汽车材料及结构轻量化的研究进展

熊培练

摘 要：随着人们在日常生活中对汽车的依赖程度增加，汽车的产量逐年增加，伴随着环境污染加重和能源短缺问题的出现。汽车轻量化逐渐受到人们的关注，本文介绍汽车轻量化在国内外的发展现状和趋势的同时，具体介绍汽车轻量化的两个主要方向：汽车材料和结构轻量化。汽车材料轻量化中具体介绍了金属材料如高强度钢、铝合金、镁合金和非金属材料如碳纤维、塑料和树脂在汽车行业的应用;汽车结构轻量化主要通过结构设计达到减轻汽车重量、节能减排目的。最后对汽车轻量化未来的发展进行展望。

关键词：汽车材料;汽车结构;轻量化;节能减排

1 引言

随着人们在日常生活中对汽车的依赖程度增加，汽车的产量逐年增加，生产技术也不断提升。虽然汽车使人们出行更加便利高效，提高人们生活质量，但同时尾气排放的增加也造成了环境的不可逆污染日益加剧，能源的使用量也不断提高。现如今在汽车行业能节能减排实现低碳经济的主要有两个方向：第一，汽车材料轻量化;第二，汽车结构轻量化。据相关研究表明汽车重量每下降10%，燃油的用量下降6%～8%，尾气的排放量下降4%～10%。轻量化汽车的使用能节能减排的同时也改善了汽车的性能，提高汽车行驶的安全性。目前，汽车轻量化已成为汽车行业发展的必然趋势。[1-8]

2 国内外汽车轻量化的发展现状及趋势

我国汽车行业在轻量化方面的发展虽然已经起步并逐渐形成了一個较为完整的体系，但是和其他国家相比还是差距显著。首先，国内的自主创新能力弱，大部分依赖国外先进技术。日本、德国、美国发表关于汽车轻量化方面的专利数量占全球专利总数量的70%，其中发表的核心专利占80%。国内应加强汽车轻量化核心专利发表的重视，提高汽车轻量化的自主创新能力，并自主创造出具有优异性能的轻量化汽车。其次，国内没有完善的汽车轻量化组织体系，汽车企业没有设置专门的研发部门，没有注重企业、高校、研究机构各方的协同。国外不仅有政府的支持，也同时推动构建“企业+高校+研究机构”的产业组织体系。最后，国外政府出台政策扶持、引导汽车轻量化应用，例如技术标准包括燃油经济性标准、温室气体排放标准、技术要求及目标;财税政策包括高额燃油税、重量税、财政补贴、经济处罚;科技计划：共性关键技术研发项目、鼓励和支持跨产业合作。国内也应加强政府指导，出台相关政策，大力发展汽车轻量化技术。[8-11]

3 汽车材料轻量化

汽车材料轻量化和汽车结构轻量化两者相辅相成，通过减轻汽车重量来减轻环境污染、降低能源消耗、提高汽车性能。在20世纪80年代，大部分汽车材料都是由钢铁组成，但世界石油危机爆发后，人们开始追求轻量化汽车材料以降低燃油使用量。因此增加了如高强度钢、镁合金、铝合金、钛合金、锌合金以及塑料、橡胶等低密度、高强度、性能优异汽车材料的使用，而钢铁材料在汽车方面的应用比例有一定降低。[2]

3.1 金属类材料

3.1.1 高强度钢

汽车材料制造技术不断更新的时代，陆续出现了镁、铝合金等轻质材料代替传统钢铁，导致钢铁生产企业面临危机。面对市场需求日益衰减的境况，钢铁企业迅速采取有效措施，研发制造出密度低，高强度的车用高强度钢。[3]高强度钢又可分为高强度、超高强度钢以及特高强度钢板。[1]相比普通钢材，高强度钢能减轻车身重量达16%，提高燃油经济性达10%。虽然其密度比镁、铝合金大，但高强度钢具有强度高、塑性较好、韧性较好、安全性高、成本较低等优点，因而在汽车方面得到广泛应用。 钢材主要分布在车身，然而车身重量占整车重量的40%～60%，所以高强度钢的使用能很大程度的减轻车身重量，实现汽车轻量化。[12]

3.1.2 铝合金

铝合金相比钢材具有更小的密度，其密度只是钢材的1/3，还具有比强度高、抗腐蚀强、导热性好、物理性能良好等优点。[13]根据铝合金材料性能的不同，其在汽车上的应用也有差异。汽车生产中的铝合金材料可分为三类：铸造铝合金因其良好的耐腐蚀性及导热性，在汽车的发动机气缸盖、热交换器及气缸体应用广泛;变形铝合金因其韧性好和强度高的优点，在汽车悬挂零件、结构件、车身面板等应用广泛;铝基复合材料具有抗疲劳、抗断裂等优点，在汽车的驱动轴、摇臂等零件中应用广泛。[5]虽然铝合金的成本高，只有国外的少数运动和豪华车型上得到应用，但其显著的减重能力使其在汽车材料轻量化中占据举足轻重的地位。

3.1.3 镁合金

镁合金具有优异的散热性和减震性，其重量只是铝合金材料的66%。[3]根据其良好的性能在汽车产业中也逐渐得到重视，主要应用在方向盘、轴承、安全气囊底座和车身部分。[7]在欧洲和美国汽车材料领域应用广泛，已经投入使用和正在产品研发阶段的汽车用镁合金产品分别为60和100余种，其中镁合金的单车用量分别为9.3～20.3kg和5.8～26.3kg。[1]但在国内由于镁合金生产工艺较复杂、成本较高，在单车上的使用量不足1.5kg。我国应加大开发利用镁合金简化生产工艺、优化性能，在汽车材料轻量化上充分发挥其轻质优点。[9]

3.2 非金属类材料

3.2.1 碳纤维

碳纤维是一种含碳量高达90%的纤维状碳材料，具有低密度、耐高温、高强度、耐腐蚀性强等特点。[1]欧美日等发达国家的汽车行业巨头们都引领并推动着碳纤维材料在汽车上应用，德国宝马公司还率先将碳纤维材料全方位的应用在汽车上，其中包括：车身、底盘、车顶、车门、引擎盖、尾翼、仪表盘、传动轴、头盖、压尾翼、中控台等系统。宝马公司生产的碳纤维量产电动汽车，其整车车身全部由碳纤维制造，车身重量仅有112.2kg。除了宝马公司，丰田、大众、奔驰、现代等各大汽车厂商都在加大对碳纤维的开发力度，以期实现汽车轻量化。[14]

3.2.2 塑料

车用塑料具有质量轻、耐热、耐腐蚀、韧性好等优点，因此在汽车上的使用量也逐年增加。汽车上使用的塑料主要为用于仪表盘、轮圈盖和引擎部件的聚丙烯（PP）;用于汽车地毯的聚乙烯（PE）;用于汽车保险杠格栅的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）。[1]现在国外的汽车厂商已经研制出性能更优异的车用塑料，不仅减重，还兼顾汽车制造成本、质量、功能，未来塑料在汽车上的使用范围将更加广泛。[15-16]