汽车材料轻量化发展探讨

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【汽车轻量化在线】[摘要] 汽车作为现代主要的交通工具，购买者日益增加，受到人们的关注越来越多。由于汽车产业飞速发展，目前国内外能源相对较紧缺，汽车的平均油耗和整车质量关系密切，又面对节能环保和原材料价格上涨的压力，加速汽车轻量化发展目前己经成为当代汽车研究的必然课题。通过对汽车材料的组成、使用材料的更新等几个方面的分析，为汽车材料轻量化发展提供些参考依据。

[关键词] 汽车轻量化；汽车材料；发展方向

       由于现代生产力水平的不断提高，汽车的需求对人们来讲显得越来越重要，对汽车质量的要求也相应地提升到了一个新的高度，那么汽车材料的更新和进步就意味着对汽车品质质量的要求更高更快。换言之，汽车的高速发展关键取决于汽车材料的更新发展，所以汽车材料的更新是汽车轻量化发展的重点。到目前为止，汽车新材料上的应用越来越多，如车身覆盖件、发动机零件、变速箱壳、制动盘及一些重要的零部件等。总之，汽车轻量化可以降低车身质量、节约能源、减少油耗，也可以提高企业竞争力、增加企业利润。新材料的应用可以让汽车向节能、环保、安全、高效等方向发展。

1 汽车组成部分

       构成汽车的主要材料有钢材、铸铁、铝及其合金、橡胶、塑料等，占轿车整体质量的约90%，其中钢约53%，铸铁约13%，塑料约10% ，铝合金约9% ，橡胶、塑料约8% 。由此可见，钢铁是构成汽车的主要材料，所占比例相对较大，直接影响着汽车的整车质量。所以，如何采取一定措施，在保证汽车综合性能良好的前提下，尽可能降低钢铁材料的用量是汽车材料轻量化发展的重点。

2 轻量化发展对汽车的影响

       汽车零部件每减轻1%，可节油1%；运动部件每减轻1%，可节油2%；大约有75%的油耗与汽车整车质量关系密切，近年来，各国的商家都在研究探索如何更新新材料，在保证汽车综合性能提高的前提下应减小汽车的自身质量。所以，汽车材料的更新发展已经成为汽车轻量化发展的主要方向，其实质就是制造汽车材料的轻量化。

2.1 节能、减排、降低燃油是汽车轻量化发展的必然

       目前，机动车采用的汽油和柴油主要来源于石油，汽油处柴油是用量最大的轻质产品，石油是不可再生资源，我国的石油存储量较低，主要依赖于进口，节约石油显得尤为重要。据有关资料显示，如果汽车整车质量下降10%，油耗可以减少约7%，CO2的排放水平下降约近4%。在人们生活水平不断提高的同时，汽车的拥有量也将随之上升，截止到2018年全国汽车保有量达3.22亿辆，车多了，燃油需求也随之增多，排放污染物必将随之增多。我国汽车目前平均油耗为8.06 L/100公里，汽油每燃烧1升，就会产生10 m3 的尾气。所以说降低油耗和燃油率对保护环境、防止雾霾等恶劣天气的发生将有着十分重要的战略意义！根据国家标准，到2020年所有乘用车平均耗油必须降至5.0 L/100 公里，2025年新车平均燃料消耗量乘用车油耗降至4.0 L/100 公里，相对2020年降幅达到20%；从节约能源、保护环境和防止雾霾等几个方面来讲，轻量化的汽车发展都显得尤为重要。

2.2 履行国际职责，彰显大国实力

       2009年，中国政府在联合国气候变化峰会上做出承诺，中国会尽一切努力，想尽一切办法，制定措施，争取到2020年单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。目前国内的汽车尾气排放是重要的排放源之一。所以，汽车的轻量化发展在一定程度上也帮助中国政府完成了对世界的承诺。

3 现代汽车轻量化发展方向

       加大科研力度，研发新型轻质材料；改进连接方式，减少零件数量，达到最优配置；改进现有的加工工艺，优化铸造、锻造生产工艺过程；利用结构解析技术和CAD计算机进行结构优化设计，改进汽车结构，在不影响汽车使用性能的前提下，实现部件的薄壁化、中空化、小型化及复合化。

4 未来汽车轻量化发展用材料

       钢材和铸铁在汽车车身整体材料中占最主要的部分，铝合金、镁及钛合金、复合材料等轻质材料也占有一定数量的比例；塑料、玻璃纤维增强材料、新型超导材料、碳纤维复合材料将是汽车轻量化的发展方向。

