汽车轻量化技术发展与实现路径

　　加入Ti、Nb和V等元素的析出强化钢板拉伸强度在500~750MPa，可用于车轮和其它底盘零件。

　　近来开发的多相钢有相当大的应用潜力。其中铁素体－贝氏体钢强度级别为500MPa，双相（DP）钢和相变诱发塑性（TRIP）钢强度级别为600~800MPa,复相（CP）钢强度级别在1000MPa或更高。这些钢的成型性能也很好。日本日产汽车公司进行了590MPa级高强度钢板在车身上的应用研究，他们选用TRIP钢和DP钢裸板以及DP钢镀锌板并运用有限元分析技术解决了冲压开裂和回弹问题，优化了焊接工艺参数，通过实车检测，刚度和碰撞性能满足要求，比采用440MPa级钢板时降重10kg。

　　激光拼焊毛坯（Tailored Blank）是新近开发并应用的钢板轻量化技术。在前述ULSAB车身有18个零件采用了此技术。

近年来国内的汽车厂家也逐渐采用高强钢，例如奇瑞公司在其新开发的车型上使用DP340的高强钢的应用比例已达45%，部分车型达50%。东风汽车公司在商用车车架上采用了屈服强度700 MPa级高强钢替代抗拉强度为510 MPa级材料，通过结构优化实现主梁减重38kg，加强梁减重170kg，合计减重208kg，成本降低600多元，并且在车箱轻量化方面采用了700MPa级高强度钢板替代Q235生产标准车箱，实现减重20%~37%。吉利的NL-1车型的白车身采用高强度钢板、超高强度钢板等材料后，重量降低36kg。

　　零部件材料主要通过汽车的轻量化来对燃料经济性改善作出贡献。理论分析和试验结果都表明，轻量化是改善汽车燃料经济性的有效途径。为了适应汽车轻量化的要求，一些新材料应运而生并扩大了应用范围。

       （1）有色合金

以乘用车来说，1973年每辆车所使用的有色合金占全部用材的重量比为5.0%，1980年增至5.6%，而1997年则达到了9.6%。有色合金在汽车上应用量的快速增长是汽车材料发展的大趋势。

       （2）铝合金

　　铝的密度约为钢的1/3，是应用最广泛的轻量化材料。以美国生产的汽车产品为例，1976年每车用铝合金仅39kg，1982年达到62kg，而1998年则达到了100kg。

a铸造铝合金

　　许多种元素都可以作为铸造铝合金的合金元素，但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li在大量生产中具有重要意义。当然，在汽车上广泛应用的并不是上述简单的二元合金，而是多种元素同时添加以获得好的综合性能。

　　汽车工业是铝铸件的主要市场，例如日本，铝铸件的76%、铝压铸件的77%为汽车铸件。铝合金铸件主要应用于发动机气缸体、气缸盖、活塞、进气歧管、摇臂、发动机悬置支架、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件、把手及罩盖壳体类零件等。

　　铝铸件中不可避免地存在缺陷，压铸件还不能热处理，因此在用铝合金来生产要求较高强度铸件时受到限制。为此在铸件生产工艺上作了改进，铸造锻造法和半固态成型法将是未来较多用的工艺。

b变形铝合金

　　变形铝合金指铝合金板带材、挤压型材和锻造材，在汽车上主要用于车身面板、车身骨架、发动机散热器、空调冷凝器、蒸发器、车轮、装饰件和悬架系统零件等。

　　由于轻量化效果明显，铝合金在车身上的应用正在扩大。如1990年9月开始销售的日本本田NSX车采用了全铝承载式车身，比用冷轧钢板制造的同样车身轻200kg，引起全世界的瞩目。NSX全车用铝材达到31.3%，如在全铝车身上，外板使用6000系列合金，内板使用5052－0合金，骨架大部使用5182－0合金；由于侧门框对强度和刚度要求很高，使用以6N01合金为基础、适当调整了Mg和Si含量的合金。在欧美也有用2036和2008合金作车身内外板的。

