车自身重量的主要构成比例。可见，车身、底盘及发动机零部件是轻量化的重点。

表1 汽车自身重量的主要构成比例

目前实现零部件轻量化主要有四种途径：

（1）利用现代设计手段优化零部件结构

关注重点部件，利用现代信息化技术，创新优化设计工具和轻量化设计理论，将部件零件化、复合化以减少零部件数量。优化零部件结构设计，如去除零部件的冗余部分（使零部件薄壁化、中空化）等。

（2）开展材料轻量化创新

通过化学和物理方法，提高现有材料的强度和刚度，减小零部件尺寸，减少材料用量，从而减轻零部件重量。

（3）选用轻量化材料

在替代材料方面，可采用铝、镁、钛轻合金等有色金属材料、塑料聚合物材料、陶瓷材料等密度小、强度高的轻质材料，或者使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢，减轻零部件重量。

（4）采用先进的制造技术和工艺

要实现零部件轻量化设计和选用不同轻量化替代材料，必须采用先进的制造技术和工艺，包括高强度钢的制造技术，合金复合材料的成型技术和非金属材料的成型技术，采用先进的加工设备和工具，才能达到零部件的轻量化目的。

由于有限元等高级软件的使用，目前我国在零部件结构的合理设计方面取得了重大进步，以后的努力方向主要是新材料的使用方面。

2 新材料的应用

2.1 发动机

以发动机缸体和缸盖为例，轿车发动机的汽油机已普遍从灰铸铁到铝合金，现在正逐步发展到镁合金及铝镁复合材料。如宝马6缸镁铝复合发动机的缸套和缸体的内芯部分为AlSi17Cu4Mg铝合金，外壁与基座为AJ62镁合金。复合缸体中镁合金重18Kg。与铸铁缸体比较，铝缸体减重幅度约26%，而镁铝复合缸体为44%，2005年宝马3系列、5系列和7系列以及2006年上市的Z4Roadster 和Z4coupe均已采用这种镁铝复合缸体的发动机。

2.2 车身

2.2.1 双相钢

目前车身部分使用较多的是DP（双相）钢，该结构钢中含有马氏体和铁素体两种晶体类型。其中马氏体坚硬，一般高温冶炼后淬火时由奥氏体转化而成，而铁素体则比较柔软。晶相复合的优点是能够兼顾强度和延展性。这种钢的晶相结构是在铁素体基体上存在众多马氏体小岛，冲压加工时铁素体具有良好的延展性而马氏体则保证了结构强度，另外铁素体在冲压中发生滑动，晶体间相互交结，形成加工硬化，使冲压成型后的零件强度更高。因此DP钢已经成为制造车身结构件的主要材料，一般1.2mm厚度的DP钢就已经可以达到主要结构件所需的强度。除了DP钢之外用于汽车的新型钢材还有IF（interstitial-free steel）钢（无间隙原子钢，在超低碳钢中加入适量的钛或铌，使钢中的碳、氮间隙原子完全被固定成碳、氮化物，钢中没有间隙原子存在而称之）、TRIP （Transformation Induced Plasticity）钢（相变诱发塑性变形钢）等等，这些钢材都是属于能够减薄使用的高强度钢。

图1 DP结构钢

伴随技术进步，制造车身的材料已经不仅仅是钢铁了，越来越多的新材料被应用到车身的制作中。其中包括：铝合金、碳纤维、塑料、高分子复合材料等等。下面简单介绍其中的几种。

2.2.2 铝合金：

说到铝合金，生活中最常见的便是自行车的铝合金材料车圈，相比以前的钢材料，该材料使自行车的重量大大减轻，使用起来感觉更轻便。目前制造飞机的主要材料依然是铝合金，即使波音787这种复合材料占多的新机型也不能完全摆脱铝合金。铝合金优异的延展性、只有不到钢材一半的密度和良好的耐腐蚀性都成为轻量化结构的首选材料。全铝车身相对于普通钢制车身重量轻，一般要轻30%以上，且车身冲压更容易，可以一次整体冲压成型，焊接点少得多。铝合金在自己变形以吸收撞能上要好于钢铁车身，所以提高了安全性。