低合金高强度钢在汽车中的应用：用低合金高强度钢代替普通钢制造汽车外壳，其质量可减轻约35%；代替普通钢制成综合力学性能较高的传动轴质量可减轻约10%。如北美开发的PNCV轿车，车身外壳全都换成高强度钢制造，其质量仅有218公斤，相当全铝车身外壳。用低合金高强度钢替代普通钢和铸铁制造汽车车身、底盘等零部件，有利于实现汽车的轻量化发展，同时降低消耗、保护环境，提高了汽车的使用寿命和抗腐蚀能力。所以低合金高强度钢已成为汽车轻量化材料颇具竞争实力的首选材料。

       铝及铝合金在汽车中的使用：铝合金质量轻，是钢铁的1/3，新型汽车用铝合金主要在整体车身、车门结构部件以及汽车部分零件全铝化。如果汽车零件中用铝合金替代钢，可使汽车的零件减重约40%，而全铝化结构汽车可以使整体汽车的质量减轻约35%。所以铝合金是汽车轻量化的首选材料，20世纪80年代，美国轿车使用铝合金量平均为55 kg，90年代达130 kg。如保险杠、发动机罩、制动器等变形铝合金在美国汽车所占的比例较高；由于价格昂贵，锻造铝合金在欧美高级轿车上有少量应用。日本跑车使用铝合金材料最多，每车达250 kg，占整车质量约16.5%。

       轻质材料——镁合金：由于镁合金具有易加工、比强度、比刚度高、导电导热性优良和尺寸稳定性好等特点，是金属材料中最轻的材料，1930年曾在赛车上使用镁合金用作活塞，1990年日本等国家也使用镁合金用在汽车压铸零件上。德国等一些发达国家从上个世纪开始就在汽车的零部件上使用镁合金，据考究，镁合金的使用至少已有60年的历史。主要应用于发动机部分气缸体、风扇等；底盘上离合器和变速器的壳体、方向盘和轮毂等。因此它是具有竞争力的汽车轻量化材料之一。

       钛合金材料：是新型材料，密度小、比断裂韧性高、低温韧性和抗裂纹扩展能力好等综合性能，在减轻汽车发动机质量、改善发动机性能、提高车速、降低噪声和油耗上有很大优势，用它制造发动机气门要比钢制气门轻15%-20%。1968年日本把钛合金应用于赛车发动机零件上，效果很好。因此，钛合金应用在汽车发动机气门、气门弹簧、气门座圈和连杆等部件前景广阔，但因其成本高加工难度大，切削、焊接和热处理较困难，所以只在赛车或高档轿车上才使用。

       塑料及复合型材料：目前汽车外饰件及内饰件车灯、发动机零部件和电器件，己基本上实现了塑料化，它满足了汽车减重、安全、节能及美观等方面的需求；在汽车生产中，100 kg的塑料可以替代200-300 kg的其他材料，从而实现每百公里0.5升以上的节油。2018年国内乘用车塑料消耗量为341万吨，预计国内车用塑料需求量将超过400万吨。随着塑料制品在汽车应用上的用量增加，聚丙烯和聚乙烯等的应用正在加快发展。PVC、ABS等则会部分地被热塑性聚烯烃弹性体GFPA、TPO等新材料所代替。聚合物基复合材料主要是玻璃纤维增强塑料可代替钢板用在车身外壳，达到车身轻量化目的。

       精细陶瓷——陶瓷基复合材料：第三大新型材料。有优良的力学和化学稳定性能，良好的导热性、抗氧化性、导电性和高的冲击韧度。可用于喷嘴、热电偶套管、发动机连杆、气门、活塞销、排气阀、等高温下工作的部件，利用它的高硬度和耐磨性还可制作制动盘，能有效地减轻汽车质量，提高热功率，降低油耗。

汽车发动机小型轻量：汽车由原来的前置式发动机后轮驱动即FR方式迅速向前置式发动机前轮驱动即FF方式发展，确保了车内大空间；因发动机实现小型轻量，带动了车体其他部分的轻量，优化了发动机动力结构，是实现汽车轻量化的关键核心。

5 结语

       通过以上分析可知，新型材料的更新和发展在现代汽车轻量化的发展中占据着重要的地位。在分析研究汽车轻量化发展前景的同时，也要考虑到新材料的经济性、安全性、合理性、环境污染等因素，面对新的问题和挑战，都需要我们考虑和解决。汽车轻量化发展不是一朝一夕就可以完成的工程，而是一个长期的、复杂的系统工程，相信通过我们几代人的共同努力一定可以实现这个远大的宏伟目标。

来源：《科技经济导刊》；魏咏梅；河南工业技师学院