　　铝散热器发源于欧洲而后遍及全世界。在欧洲，到20世纪80年代后期铝散热器已占领市场的90%。随?车用空调、油冷却器等的大量使用，铝热交换器的市场迅速扩大。从材料的角度看，铝在热交换器上的广泛应用在很大程度上归功于包覆料覆层铝板和铝带的成功开发。

c铝基复合材料

　　铝基复合材料密度低、比强度和比模量高、抗热疲劳性能好，但在汽车上的应用受到价格及生产质量控制等方面的制约，还没有形成很大的规模。目前，铝基复合材料在连杆、活塞、气缸体内孔、制动盘、制动钳和传动轴管等零件上的试验或使用显示出了卓越的性能，如本田公司开发成功的由不?钢丝增强的铝基复合材料连杆比钢制连杆降重30%，对1.2L的汽油发动机可提高燃料经济性5%；采用激冷铝合金粉末与SiC粉末（重量百分数2%）混合并挤压成棒材，用此棒材经锻造成型的活塞因强度高可降重20%，发动机功率大幅度提高；用铝基复合材料强化活塞头部而取消第一道环槽的奥氏体铸铁镶块可降重20%；铝基复合材料制动盘比铸铁制动盘降重50%。

       （3）镁合金

　　镁的密度约为铝的2/3，在实际应用的金属中是最轻的。镁合金的吸振能力强、切削性能好、金属模铸造性能好，很适合制造汽车零件。

　　镁合金大部分以压铸件的形式在汽车上应用，镁压铸件的生产效率比铝高30%~50%。新开发的无孔压铸法（Pore Free Diecast）可生产出没有气孔且可热处理的镁压铸件。

　　镁铸件在汽车上使用最早的实例是车轮轮辋。在汽车上试用或应用镁合金的实例还有离合器壳体、离合器踏板、制动踏板固定支架、仪表板骨架、座椅、转向柱部件、转向盘轮芯、变速箱壳体、发动机悬置、气缸盖和气缸盖罩盖等。与传统的锌制转向柱上支架相比，镁制件降重65%；与传统的钢制转向轮芯相比，镁制件降重45%；与全铝气缸盖相比，镁制件降重30%；与传统的钢制冲压焊接结构制动踏板支架相比，整体的镁铸件降重40%，同时其刚性也得以改善。

　　镁基复合材料的研究也有进展，以SiC颗粒为增强体,采用液态搅拌技术得到的镁基复合材料具有很好的性能且生产成本较低。在AZ91合金中加入25%的SiC颗粒增强的复合材料比基体合金拉伸强度提高23%，屈服强度提高47%，弹性模量提高72%。

       （4）钛合金

　　钛的密度为4.5g/cm3,具有比强度高、高温强度高和耐腐蚀等优点。由于钛的价格昂贵，至今只见在赛车和个别豪华车上少量应用。尽管如此，对钛合金在汽车上应用的试验研究工作却不少。例如用α+β系钛合金制造的发动机连杆，强度相当于45钢调质的水平，而重量可以降低30%；β系钛合金（Ti-13V-11Cr-3Al等）经强冷加工和时效处理，强度可达2000MPa，可用来制造悬架弹簧、气门弹簧和气门等，与拉伸强度为2100MPa的高强度钢相比，钛弹簧可降重20%。

　　钛合金应用的最大阻力来自其高价格，丰田中央研究所开发了一种成本较低的钛基复合材料。该复合材料以Ti-6Al-4V合金为基体，以TiB为增强体，用粉末冶金法生产，已在发动机连杆上应用。

       如上汽集团对其开发的一款新车型的仪表板骨架进行轻金属材料轻量化，原钢制仪表板骨架质量为5.545kg，采用镁合金材料进行全新优化设计，结合先进制造工艺，新的镁合金产品质量为1.895kg，达到减轻质量65%。吉利汽车公司研发的4G18发动机，其中的气缸体-曲轴箱由原来的合金铸铁改为铝合金后重量减轻了26.2kg，进气歧管由铝合金改为PA66后重量减轻了2.76kg，还有排气歧管、气缸盖罩、正时链罩、曲轴、安装支架等材料的改进，使整个发动机总成的重量减轻了56kg。

       以塑代钢的塑料零部件可减轻整车质量，是汽车轻量化的重要轻质材料，其中75%塑料还可以循环再利用，可以大幅降低能源消耗和推动环保进程。目前世界上不少轿车的塑料用量已经超过120千克/辆，个别车型还要高，德国奔驰高级轿车的塑料使用量已经达到150千克/辆。国内一些轿车的塑料用量也已经达到90千克/辆。可以预见，随着汽车轻量化进程的加速，塑料在汽车中的应用将更加广泛。汽车轻量化使塑料作为原材料在汽车零部件领域被广泛采用，从内装件到外装件以及结构件，塑料制件的身影随处可见。目前，发达国家已将汽车用塑料量的多少，作为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志从现代汽车使用的材料看，无论是外装饰件、内装饰件，还是功能与结构件，到处都可以看到塑料制件的身影。

