浅谈轻量化技术在汽车领域的应用和发展前景

成亮

[摘要]随着汽车节能减排和环保的要求越来越高，除了“新能源”技术外，如何减轻汽车重量，从而降低汽车油耗，轻量化技术在汽车领域的应用可以有效地解决这些问题。

[关键词]汽车；轻量化；碳纤维

1轻量化的意义

轻量化概念最早起源于赛车，重量轻了，并能导致更好的操控，发动机的功率输出能够产生更高的加速度的。作为车辆用灯具，启动性能和更好的加速，制动刹车距离较短。随着“绿色能源”已日益成为普遍关注的话题，也轻巧广泛应用到汽车领域，以提高操控性，同时仍然突出的燃油经济性能。汽车的油耗和排放取决于汽车发动机的总质量，在保持汽车整体品质，性能和成本优化不变甚至减少汽车的自身重量可以提高输出功率的前提下，降低噪音，提升操控可靠，提高速度，降低油耗，减少排放，提高安全性。有研究数字显示，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；若滚动阻力减少10%，燃油效率可提高3%；若车桥、变速器等装置的传动效率提高10%，燃油效率可提高7%。汽车车身约占汽车总质量的30%，空载情况下，约70%的油耗用在车身质量上。因此车身变轻对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。

2轻量化技术主要有以下几方面

2.1具有更高强度的轻质材料的应用

构成汽车的2万多个零件中，约86%是金属材料，且钢铁占了约80%，这表明通过材料的轻量化来减轻汽车重量有巨大潜力。目前铝合金、高强度钢、碳纤维、工程塑料和复合材料等轻质材料的开发与应用在汽车的轻量化中发挥了重大作用。

铝是最广泛使用的汽车材料的轻质材料，铝具有良好的机械性能，并且它的密度是钢的，易于加工，导热性，耐腐蚀性。高强度铝合金的约113，而且具有良好的能量吸收。根据铝的美国研究所，利用每车铝0.45kg可以减轻车重1kg，车铝理论上可以减肥比钢汽车约40%。因为铝具有上述优点，它已成为最常用的铝轻质材料在车内。越来越多的铝合金轮毂和全铝制发动机出现在各种车型，逐步取代传统的钢构件。

高强度钢也是一种广泛应用的轻量化材料，它的应用可以减少钢板的设计用量和厚度。高强度钢保留了甚至提高了钢材的优点。与铝、镁、复合材料等相比，高强度钢板的原料与制造价格较低，经济性较好，可以大量取代现在所用的车用钢材，支撑起乘员舱结构的钢材通常使用的都是高强度钢。

碳纤维这种材料具有重量轻、刚性好、吸能性好、易塑性高、耐腐蚀等优点。碳纤维在车辆装饰方面的应用是占多数的，例如发动机盖、尾翼、内饰面板等。碳纤维比铝轻30%、比钢轻50%，强度是钢的7到9倍。钢铁材料约占车体重量的3/4，如果汽车的钢材部件全部由碳纤维复合材料置换，车体重量可减轻300kg，燃油效率提高36%，二氧化碳排放量可削减17%。而且有的汽车厂商已经把碳纤维复合材料应用在汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等关键零件上，例如：赛车底盘、碳纤维制动盘、碳纤维轮毂、传动轴。碳纤维还具有极佳的能量吸收率，碰撞吸能能力是钢的6倍-7倍、铝的3倍-4倍。

基于这几点原因，碳纤维材料才逐渐小幅度地在中档汽车身上运用，再加上新能源汽车的普及，对车身重要的要求进一步提高了，这也促进了碳纤维材料车身的应用，例如奥新新能源汽车公司在2015年成功研发的碳纤维车身电动车，这样不但能达到节能减排的省油需求，也能满足消费者关心的安全问题。碳纤维车身的普及另外还有一个重要问题，就是碳纤维材料的来源，相信大家都知道，碳纤维零部件是由碳纤维丝束贴制而成，所以丝束才是技术关键。

在全球主要的高性能纤维年产能33万吨，中国只有7.3万吨，供应乏力。在竞争激烈的碳纖维领域，我国年产量仅为4000吨，大多数企业处在亏损状态。中国碳纤维企业有30多家，每家投入几亿元到十几亿元，最大规模不超过3000吨，相比国际龙头3万吨的规模而言，竞争力多少显得有些不足。因此碳纤维车身的普及在国内比在国外，要面对的困难会更多。制造碳纤维丝束。需要芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、聚苯硫醚纤维、玄武岩纤维、聚酰亚胺纤维等材料，以及相关设备。而我国生产碳纤维的关键材料和设备还依靠进口。据介绍，由于碳纤维油剂、碳化设备依靠进口，没有大型石墨碳材料，许多企业不得不从国外购买要价不菲的汽车零部件自动化生产线。

2.2结构轻量化设计与优化

在承载式车身，设计与钢体结构的强度是安全决策的一个重要因素。强大的软件设计工程师可以优化设计和检查汽车结构的强度和刚度，降低体重和板的厚度，从而使中空部，小型化或复合，以确保车辆的质量和性能。谋求材料成本，重量。安全性能指标和点的其他最佳组合，我们需要使用的各种材料的组合，和用于安排多材料组合必须使用每个材料的最好的部分进行设计。豪华车采用了空间框架结构、成分大多是多功能的大型铸件，大型整体结构和锻件比例高，可以减少身体各部分的数量，一系列的优化，轻量化设计使得整车的同时提高安全性能。因为车重每减小10%，油耗可降低6%-8%，排放量可降低5%-6%，0km/h-100km/h加速性可提升8%-10%，制动距离缩短2m-7m。

车辆主要是人的事故发生时的保障，而不是损坏的汽车程度的安全性来衡量。大型车具有轻便车相撞的重量，损失重的汽车程度比较小，但是伤害人员吸能车身设计，以及主动和被动安全的程度密切相关。例如，通过优化结构设计一些模型，它能够更好地吸收撞击能量分散到一个高强度A柱和车身下部，提高乘客的安全，同时也降低了在进攻对方车辆。该车辆的重心的体重后的中心可以实现向下以提高车辆的操纵性和稳定性。实际上，对于不同的部分安全车有不同的要求。例如，有缓冲的无左右两侧必须改善通过高冲击钢安全梁刚性部分。而且对于前部和后部保险杠、发动机、躯干吸收更多重要的缓冲器。门冲击梁的内部采取一些垂直布置，有一对角型，也就是，从该帧的底部一直延伸到窗玻璃的底部边缘。不管如何他们的具体位置，车门防撞梁乘客坚固的结构，最直接、最有效的保护，这可以减少乘员的力量可以从外面受苦。事实证明在车门冲击梁击中固定物体（如树）时的保护作用是很明显的。豪华车采用了空间框架结构、成分大多是多功能的大型铸件，大型整体结构和锻件比例高，可以减少身体各部分的数量，一系列的优化，轻量化设计使得整车的同时提高安全性能。

3结语

实际上在应对节能与环保的问题上，国际车企对于轻量化都十分重视。目前欧洲、美国、日本等主要汽车生产厂商都在推进汽车轻量化项目。目前国际上平均每车每年自重减轻1%，国内自主乘用车较国外同类车自重高约8%～10%，国内自主商用车较国外同类车自重高约10%-15%。正是看到这种差距，国内整车厂和研发机构共同成立了“汽车轻量化技术创新战略联盟”，试图通过联合研发一定时间内达到跨国公司目前整车的轻量化水平。相信在不久的将来，轻量化汽车将会走进千家万户。与“新能源”技术共同打造一个更加环保的地球。

[责任编辑：杨玉洁]