摘要：汽車輕量化可以有效減輕汽車重量，是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排的主要方向之一。汽車輕量化主要采用輕量化替代材料、改進(jìn)車身部件制造工藝和優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三種方法。本文主要從三種方法之一的輕量化替代材料著手，通過對(duì)五種替代材料的分類介紹，對(duì)應(yīng)用趨勢(shì)做出了簡要分析。

　　汽車工業(yè)的發(fā)展目前面臨著資源、安全和環(huán)保三大問題。眾多發(fā)達(dá)國家已相繼制定了如油耗、排放法規(guī)等對(duì)策和措施積極應(yīng)對(duì)，而在汽車工業(yè)界的應(yīng)對(duì)中，汽車輕量化是已被驗(yàn)證是應(yīng)對(duì)以上三大問題的有效途徑之一。

　　汽車質(zhì)量與油耗和排放下降的比例為5:4:2

　　汽車行駛所需動(dòng)力和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與汽車質(zhì)量成正相關(guān)，減輕質(zhì)量后，汽車可在較低的牽引動(dòng)力下表現(xiàn)同等的性能;汽車行駛時(shí)燃油的消耗中75%與整車質(zhì)量有關(guān)，降低汽車質(zhì)量可有效降低油耗及排放量，質(zhì)量每下降10%，油耗下降8%(圖1)，排放下降4%。因此，從汽車工業(yè)發(fā)展及社會(huì)環(huán)境要求角度來看，降低汽車質(zhì)量、提高燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能具有重要意義。

　　圖1 整車質(zhì)量減少與百公里油耗的關(guān)系

　　(資料來源：《新能源汽車輕量化材料》)

　　汽車輕量化的五類替代材料應(yīng)用涉及車身、結(jié)構(gòu)件及零件

　　(1)高強(qiáng)度鋼板的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度性能高，主要應(yīng)用于車輛關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件中。其具有高抗拉強(qiáng)度和高屈服強(qiáng)度的特性，可以在打薄鋼板、減少車身重量的基礎(chǔ)上保持性能不減，近年來已越來越多的應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件中，按其特性可分為低強(qiáng)度剛、高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度剛。該類材料主要應(yīng)用在AB柱、地板、門檻等車輛的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件中，如寶馬在部分車型的中通道、地板、B柱、車門防撞桿應(yīng)用了高強(qiáng)度鋼;凱迪拉克在部分車型的AB柱內(nèi)板、地板中通道、橫梁等關(guān)鍵部件應(yīng)用了先進(jìn)的高強(qiáng)鋼，使鋼制下車體結(jié)構(gòu)相較原鋁制車體減重了6kg。

　　表1 三類強(qiáng)度剛的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度參數(shù)分類

　　(數(shù)據(jù)來源：五度易鏈行業(yè)研究中心)

　　(2)鋁合金耐腐蝕、耐磨性強(qiáng)，應(yīng)用由內(nèi)部零件罩體向全鋁車身過渡。其在密度小、強(qiáng)度及剛度高、彈性和抗沖擊性能良好的基礎(chǔ)上，還具有優(yōu)異的耐腐蝕性和耐磨性，是汽車輕量化的理想材料。鋁合金初期應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩和行李箱蓋，現(xiàn)已發(fā)展到全鋁車身的應(yīng)用，其中，在汽車上的應(yīng)用材料為鋁合金和鋁復(fù)合材料，目前國外已可達(dá)車身80%以上的鋁合金和鋁復(fù)合材料應(yīng)用。在汽車中應(yīng)用的鋁合金分為鑄造鋁合金和變形鋁合金兩類，具體的細(xì)分應(yīng)用見表2。目前，業(yè)內(nèi)60%以上的汽車用鋁合金材料為再生鋁，回收1t鋁合金要比加工制造 1t少耗能95%。

　　表2 鋁合金車用應(yīng)用分類

　　(資料來源：五度易鏈行業(yè)研究中心)

　　(3)鎂合金抗彎強(qiáng)度和隔音性能好，車體結(jié)構(gòu)件和零件中均有應(yīng)用。在彎曲剛度不變的條件下，采用鎂代替鋼可減重 61%，而在彎曲強(qiáng)度不變的條件下，鎂代替鋼可減重74%，經(jīng)驗(yàn)證，每使用1 kg鎂，可使轎車壽命期減少30 kg尾氣排放，且鎂合金還均有隔音的性能，可以提高汽車的舒適度。目前歐洲研發(fā)并使用的鎂合金車用零部件超過60種，單車鎂合金用量 9.3～20.3公斤;北美的鎂合金汽車零部件超過100種，用量5.8公斤～26.3 公斤;而國內(nèi)研發(fā)并使用的鎂合金車用零件僅20余種， 總體技術(shù)水平還有較大提升空間，目前商業(yè)應(yīng)用的平均單車中用鎂量不足1kg。

　　表3 鎂合金車用部件分類

　　(資料來源：五度易鏈行業(yè)研究中心)

　　(4)片狀模塑料可根據(jù)部件需要調(diào)整力學(xué)及耐腐蝕高溫性能，適用于部分車身、承力結(jié)構(gòu)件和耐高溫腐蝕零件。該種材料的商業(yè)化應(yīng)用目前主要集中在車體后尾門，其他的應(yīng)用多為試驗(yàn)階段。如雷諾汽車的后尾門相比原鋼制后尾門減重10%，且注塑、組裝工藝簡單，生產(chǎn)成本大為降低。

　　(5)車用碳纖維復(fù)合材料性能強(qiáng)但成本高，目前多用于賽車等領(lǐng)域。該材料是由2種及以上不同性質(zhì)的材料復(fù)合壓制而成，其綜合性能在強(qiáng)于原有材料性能的總和，且可滿足不同的車用部件要求。其中，碳纖維的復(fù)合材料(CFRP)質(zhì)量輕、強(qiáng)度高(5倍鋼強(qiáng)度)、耐高溫和耐腐蝕性能好，是非常理想的汽車輕量化材料。該類材料最初制造成本較高，主要在賽車等車型有小批量應(yīng)用，隨著制造成本的下降，已逐漸向民用領(lǐng)域滲透。

　　未來結(jié)合五類材料特點(diǎn)，建立輕量化替代材料的最優(yōu)配置

　　高強(qiáng)度鋼在汽車輕量化領(lǐng)域的研究開展較早，是汽車輕量化的基礎(chǔ)，鋁合金在近年來發(fā)展較快，是當(dāng)前汽車輕量化的重要材料，而鎂合金、片狀模塑料和復(fù)合材料在輕量化領(lǐng)域應(yīng)用較晚，是該領(lǐng)域的新型材料。在今后汽車輕量化的研究應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合五類輕量化材料的特點(diǎn)，發(fā)揮相應(yīng)優(yōu)勢(shì)，建立汽車輕量化零部件的最優(yōu)材料配置。

　　結(jié)語

　　汽車輕量化是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向之一，能有效減輕車身重量，是目前實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排最直接、有效的手段。汽車質(zhì)量與油耗和排放下降成正相關(guān)，比例為5:4:2;汽車輕量化的五類替代材料應(yīng)用涉及車身、結(jié)構(gòu)件及零件，其中高強(qiáng)度鋼是汽車輕量化的基礎(chǔ)，鋁合金是當(dāng)前汽車輕量化的重要材料，而鎂合金、片狀模塑料和復(fù)合材料是該領(lǐng)域的新型材料;未來應(yīng)結(jié)合五類材料特點(diǎn)，建立輕量化替代材料的最優(yōu)配置