　　汽车轻量化“相中”塑料汽车工业的发展与塑料工业的发展密不可分。近年来汽车轻量化成为降低汽车排放、提高燃烧效率的有效措施，也是汽车材料发展的主要方向，它使塑料在汽车中的用量迅速上升。目前发达国家已将汽车用塑料量的多少作为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志。

　　统计显示，汽车一般部件重量每减轻1%，可节油1%；运动部件每减轻1%，可节油2%。国外汽车自身质量同过去相比，已减轻20%—26%。预计在未来的10年内，轿车自身的重量还将继续减轻20%。而塑料等轻量化材料的开发与应用，在汽车的轻量化过程中发挥着重大作用。

　　汽车材料应用塑料的最大优势是减轻车体的重量。一般塑料的比重在0.9—1.5，纤维增强复合材料的比重也不会超过2.0，而金属材料的比重，A3钢为7.6，黄铜为8.4，铝为2.7。这就使得塑料材料成为汽车轻量化的首选用材。从现代汽车使用的材料看，无论是外装饰件、内装饰件，还是功能与结构件，到处都可以看到塑料制件的影子。外装饰件的应用特点是“以塑代钢”，减轻汽车自重，主要部件有保险杠、挡泥板、车轮罩、导流板等；内装饰件的主要部件有仪表板、车门内板、副仪表板、杂物箱盖、坐椅、后护板等；功能与结构件主要有油箱、散热器水室、空气过滤器罩、风扇叶片等。

　　汽车轻量化，使包括聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、热固性复合材料、ABS、尼龙和聚乙烯等在内的塑材市场得以迅速放大。近两年，车用塑料的最大品种--聚丙烯，每年以2.2%—2.8%的速度加快增长。预计到2020年，发达国家汽车平均用塑料量将达到500千克/辆以上。

