減少汽車自身質(zhì)量是降低油耗最有效的措施之一。數(shù)據(jù)顯示，汽車自重每減少10%，NEDC工況下能耗可降低6%~8%，排放降低5%~6%。而燃油消耗每減少1L，CO2的排放量減少2.45kg。輕量化的實(shí)現(xiàn)主要有三種手段：輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、先進(jìn)輕量化材料應(yīng)用、先進(jìn)輕量化制造技術(shù)應(yīng)用。采用新型材料是汽車輕量化最直接有效的方法。

汽車的輕量化，就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。

實(shí)驗(yàn)證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%；汽車整備質(zhì)量每減少100千克，百公里油耗可降低0.3—0.6升。

常見的輕量化材料分為金屬和非金屬兩大陣營。金屬材料主要包括高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金等；非金屬材料包括工程塑料和復(fù)合材料等。提高汽車輕量化程度是各大廠家一直以來的目標(biāo)，所以也就有了鋁制和碳纖維的材料更多的運(yùn)用到整體車身中。

1.鋁合金

鋁合金是目前汽車材料中應(yīng)用最多的輕質(zhì)材料，各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)也比較成熟。鋁具有良好的機(jī)械性能，其密度約為鋼鐵的1/3，易加工，導(dǎo)熱性、耐腐蝕性好，鋁合金強(qiáng)度高，同時具有良好的吸能性。據(jù)美國鋁學(xué)會的報(bào)告，汽車上每使用0.45kg鋁就可減輕車重1kg，理論上鋁制汽車可以比鋼制汽車減重40%左右。目前很多車型如奧迪A8、捷豹XFL、特斯拉等均已采用全鋁車身。

近年來，鋁合金用于車身材料的加工方式的成本有所降低。以前都要將厚的鋁合金板沖壓成薄板再進(jìn)行加工，目前通用引入了和鋼板沖壓類似的熱沖壓成形技術(shù)。

這對工藝的要求是十分嚴(yán)格的，由于摩擦力的作用，截面各處材料流動不均，容易在應(yīng)力集中地方產(chǎn)生急劇減薄而發(fā)生破裂。協(xié)調(diào)好壓邊力與沖壓力的關(guān)系，加上良好的潤滑，是實(shí)現(xiàn)鋁合金熱沖壓再次降低材料成本的關(guān)鍵。

當(dāng)然鋁合金作為大范圍量產(chǎn)的輕量化材料固然理想，也有自身的缺點(diǎn)，比如工藝復(fù)雜且后續(xù)維修費(fèi)用高。

總的來說，鋁合金材料可能會首先取代傳統(tǒng)的鋼材成為汽車輕量化的主要材料，但是由于焊接等一系列技術(shù)難題需要攻克，普通車企還不能把此類材料成熟的應(yīng)用到汽車生產(chǎn)中。

2.鎂合金

鎂的密度約為鋁的2/3，在實(shí)際應(yīng)用的金屬中是最輕的。鎂的密度約為鋁的2/3，在實(shí)際應(yīng)用的金屬中是最輕的。鎂合金的吸振能力強(qiáng)、切削性能好、金屬模鑄造性能好，很適合制造汽車零件。

鎂鑄件在汽車上使用最早的實(shí)例是車輪輪輞。在汽車上應(yīng)用鎂合金的實(shí)例還有離合器殼體、離合器踏板、制動踏板固定支架、儀表板骨架、座椅、轉(zhuǎn)向柱部件、轉(zhuǎn)向盤輪芯、變速箱殼體、發(fā)動機(jī)懸置、氣缸蓋和氣缸蓋罩蓋等。

由于鎂制車身板件的應(yīng)用，可以得到更好的車身操控，更佳的性能表現(xiàn)以及更經(jīng)濟(jì)的燃油成本，更輕的車身將在整體層面上提升車輛的性能。

鎂合金在汽車上的應(yīng)用雖然很早就開始展開，但是目前鎂合金并沒有廣泛的推廣開來，在制造加工方面，相比于鋁制板材件，鎂合金車身板件的成本要高出3至4倍。另外，由于鎂合金板材的特殊性，在修復(fù)工藝方面或許與傳統(tǒng)的鋼鐵板件存在一定差異。

3.高強(qiáng)度鋼

高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用成為了汽車輕量化技術(shù)重要發(fā)展方向。但受高強(qiáng)鋼板材強(qiáng)度的提高，傳統(tǒng)的冷沖壓工藝在成型過程中容易產(chǎn)生破裂現(xiàn)象，無法滿足高強(qiáng)度鋼板的加工工藝要求。在無法滿足成型條件的情況下，目前國際上逐漸研究超高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓成形技術(shù)。該技術(shù)是綜合了成形、傳熱以及組織相變的一種新工藝，主要是利用高溫奧氏體狀態(tài)下，板料的塑性增加，屈服強(qiáng)度降低的特點(diǎn)，通過模具進(jìn)行成形的工藝。但是熱成型需要對工藝條件、金屬相變、CAE分析技術(shù)進(jìn)行深入研究，目前該技術(shù)被國外廠商壟斷，國內(nèi)發(fā)展緩慢。