图2 奥迪A8全铝车身示意图图3 捷豹XJ铝合金车身

而同样重量的钢和铝，铝体积更大，可以在不增加重量的前提下增加结构强度。而且目前的铝制车身多采用厚壁锻铝梁焊接而成，就结构强度和刚度而言要比冲压薄钢更有优势，且机构的整体稳定性更好，在非设计受力方向受力时有更大的冗余度。此外，铝合金在大气环境下几乎不被腐蚀，可以无途装使用，不过处于美观的考虑，铝制车身依然会涂装上不同颜色的涂料。

图4 粗壮的铝梁结构图5 碳纤维材料车身

铝制车身的缺点是自身造价较高，制造和焊接工艺都比较复杂，且变形后不能通过钣金修复，只能更换变形部件，维修成本居高不下。相比较其缺点，铝合金的优点要更突出，轻量化且高强度的车身比传统钢制车身更坚固，且不用担心腐蚀造成的强度降低。另外铝制车身的结构设计局更合理，承力结构与非承力结构几乎独立。轻质合金车身的前景值得期待。

2.2.3 碳纤维：

随着航空技术的发展，在制造飞机时需要一种更轻更坚固的材料，这时金属材料已经无法满足航空工业的需求了，而由一种纤维材料取而代之。最早碳纤维在汽车领域主要应用在赛车上，直到现在也只有超跑级别的车辆用的上碳纤维。碳纤维是一种纤维丝状的材料，在制作成型时需要像织布一样纺织成片状，用有机胶浸润成形并固化，制作过程类似于玻璃钢。

碳纤维具有绝佳的韧性和抗拉强度，且重量只有钢的1/4。轻量、高强的特性正是高性能车所需的，目前法拉利、兰博基尼等超跑的车身由碳纤维制成。不过碳纤维缺乏延展性是其缺点，在受到超出极限的冲击时碳纤维结构会如同玻璃一样破碎。而且碳纤维与其它材料的连接也是个问题，使用传统的栓接，连接孔周围很容易产生裂纹。碳纤维材料的制造成本居高不下也是限制其应用的一个方面，即使是在航空领域碳纤维的应用也比较有限。

2.2.4 车身材料的未来发展：

除了以上的材料外，塑料、复合材料、可降解材料也是未来车身材料的发展方向，塑料良好的可塑性和弹性变形利于加工和降低碰撞损失，目前塑料广泛用于保险杠翼子板等易损部件，较低的造价的也令维修和更换十分便利。

近来车身材料的环境友好性成了发展的重点。在欧洲，政策要求车身的制造材料回收率要达到90%以上，铝合金与塑料的回收率都能达到95%以上，新型的钢制车身已经克服了原来所面临的腐蚀损失，回收率达到90%以上。

但是不可否认，未来轻金属、复合材料等是车身材料的发展趋势，目前各国都广泛开展对于这些新材料车用化的研究，特别是要求轻量化的小型乘用车。相信未来一段时间车身材料会有一个飞跃式的发展，并且更加向航空领域贴近，更轻、更强仍然是车身材料的发展方向。

3 展望

2008年1月初，由中国汽车工程学会领导的12家单位共同组成了产、研、学一体的汽车轻量化创新技术联盟。该联盟的主要工作是围绕汽车轻量化共性关键技术开展攻关，在2008年到2010年之间要完成设计新型轻量化材料、轻量化材料先进成型技术等3个专题共10个课题的工作，实现轿车减轻自重8%~10%的目标。

参考文献

[1] 新浪汽车. 浅谈汽车车身材料[J].2010 .

[2] 杨忠敏. 汽车的发展与未来[M]. 北京：化学工业出版社，2004.

[3] 朱蕴策. 汽车材料与热处理技术的发展. 第三届中国热处理活动周暨第六次全国热处理生产技术改造会议论文专辑[C], 2005 .