新材料在汽车轻量化技术中的应用

史莎莎，刘晋丽

（1. 陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200；2. 陕西汽车集团有限公司，陕西 西安 710200）

新材料在汽车轻量化技术中的应用

史莎莎1，刘晋丽2

（1. 陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200；2. 陕西汽车集团有限公司，陕西 西安 710200）

汽车材料正在向轻量化、节省资源、高性能和高功能方向发展。本文介绍了国内外汽车轻量化材料技术发展动向，简要的阐述了我国汽车新材料开发与应用现状、差距及存在的主要问题。

汽车；轻量化；新材料

CLC NO.:U465Document Code:BArticle ID:1671-7988(2014)07-77-02

引言

随着世界范围的能源匮乏、生态环境持续恶化和可持续发展的硬性要求，汽车行业燃油经济性准入门槛越来越高。

世界铝业协会的报告指出，汽车质量每减10%,燃油消耗可降低6%～8%，排放降低4%。汽车轻量化，是在保证汽车强度和安全性的前提下，尽可能降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染[1]。因此，汽车轻量化对于节约能源、减少排放、实现可持续发展战略具有十分积极的意义。汽车轻量化的主要途径有：①缩小汽车的尺寸。在不影响使用的前提下缩小外形尺寸，可减少材料消耗，减小质量。②采用轻质材料。如铝合金、镁合金、泡沫材料、合成塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等。③采用计算机进行结构优化。如采用有限元分析，局部加强设计等。汽车材料是汽车品质的基础，而汽车技术的发展在很大程度上依托于汽车材料的发展，新材料的应用是实现汽车轻量化的主要途径之一。本文针对新材料在汽车轻量化技术中的应用而展开。

1、国内、外汽车材料轻量化现状

随着安全和排放法规的日益严格，在汽车行业高强度钢和轻金属材料得到了快速应用。在美国，关于未来汽车材料，业内已达成共识，不能片面强调某一种轻质化材料，应发挥不同轻质材料的优势，即合适的材料用在合适的部位[2]。如通用旗下的09款克尔维特Z06车，采用全铝车架，车身部件更广泛应用碳纤维及铝合金材料，大量使用诸如碳纤维、铝、钛和镁等轻质材料，使其整备质量仅1440kg,成为车身最轻的量产版克尔维特。

由于各国国情的不同，汽车材料的构成比例有明显差异。例如，日本的钢材价格比欧美低，而合成树脂和铝的价格则比较高，故日本生产的汽车所用的塑料和铝合金的比例比欧美生产的汽车低[3～4]。尽管存在程度不同的差异，但各国汽车用材料的变化却有着大体相同的趋势。即钢铁材料虽然仍是汽车的主要用材，但其所占的比例呈下降趋势，铝和塑料所占的比例明显上升。

在国内，汽车排放标准迅速提高，汽车行业应对挑战，一方面大力发展节能发动机和变速器，另一方面发展汽车轻量化技术，迅速提升我国汽车燃油效率。与国外汽车材料轻量化先进技术相比，我国的技术开发普遍滞后，仍有较大差距[3]。虽然铝合金在汽车零部件应用中发展比较成熟，特别是用于发动机、传动机构、转向系统、制动器、行走系统零部件及各种附件等，但大部分停留在比较简单的零部件替换和轻质材料使用方面。作为铝合金应用主体的铝合金车身，发展缓慢，与国际差距巨大。虽然在电动汽车用碳纤维复合材料及其部件的研制工作中推出了概念性产品，但还没有达到产业化的低成本要求，而且局限于车身覆盖件。

从轻量化效果来看，我国轿车平均比国外重8%～10%，商用车平均重10%～15%。 我国汽车轻量化、安全性、低成本化的发展趋势，对齿轮钢、弹簧钢、低延迟断裂钢、耐磨钢提出了新要求。与国外先进车型用钢比例对比，我国汽车用高强度钢的比例和内涵均有一定差距，其主要原因之一是没有掌握高强度钢特别是超高强度钢板的使用技术，这也是国内钢铁、汽车行业共同需要深入研究的课题[5～6]。

2、汽车轻量化常用材料

2.1 铝合金

铝合金是汽车上应用得最快、最广的轻金属，其中的关键在于铝合金本身的性能[7]。铝合金的密度约为钢的1/3,是非常理想的轻量化材料，在重卡上主要用于发动机气缸体、发动机散热器、变速箱、传动器壳体、离合器壳体、空调冷凝器、车轮、把手及罩盖壳体类零件等。

