熊培練

摘 要：隨著人們在日常生活中對汽車的依賴程度增加，汽車的產(chǎn)量逐年增加，伴隨著環(huán)境污染加重和能源短缺問題的出現(xiàn)。汽車輕量化逐漸受到人們的關注，本文介紹汽車輕量化在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的同時，具體介紹汽車輕量化的兩個主要方向：汽車材料和結(jié)構(gòu)輕量化。汽車材料輕量化中具體介紹了金屬材料如高強度鋼、鋁合金、鎂合金和非金屬材料如碳纖維、塑料和樹脂在汽車行業(yè)的應用;汽車結(jié)構(gòu)輕量化主要通過結(jié)構(gòu)設計達到減輕汽車重量、節(jié)能減排目的。最后對汽車輕量化未來的發(fā)展進行展望。

關鍵詞：汽車材料;汽車結(jié)構(gòu);輕量化;節(jié)能減排

1 引言

隨著人們在日常生活中對汽車的依賴程度增加，汽車的產(chǎn)量逐年增加，生產(chǎn)技術也不斷提升。雖然汽車使人們出行更加便利高效，提高人們生活質(zhì)量，但同時尾氣排放的增加也造成了環(huán)境的不可逆污染日益加劇，能源的使用量也不斷提高?，F(xiàn)如今在汽車行業(yè)能節(jié)能減排實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的主要有兩個方向：第一，汽車材料輕量化;第二，汽車結(jié)構(gòu)輕量化。據(jù)相關研究表明汽車重量每下降10%，燃油的用量下降6%～8%，尾氣的排放量下降4%～10%。輕量化汽車的使用能節(jié)能減排的同時也改善了汽車的性能，提高汽車行駛的安全性。目前，汽車輕量化已成為汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。[1-8]

2 國內(nèi)外汽車輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

我國汽車行業(yè)在輕量化方面的發(fā)展雖然已經(jīng)起步并逐漸形成了一個較為完整的體系，但是和其他國家相比還是差距顯著。首先，國內(nèi)的自主創(chuàng)新能力弱，大部分依賴國外先進技術。日本、德國、美國發(fā)表關于汽車輕量化方面的專利數(shù)量占全球?qū)＠倲?shù)量的70%，其中發(fā)表的核心專利占80%。國內(nèi)應加強汽車輕量化核心專利發(fā)表的重視，提高汽車輕量化的自主創(chuàng)新能力，并自主創(chuàng)造出具有優(yōu)異性能的輕量化汽車。其次，國內(nèi)沒有完善的汽車輕量化組織體系，汽車企業(yè)沒有設置專門的研發(fā)部門，沒有注重企業(yè)、高校、研究機構(gòu)各方的協(xié)同。國外不僅有政府的支持，也同時推動構(gòu)建“企業(yè)+高校+研究機構(gòu)”的產(chǎn)業(yè)組織體系。最后，國外政府出臺政策扶持、引導汽車輕量化應用，例如技術標準包括燃油經(jīng)濟性標準、溫室氣體排放標準、技術要求及目標;財稅政策包括高額燃油稅、重量稅、財政補貼、經(jīng)濟處罰;科技計劃：共性關鍵技術研發(fā)項目、鼓勵和支持跨產(chǎn)業(yè)合作。國內(nèi)也應加強政府指導，出臺相關政策，大力發(fā)展汽車輕量化技術。[8-11]

3 汽車材料輕量化

汽車材料輕量化和汽車結(jié)構(gòu)輕量化兩者相輔相成，通過減輕汽車重量來減輕環(huán)境污染、降低能源消耗、提高汽車性能。在20世紀80年代，大部分汽車材料都是由鋼鐵組成，但世界石油危機爆發(fā)后，人們開始追求輕量化汽車材料以降低燃油使用量。因此增加了如高強度鋼、鎂合金、鋁合金、鈦合金、鋅合金以及塑料、橡膠等低密度、高強度、性能優(yōu)異汽車材料的使用，而鋼鐵材料在汽車方面的應用比例有一定降低。[2]

