新材料与工艺手册

汽车节能减排与轻量化技术路径

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发表于 2015-7-24 00:00:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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国内汽车销售量正在逐年增加,2014 年达到2 345 万辆,已连续5 年位居世界汽车销量第一。根据国家统计局公布的2002 ~ 2014 年我国民用汽车保有量统计结果显示,2014 年民用汽车保有量已达到14 818 万辆,预计2015 年将达到1.5 亿辆。王登峰教授表示,2014 年我国石油对外依存度已接近60%,车用燃油消耗约占汽、柴油消耗59%,其中乘用车占45%。按照目前我国汽车的保有量、年产量和增长速度,预计10 年后石油依存度将达到70% 左右。可见,节能、降耗是我国汽车工业发展的迫切需求。
       

汽车节能减排与轻量化技术路径

汽车节能减排与轻量化技术路径

        吉林大学汽车工程学院王登峰教授

        王登峰教授认为,要保证能源安全、保护环境、减少雾霾,必须降低汽车的燃油消耗和排放污染,汽车节能、减排有很多技术路径,其中,轻量化是汽车节能减排最有效的途径之一。
        车重与燃油消耗和排放的关系
        汽车的四大行驶阻力(滚动阻力、坡度阻力、加速阻力和空气阻力)中有三个与车重成正比。要减少汽车行驶阻力,节能减排,必须降低车重。不同汽油乘用车整备质量会随着燃油消耗量的增加而增加,而汽车整备质量增加,每升油的行驶里程逐渐下降、CO2 排放明显增加。
        不同国家制定的轻量化目标
        美国近年来在轻量化技术上投入较大,制定了明确的轻量化用材技术路线,正在逐步扭转其汽车大华贵和油耗高的形象。美国制定的轻型车减重目标,明确规定了车身底盘、动力总成和内饰件从2020 ~ 2050 每隔10年的减重计划。
        欧洲制定了从乘用车到商用车、从结构设计、高强轻质材料应用到轻量化工艺实施年度规划,形成了较为完备的汽车轻量化技术路线。
        日系车在小型化和轻量化方面具备一定优势,目前的主要工作集中在轻量化材料和工艺的研究与应用上,并且各车企也同步制定了相应的轻量化战略目标。
        国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020 年)》提出,2015 年生产的乘用车平均燃料消耗量降至6.9 L/100 km,节能型乘用车燃料消耗量降至5.9 L/100 km以下。到2020年,当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至5.0 L/100 km,节能型乘用车燃料消耗量降至4.5 L/100 km 以下。商用车新车燃料消耗量接近国际先进水平。
       

汽车节能减排与轻量化技术路径

汽车节能减排与轻量化技术路径

        高强钢在国内汽车零部件上的应用

       
轻量化材料及其应用
        不同材料性能比较,考虑到材料的性价比,每种材料都有其自身特有的潜力、用途和优势。
        1. 铝合金在汽车上的应用
        铝合金因其质轻密度低(是钢的1/3)、比强度高、比刚度高、抗冲击性好,便于回收再利用,目前被广泛应用在汽车上。北美统计和预测的铝合金占车身自重比例(2014 年单车平均用铝为163 kg, 预计2020 年达到170 kg)。我国乘用车平均用铝合金重
        量为120 kg 左右,合资品牌乘用车用铝量高于自主品牌,平均较10 年前的用铝量的90 kg 增长了30 kg。 国产轻型商用车平均铝合金用量为70 ~120 kg。 国产重型商用车平均铝合金用量为250 ~ 350 kg, 比10 年前增长了50% ~ 100%。
        全铝新能源大客车车身应用多种强度铝合金型材和不同成形级别的铝合金板,配以铆接、焊接、粘接等复合连接形式,在保证车身强度、刚性和制造工艺的同时,使得车身重量比对标车型减少40.7%。该车还应用700 MPa 级高强钢车架和高应力少片簧,集成了6061铝合金车轮、油箱、贮气筒;AM60B 镁合金座椅骨架、镁合金方向盘芯骨;PC玻璃、1 200 MPa 奥贝球铁、蜂窝泡沫地板等等多种轻量化零件,使得整车重量较对标车型减重11%。
       