　　目前国外汽车的内饰件已基本实现塑料化，塑料在汽车中的应用范围正在由内装件向外装件、车身和结构件扩展。今后的重点发展方向是开发结构件、外装件用的增强塑料复合材料、高性能树脂材料与塑料，并对材料的可回收性予以高度关注。统计显示，全世界平均每辆汽车的塑料用量在2000年就已达105千克，约占汽车总重量的8%—12%。而发达国家汽车的单车塑料平均使用量为120千克，占汽车总重量的12%—20%。如奥迪A2型轿车，塑料件总重量已达220千克，占总用材的24.6%。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%。
       对于中国来说，塑料在汽车行业的应用尚处于初级阶段。目前，塑料等非金属材料在国产车上的应用状况还比不上进口车。在欧洲，车用塑料的重量占汽车自重的20%，平均每辆德国车使用塑料近300千克，占汽车总重量的22%。与国外相比，国产车的非金属材料用量仍然偏少。国产车的单车塑料平均使用量为78千克，塑料用量仅占汽车自重的5%—10%。 
（二）、结构设计轻量化
       车身结构轻量化也就是结构优化设计，即通过采用先进的优化设计方法和技术手段，在满足车身强度、刚度、模态、碰撞安全性、疲劳寿命、NVH（振动噪声）、车身结构可制造性、生产成本等诸多方面的性能要求，以及相关的法律、法规、标准的前提下，通过优化车身结构参数，提高材料的利用率，去除零部件冗余部分，同时又使部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以减轻重量，实现轻量化。如上汽通用五菱与湖南大学联合自主研发的全新“五菱之光”系列微型客车，利用先进的有限元分析，在不降低整车刚度、强度、模态、碰撞、NVH等多项性能指标的前提下，通过更改零件厚度和零件结构来实现轻量化结构优化设计，共减重16.71kg，节约成本，降低油耗。汽车结构的轻量化设计与优化主要包括：
       1、通过CAD来优化设计汽车结构，减少车身重量和钢板厚度，使部件薄壁化、中空化，小型化及复合化达到轻量化目的，采用CAE技术计算汽车强度和刚度，确保减重整车的性能。
       2、开发设计车体和部件更趋合理化的中空型结构。主要途径就是在结构上采用“以空代实”，即对于承受以弯曲或扭转载荷为主的构件，采用空心结构取代实心结构，同时优化结构布局，使之更加紧凑，这样既可以减轻重量，节约材料，又可以充分利用材料的强度和刚度。
       3、在轻量化与材料特性、工艺性、生产批量、成本及其它制约因素中找到一个最佳的结合点，实现多材料组合的轻量化结构，强调合适的材料用于合适的部位，藉以CAD／CAE计算机辅助技术，使结构轻量化设计与优化融入开发前期，缩短开发周期，降低成本，确保了汽车轻量化的效率和质量。
       （三）、轻量化先进成型技术
       1、高强度钢板先进成型制造技术
       目前高强度钢板主要的先进成型制造技术包括热冲压成型、液压成型、激光拼焊成型，管材内高压成型等。热成型技术广泛应用于国外汽车上的各类强度高达1,500MPa的汽车前后保险杠、保安件和碰撞件的加强件，为汽车轻量化和提高安全性做出了突出贡献。根据有关资料记载，德国大众汽车公司在其开发的PassatB6车型中就对大部分车身零件采用了热冲压成形技术，其典型应用为侧边防撞杆，前后保险杠防撞梁，横梁和边梁，A、B、C柱增强件和腰部导轨增强件等。
    近年来国内新开发的轿车中热成形钢也有不同程度的应用，单车应用热成形零件最多达到十余件，已基本达到国际先进水平。例如奇瑞公司新开发的热冲压成形零件有B柱加强板、前保险杠横梁、A柱加强管、车门防撞梁等，使整车安全性得到显著提高。但由于热成形零部件应用还存在成本的问题，因此在低端经济型轿车上应用还存在一定的困难。
       2、铝、镁合金等轻金属材料先进成型制造技术
       铝、镁合金等轻金属材料先进成型制造技术主要有半固态成形、高真空压铸、等温挤压、等温锻造等，每种成型制造技术都通过计算机仿真设计极大地改善轻合金的精确高效成形性能，可实现高精度、高效率的精确成形制造，获得预期的材料组织性能与成形质量。
       （四）、汽车轻量化的技术路径
     汽车轻量化技术的实施首先是设定工程目标：汽车的最小质量、汽车的轴荷分布以及动态和静态刚度，声学特性和舒适性，被动安全性和满足法规目标，使用寿命和寿命周期等。基于这些目标，在实施轻量化工程中，具体采用以下措施：
1、对部件的优化设计主要包括最优的承载路径，均匀化的结构和优化的几何形状。
2、在制造工艺方面主要是采用激光拼焊板、深拉延件和液压成形、轻量化的铸件，先进的点焊和激光拼焊等连接技术，以及铝合金板材的自铆技术和翻边连接技术，热成形与液压成形技术以及滚压成形技术；解决高强度零件的成形，减少零件数量，减少结构的焊点，提高零件的性能。
3、在材料技术方面，采用高强度钢和先进高强度钢、铝合金与镁合金、不同材料的复合应用技术、纤维增强复合材料的应用等，最终达到开发时间最短、成本最低和白车身性价比最佳化的目标。
    在轻量化工程实施时，运用计算机优化设计是有效手段，可实现几何形状、加载路径的优化预测成形性和疲劳寿命，从而减少试制时间和缩减实验次数；并可对被动安全性、撞击时的载荷路径和变形进行模拟，从而可以优化选材和制造工艺以及使用先进的成形技术。
       三、结束语
    汽车轻量化对汽车节能、降低排放、提高性能及产业持续发展具有重要意义，是现代汽车技术发展的方向。同时也要综合考虑高动力输出、低噪声、低振动以及良好的操控性和高的可靠性。
       通过对汽车结构和形状的设计优化，应用先进的加工技术和轻量化材料来实现整车的降重。实现整体的设计要求同时也要控制好汽车轻量化成本、实现规模生产，实现生产企业的效益要求。
    提高我国汽车轻量化技术水平，当前重点是集成轻量化技术，开展产学研联合。从汽车轻量化技术发展的战略高度出发，建立资源共享的汽车轻量化技术科技创新平台，推进产学研的合作，推进汽车轻量化技术的转化；制定汽车重要产品轻量化技术标准及检测方法规范；中国汽车工业提高自主研发水平、突破技术瓶颈及掌握核心技术是做强并积极参与国际竞争的必由之路。