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  • 2019-03-08
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汽车轻量化可以有效减轻汽车重量,是实现汽车节能减排的主要方向之一。汽车轻量化主要采用轻量化替代材料、改进车身部件制造工艺和优化车身结构设计三种方法。本文主要从三种方法之一的轻量化替代材料着手,通过对五种替代材料的分类介绍,对应用趋势做出了简要分析。

  摘要:汽车轻量化可以有效减轻汽车重量,是实现汽车节能减排的主要方向之一。汽车轻量化主要采用轻量化替代材料、改进车身部件制造工艺和优化车身结构设计三种方法。本文主要从三种方法之一的轻量化替代材料着手,通过对五种替代材料的分类介绍,对应用趋势做出了简要分析。

  汽车工业的发展目前面临着资源、安全和环保三大问题。众多发达国家已相继制定了如油耗、排放法规等对策和措施积极应对,而在汽车工业界的应对中,汽车轻量化是已被验证是应对以上三大问题的有效途径之一。

  汽车质量与油耗和排放下降的比例为5:4:2

  汽车行驶所需动力和动力传动系统与汽车质量成正相关,减轻质量后,汽车可在较低的牵引动力下表现同等的性能;汽车行驶时燃油的消耗中75%与整车质量有关,降低汽车质量可有效降低油耗及排放量,质量每下降10%,油耗下降8%(图1),排放下降4%。因此,从汽车工业发展及社会环境要求角度来看,降低汽车质量、提高燃油经济性和环保性能具有重要意义。

  图1 整车质量减少与百公里油耗的关系

  (资料来源:《新能源汽车轻量化材料》)

  汽车轻量化的五类替代材料应用涉及车身、结构件及零件

  (1)高强度钢板的抗拉强度和屈服强度性能高,主要应用于车辆关键结构件中。其具有高抗拉强度和高屈服强度的特性,可以在打薄钢板、减少车身重量的基础上保持性能不减,近年来已越来越多的应用于汽车结构件中,按其特性可分为低强度刚、高强度钢和超高强度刚。该类材料主要应用在AB柱、地板、门槛等车辆的关键结构件中,如宝马在部分车型的中通道、地板、B柱、车门防撞杆应用了高强度钢;凯迪拉克在部分车型的AB柱内板、地板中通道、横梁等关键部件应用了先进的高强钢,使钢制下车体结构相较原铝制车体减重了6kg。

  表1 三类强度刚的抗拉强度和屈服强度参数分类

  

  (数据来源:白小姐一肖中特行业研究中心)

  (2)铝合金耐腐蚀、耐磨性强,应用由内部零件罩体向全铝车身过渡。其在密度小、强度及刚度高、弹性和抗冲击性能良好的基础上,还具有优异的耐腐蚀性和耐磨性,是汽车轻量化的理想材料。铝合金初期应用于汽车发动机罩和行李箱盖,现已发展到全铝车身的应用,其中,在汽车上的应用材料为铝合金和铝复合材料,目前国外已可达车身80%以上的铝合金和铝复合材料应用。在汽车中应用的铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金两类,具体的细分应用见表2。目前,业内60%以上的汽车用铝合金材料为再生铝,回收1t铝合金要比加工制造 1t少耗能95%。

  表2 铝合金车用应用分类

  

  (资料来源:白小姐一肖中特行业研究中心)

  (3)镁合金抗弯强度和隔音性能好,车体结构件和零件中均有应用。在弯曲刚度不变的条件下,采用镁代替钢可减重 61%,而在弯曲强度不变的条件下,镁代替钢可减重74%,经验证,每使用1 kg镁,可使轿车寿命期减少30 kg尾气排放,且镁合金还均有隔音的性能,可以提高汽车的舒适度。目前欧洲研发并使用的镁合金车用零部件超过60种,单车镁合金用量 9.3~20.3公斤;北美的镁合金汽车零部件超过100种,用量5.8公斤~26.3 公斤;而国内研发并使用的镁合金车用零件仅20余种, 总体技术水平还有较大提升空间,目前商业应用的平均单车中用镁量不足1kg。

  表3 镁合金车用部件分类

  

  (资料来源:白小姐一肖中特行业研究中心)

  (4)片状模塑料可根据部件需要调整力学及耐腐蚀高温性能,适用于部分车身、承力结构件和耐高温腐蚀零件。该种材料的商业化应用目前主要集中在车体后尾门,其他的应用多为试验阶段。如雷诺汽车的后尾门相比原钢制后尾门减重10%,且注塑、组装工艺简单,生产成本大为降低。

  (5)车用碳纤维复合材料性能强但成本高,目前多用于赛车等领域。该材料是由2种及以上不同性质的材料复合压制而成,其综合性能在强于原有材料性能的总和,且可满足不同的车用部件要求。其中,碳纤维的复合材料(CFRP)质量轻、强度高(5倍钢强度)、耐高温和耐腐蚀性能好,是非常理想的汽车轻量化材料。该类材料最初制造成本较高,主要在赛车等车型有小批量应用,随着制造成本的下降,已逐渐向民用领域渗透。

  未来结合五类材料特点,建立轻量化替代材料的最优配置

  高强度钢在汽车轻量化领域的研究开展较早,是汽车轻量化的基础,铝合金在近年来发展较快,是当前汽车轻量化的重要材料,而镁合金、片状模塑料和复合材料在轻量化领域应用较晚,是该领域的新型材料。在今后汽车轻量化的研究应用中,应结合五类轻量化材料的特点,发挥相应优势,建立汽车轻量化零部件的最优材料配置。

  结语

  汽车轻量化是汽车产业发展的主要方向之一,能有效减轻车身重量,是目前实现汽车节能减排最直接、有效的手段。汽车质量与油耗和排放下降成正相关,比例为5:4:2;汽车轻量化的五类替代材料应用涉及车身、结构件及零件,其中高强度钢是汽车轻量化的基础,铝合金是当前汽车轻量化的重要材料,而镁合金、片状模塑料和复合材料是该领域的新型材料;未来应结合五类材料特点,建立轻量化替代材料的最优配置


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