汽车节能减排与轻量化技术路径

汽车节能减排与轻量化技术路径

        非金属材料在汽车上的应用

        2. 镁合金在汽车上的应用
        镁合金因其质轻密度低(约是钢的1/4)、比强度高、比刚度高、抗冲击性好,阻尼减振性好,但耐蚀性差,多被应用在汽车内饰件上。
        目前汽车上采用镁合金零部件共有60 多种,所用的镁合金材料主要是AZ(Mg-Al-Zn)和AM(Mg-Al-Mn) 合金,少量采用AE(Mg-Al-Re)和AS3(Mg-Al-Si)合金。相比铝合金而言,可选择的镁合金材料牌号比较少。国内乘用车平均用镁量约为0.7 ~ 1.2 kg,个别商用车车型镁合金用量达2.0 ~ 3.0 kg
        3. 高强钢在汽车上的应用
        ECB 2013 上参展的10 种有代表性车型的高强钢用量统计结果,可见高强钢用量已占50.2%,开始高于软钢。英菲尼迪Q50 不仅采用Zone Body 区域车身结构,更是全球首次在七处关键部位采用1 200 MPa 的超高强度钢材料。
        第一代高强度钢性能和成本一般,技术成熟、已经批量生产和应用;第二代高强度钢性能有大幅提升,技术基本成熟、有部分应用,但价格太高,限制了推广应用;第三代高强度钢性价比好,是当前研究的热点,目前正在试用。国内合资品牌汽车高强钢应用比例约为56%,与国外车型相当;国内自主品牌乘用车高强钢应用比例约为28%。
        4. 非金属材料的应用
        (1)工程塑料
        根据1980 ~ 2013 年非金属材料在汽车上应用比例统计结果显示,非金属材料在汽车上应用的比例逐渐增加。以某自主品牌车型为例,整车非金属材料用量(塑料、橡胶、皮革面料和泡沫等)约200 kg,占整车用材的16% ;PP 约占整车塑料用量的57% ;尼龙占整车塑料用量的14% ;轮胎用橡胶约占整车橡胶用量的70%。
        在底盘和动力总成中应用非金属材料约75 kg,其中塑料约30 kg,橡胶约45 kg。在发动机罩内外板、前保险杠、翼子板、后防撞梁、车内门板、行李箱盖、仪表板和后风窗玻璃等车身零部件上非金属材料也有着非常广泛的应用。
        (2)碳纤维增强复合材料
        Alfa Romeo 4C 的乘员舱模块采用了碳纤维复合材料,该结构具有优异的结构抗撞性,在碰撞中力和能量传递合理,乘员舱变形小,保证足够的容身空间,实现最大程度的结构轻量化。迈凯轮P1 就大量使用了碳纤维材料,优秀的抗热冲击和热摩擦性能都确保机器在任何情况下都有稳定的发挥。而最重要的是,它能在很大程度上减轻重量,而宝马i3 通过大量使用碳纤维增强复合材料,比原来设计之初减轻了250 ~350 kg,在很大程度上弥补了电池带来的重量,这也是为什么宝马i3 看起来比别的电动汽车轻的原因。
        而国内碳纤维增强复合材料的应用刚刚开始,主要用在发动机舱罩板、行李箱盖、前保险杠、电池仓、车轮和一些外部装饰件,以及新能源车身上。
        结构轻量化设计
        汽车结构轻量化设计有很多方法,包括:多目标协同优化(MOD),拓扑、尺寸和形貌优化等。只要在保证汽车性能不降低的条件下,得到的结构轻量化优化设计方案才具有实用价值。在不改变原白车身材质的情况下,经过轻量化设计后白车身的质量由326.22 kg 下降到291.21 kg,比原白车身质量减少了35.0 kg,减重10.7%。
        自主品牌轿车轻量化技术路径
        王登峰教授表示,自主品牌汽车的轻量化水平与国外同类车型相比尚存在一定差距,在相当长的时间内自主品牌汽车用材仍然是以钢材为主的多材料混合结构,铝、镁合金和复合材料在汽车零部件上的应用比例会越来越多;纤维增强复合材料和塑料在汽车内外饰件、甚至结构件上的应用发展迅速;综合考虑成本、用材、设计和工艺,有良好性价比的汽车轻量化技术才能得到很好应用;合适的材料、最优的结构、先进的工艺,用在汽车合适的零部件和位置上是汽车轻量化的发展方向。
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