2.2 高强度钢

重卡车架所采用的材料基本都是510L，拉伸强度在500MPa左右，车架用料一般为8mm+5mm,这成了车辆自重的重要组成部分。随着A550、A590等高强度钢板被各企业采用，车架纵梁的厚度也开始变薄。悬架系统的轻量化突出表现在钢板弹簧材料和片簧数量的变革上，少片钢板弹簧所用的钢材则是在原Si-Mn的基础上通过降低 C并增加Mo及Ni等合金元素，使其刚度和韧性都大幅增高。这种材料的使用使其实现了40%的轻量化。目前 汽车使用的高强度钢主要为板材与管材，它取代普钢、铸铁用于车身零件和其他结构件，如高强度钢制成的传动轴可减轻质量约10%。安全法规是推动高强度钢应用的重要动力，为满足更为严格的安全法规要求，如侧面碰撞，各大汽车公司均加快了高强度钢在汽车车身、底盘 悬架和转向系零件上的应用。无间隙原子钢、烘焙硬化钢、相变诱发塑性钢以及双相钢在汽车底盘、车身及悬架的应用逐年增加[8]。

2.3 塑料

塑料由于重量轻、耐腐蚀、易加工，一直被汽车工程界所重视[9]。汽车用塑料的主要类型包括通用工程塑料、塑料合金和增强塑料。塑料在汽车中用于仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各类护板等内装件，而后逐渐向外装件、结构件和功能件扩展，如车身外板、后阻流板、保险杠、车轮罩、前后翼子板、举升门，以及油箱、散热器水室、风扇叶片、发动机进气管和气门室罩盖等。

3、材料轻量化需重视的问题

（1）应该在保证汽车整体性能和车辆的安全性不受影响的前提下考虑最大限度的减轻零部件质量[10]。使用轻量化材料首先要考虑材料的应用是否能够保证车辆的安全性, 这是汽车材料轻量化的先决条件。大量撞车事故的统计数据表明，乘员的死亡比例与车辆的自身重量成反比。汽车行业正在致力解决轻量化与车辆安全的矛盾。要解决好这个问题，开发出质量轻、强度高、吸收冲击能量能力大的车身构件的新材料，将发挥重要意义。

（2）应该处理好汽车材料轻量化与原材料成本和资源之间的关系。如果选用资源少, 成本高的轻量化原材料, 必然提高整车成本。所以在原料选用上一定要注意选用成本低资源多的材料, 从而达到在提高汽车材料轻量化的同时降低汽车整车制造成本的目的。

4、结语

轻量化材料是汽车材料发展的主导方向之一。但如何选择合适材料, 在成本最低的情况下实现重量最小化，性能最优化则由成本与重量关系所决定, 否则可能会造成材料性能过剩或者不能充分发挥材料性能。低成本和高性能是汽车材料开发面临的新挑战。

[1] 智淑亚.汽车车身轻量化材料的应用与发展 [J].中国制造业信息化，2012，41（17）:104-106.

[2] 冯美斌.汽车轻量化技术中新材料的发展与应用[J].汽车工程，2006，28（3）:213-219.

[3] 潘坚.美国的先进汽车材料计划[J].新材料产业，2002，（10）:11-12.

[4] 肖永清.轻量化材料驱动汽车的未来 [J].汽车工程，2010，（12）:14-16.

[5] 褚东宁.未来汽车业的发展与材料技术[J].材料工艺与技术，2011，（2）: 39-44.

[6] 陈长年.全球汽车业处于材料革命前夜[J].制造技术与机床，2013，（2）:131-135.

[7] 张文毓.车用新材料及其应用进展[J].现代零部件，2013，（5）:37-38.

[8] 王利.汽车轻量化及其材料的经济选用[J].汽车工艺与材料，2013，（1）:1-3.

[9] 闫辉. 汽车车身轻量化材料的应用研究[J].机械研究与应用，2013，（1）:140-142.

[10] 高亚楠.浅谈汽车材料的轻量化发展态势[J].汽车工业研究，2007，（3）:33-35.

Applications of New Materials in Automotive Lightweighting Technologies

Shi Shasha1, liu Jinli2
（1.Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 700200；
2.Shaanxi Automobile Group Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200)

Automotive material is developed with the features in lightweight, energy saving, high performance and many different functions. This paper introduces the future technical trend of the automotive lightweight materials in China and abroad. The current situations and major drawbacks of new automotive material development and application in China are also dealt with.

Automobile；Lightweight；New materials

U465

B

1671-7988(2014)07-77-02

史莎莎，就职于陕西重型汽车有限公司。