3.1 金屬類材料

3.1.1 高強度鋼

汽車材料制造技術不斷更新的時代，陸續(xù)出現(xiàn)了鎂、鋁合金等輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼鐵，導致鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)面臨危機。面對市場需求日益衰減的境況，鋼鐵企業(yè)迅速采取有效措施，研發(fā)制造出密度低，高強度的車用高強度鋼。[3]高強度鋼又可分為高強度、超高強度鋼以及特高強度鋼板。[1]相比普通鋼材，高強度鋼能減輕車身重量達16%，提高燃油經(jīng)濟性達10%。雖然其密度比鎂、鋁合金大，但高強度鋼具有強度高、塑性較好、韌性較好、安全性高、成本較低等優(yōu)點，因而在汽車方面得到廣泛應用。 鋼材主要分布在車身，然而車身重量占整車重量的40%～60%，所以高強度鋼的使用能很大程度的減輕車身重量，實現(xiàn)汽車輕量化。[12]

3.1.2 鋁合金

鋁合金相比鋼材具有更小的密度，其密度只是鋼材的1/3，還具有比強度高、抗腐蝕強、導熱性好、物理性能良好等優(yōu)點。[13]根據(jù)鋁合金材料性能的不同，其在汽車上的應用也有差異。汽車生產(chǎn)中的鋁合金材料可分為三類：鑄造鋁合金因其良好的耐腐蝕性及導熱性，在汽車的發(fā)動機氣缸蓋、熱交換器及氣缸體應用廣泛;變形鋁合金因其韌性好和強度高的優(yōu)點，在汽車懸掛零件、結(jié)構(gòu)件、車身面板等應用廣泛;鋁基復合材料具有抗疲勞、抗斷裂等優(yōu)點，在汽車的驅(qū)動軸、搖臂等零件中應用廣泛。[5]雖然鋁合金的成本高，只有國外的少數(shù)運動和豪華車型上得到應用，但其顯著的減重能力使其在汽車材料輕量化中占據(jù)舉足輕重的地位。

3.1.3 鎂合金

鎂合金具有優(yōu)異的散熱性和減震性，其重量只是鋁合金材料的66%。[3]根據(jù)其良好的性能在汽車產(chǎn)業(yè)中也逐漸得到重視，主要應用在方向盤、軸承、安全氣囊底座和車身部分。[7]在歐洲和美國汽車材料領域應用廣泛，已經(jīng)投入使用和正在產(chǎn)品研發(fā)階段的汽車用鎂合金產(chǎn)品分別為60和100余種，其中鎂合金的單車用量分別為9.3～20.3kg和5.8～26.3kg。[1]但在國內(nèi)由于鎂合金生產(chǎn)工藝較復雜、成本較高，在單車上的使用量不足1.5kg。我國應加大開發(fā)利用鎂合金簡化生產(chǎn)工藝、優(yōu)化性能，在汽車材料輕量化上充分發(fā)揮其輕質(zhì)優(yōu)點。[9]

3.2 非金屬類材料

3.2.1 碳纖維

碳纖維是一種含碳量高達90%的纖維狀碳材料，具有低密度、耐高溫、高強度、耐腐蝕性強等特點。[1]歐美日等發(fā)達國家的汽車行業(yè)巨頭們都引領并推動著碳纖維材料在汽車上應用，德國寶馬公司還率先將碳纖維材料全方位的應用在汽車上，其中包括：車身、底盤、車頂、車門、引擎蓋、尾翼、儀表盤、傳動軸、頭蓋、壓尾翼、中控臺等系統(tǒng)。寶馬公司生產(chǎn)的碳纖維量產(chǎn)電動汽車，其整車車身全部由碳纖維制造，車身重量僅有112.2kg。除了寶馬公司，豐田、大眾、奔馳、現(xiàn)代等各大汽車廠商都在加大對碳纖維的開發(fā)力度，以期實現(xiàn)汽車輕量化。[14]

3.2.2 塑料

車用塑料具有質(zhì)量輕、耐熱、耐腐蝕、韌性好等優(yōu)點，因此在汽車上的使用量也逐年增加。汽車上使用的塑料主要為用于儀表盤、輪圈蓋和引擎部件的聚丙烯（PP）;用于汽車地毯的聚乙烯（PE）;用于汽車保險杠格柵的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）。[1]現(xiàn)在國外的汽車廠商已經(jīng)研制出性能更優(yōu)異的車用塑料，不僅減重，還兼顧汽車制造成本、質(zhì)量、功能，未來塑料在汽車上的使用范圍將更加廣泛。[15-16]