當(dāng)材料被沖壓成形時，會變硬，不同的鋼材，變硬的程度不同。一般高強(qiáng)度低合金鋼只略有20MPa增加，不到10%。注意：雙相鋼的屈服強(qiáng)度有140MPa增加，增加了40%多！金屬在成形過程中，會變得完全不同，完全不像沖壓加工開始之前。 這些鋼材在受力后，屈服強(qiáng)度增加很多。材料較高的屈服應(yīng)力加上加工硬化，等于流動應(yīng)力的大大增加。因此，開裂、回彈、起皺、工件尺寸、模具磨損、微焊接磨損等成為了高強(qiáng)鋼成型過程中的問題焦點(diǎn)。

基于高強(qiáng)鋼的特點(diǎn)和特性，如果不能改變金屬流動和減少摩擦，那么高強(qiáng)度鋼(HSS)的開裂和質(zhì)地不均性都可能引起部件報(bào)廢率的上升。這種材料所具有的高千磅力每平方英寸(KSI)(測量屈變力的單位)、增強(qiáng)的回彈、加工硬化的傾向以及在升高的成型溫度下運(yùn)行對于模具來說都是一個挑戰(zhàn)。

但在汽車輕量化材料中，高強(qiáng)度鋼板價格低，具有優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性。采用高強(qiáng)度鋼板在等強(qiáng)度設(shè)計(jì)條件下可以減少板厚，但是車身零件選定鋼板厚度大都以元件剛度為基準(zhǔn)，因此實(shí)際板厚減少率不一定能達(dá)到鋼板強(qiáng)度的增加率，不可能大幅度地減輕車重。高強(qiáng)度鋼板在汽車上應(yīng)用的目的主要有：增加構(gòu)件的變形抗力，提高能量吸收能力和擴(kuò)大彈性應(yīng)變區(qū)。

由于運(yùn)用高強(qiáng)度鋼板的經(jīng)濟(jì)性和相對容易性，各國都在加速高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼在汽車車身、底盤、懸架、轉(zhuǎn)向等零部件上的運(yùn)用。世界鋼鐵協(xié)會汽車分會提出了新一代鋼鐵汽車的想法：更多使用高強(qiáng)度鋼板，車身的質(zhì)量將比以前減輕35%。

4.塑料及非金屬復(fù)合材料

塑料的應(yīng)用同時滿足降低整車重量和成本兩方面的需求，因此是汽車使用的最多的非金屬材料，相關(guān)技術(shù)也比較成熟。塑料具有比重小、耐腐蝕、隔音隔熱、比強(qiáng)度高、吸收沖擊能量、成本低、易加工、裝飾效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)，不僅能減重降成本，而且對整車的安全性、舒適性和外觀都有利。

世界汽車平均塑料用量早在2001年已達(dá)115kg，約占汽車總重量的8%~12%，并且這一比重不斷提升。塑料廣泛地應(yīng)用于汽車的內(nèi)外飾上，如儀表盤、側(cè)圍內(nèi)側(cè)板、擾流板、擋泥板、散熱器格柵、翼子板等。今后重點(diǎn)開發(fā)方向是結(jié)構(gòu)件、功能件、外裝件的高性能塑料。

非金屬復(fù)合材料主要是指碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料和有機(jī)纖維復(fù)合材料等。其密度小、耐腐蝕、耐疲勞、比強(qiáng)度和比剛度高、易成型、節(jié)能抗震等優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于車身、車燈罩、保險(xiǎn)杠等。

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為 23000~43000Mpa也高于鋼。但碳纖維材料也只是沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，其耐沖擊性卻較差，容易損傷，所以在制造成為結(jié)構(gòu)組件時往往利用其耐拉質(zhì)輕的優(yōu)勢而避免去做承受側(cè)面沖擊的部分。目前，民用車中使用碳纖維材料結(jié)構(gòu)并不多，多是集中在一些跑車上。但這終歸只是富人的玩具，具有碳纖維單體殼結(jié)構(gòu)的汽車往往價格十分昂貴。

碳纖維材料本身并不昂貴，然而要把碳纖維加工成適合車輛行駛、碰撞的成品才真正是其價值所在。

雖然碳纖維增強(qiáng)合成材料良好的形狀既沒有達(dá)到用化學(xué)制劑進(jìn)行預(yù)處理的完美的菱形，也沒有達(dá)到完美的堅(jiān)固性，但是這種方法得到的材料強(qiáng)度仍然可以和鋼媲美，關(guān)鍵在于重量只是鋼材的二分之一。

碳纖維單體殼作為一種質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、安全性高的車身結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于性能車中。雖然現(xiàn)在還無法在民用車中普及，但在解決了原材料問題之后，相信距離其技術(shù)下放的時刻已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

以上我們列舉了一些材料在輕量化中的應(yīng)用，對于采用輕質(zhì)材料的零部件，還可以進(jìn)行布局進(jìn)一步分析和運(yùn)動干涉分析等，使輕量化材料能夠滿足車身設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求。相信不斷進(jìn)步的科技和制造工藝會讓輕量化有更多的延展空間。

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