新材料在汽車(chē)輕量化技術(shù)中的應(yīng)用

史莎莎，劉晉麗

（1. 陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200；2. 陜西汽車(chē)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

新材料在汽車(chē)輕量化技術(shù)中的應(yīng)用

史莎莎1，劉晉麗2

（1. 陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200；2. 陜西汽車(chē)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

汽車(chē)材料正在向輕量化、節(jié)省資源、高性能和高功能方向發(fā)展。本文介紹了國(guó)內(nèi)外汽車(chē)輕量化材料技術(shù)發(fā)展動(dòng)向，簡(jiǎn)要的闡述了我國(guó)汽車(chē)新材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀、差距及存在的主要問(wèn)題。

汽車(chē)；輕量化；新材料

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

引言

隨著世界范圍的能源匱乏、生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化和可持續(xù)發(fā)展的硬性要求，汽車(chē)行業(yè)燃油經(jīng)濟(jì)性準(zhǔn)入門(mén)檻越來(lái)越高。

世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)的報(bào)告指出，汽車(chē)質(zhì)量每減10%,燃油消耗可降低6%～8%，排放降低4%。汽車(chē)輕量化，是在保證汽車(chē)強(qiáng)度和安全性的前提下，盡可能降低汽車(chē)的整備質(zhì)量，從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染[1]。因此，汽車(chē)輕量化對(duì)于節(jié)約能源、減少排放、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有十分積極的意義。汽車(chē)輕量化的主要途徑有：①縮小汽車(chē)的尺寸。在不影響使用的前提下縮小外形尺寸，可減少材料消耗，減小質(zhì)量。②采用輕質(zhì)材料。如鋁合金、鎂合金、泡沫材料、合成塑料、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料等。③采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。如采用有限元分析，局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)等。汽車(chē)材料是汽車(chē)品質(zhì)的基礎(chǔ)，而汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展在很大程度上依托于汽車(chē)材料的發(fā)展，新材料的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的主要途徑之一。本文針對(duì)新材料在汽車(chē)輕量化技術(shù)中的應(yīng)用而展開(kāi)。

1、國(guó)內(nèi)、外汽車(chē)材料輕量化現(xiàn)狀

隨著安全和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，在汽車(chē)行業(yè)高強(qiáng)度鋼和輕金屬材料得到了快速應(yīng)用。在美國(guó)，關(guān)于未來(lái)汽車(chē)材料，業(yè)內(nèi)已達(dá)成共識(shí)，不能片面強(qiáng)調(diào)某一種輕質(zhì)化材料，應(yīng)發(fā)揮不同輕質(zhì)材料的優(yōu)勢(shì)，即合適的材料用在合適的部位[2]。如通用旗下的09款克爾維特Z06車(chē)，采用全鋁車(chē)架，車(chē)身部件更廣泛應(yīng)用碳纖維及鋁合金材料，大量使用諸如碳纖維、鋁、鈦和鎂等輕質(zhì)材料，使其整備質(zhì)量?jī)H1440kg,成為車(chē)身最輕的量產(chǎn)版克爾維特。

由于各國(guó)國(guó)情的不同，汽車(chē)材料的構(gòu)成比例有明顯差異。例如，日本的鋼材價(jià)格比歐美低，而合成樹(shù)脂和鋁的價(jià)格則比較高，故日本生產(chǎn)的汽車(chē)所用的塑料和鋁合金的比例比歐美生產(chǎn)的汽車(chē)低[3～4]。盡管存在程度不同的差異，但各國(guó)汽車(chē)用材料的變化卻有著大體相同的趨勢(shì)。即鋼鐵材料雖然仍是汽車(chē)的主要用材，但其所占的比例呈下降趨勢(shì)，鋁和塑料所占的比例明顯上升。

在國(guó)內(nèi)，汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)迅速提高，汽車(chē)行業(yè)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，一方面大力發(fā)展節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器，另一方面發(fā)展汽車(chē)輕量化技術(shù)，迅速提升我國(guó)汽車(chē)燃油效率。與國(guó)外汽車(chē)材料輕量化先進(jìn)技術(shù)相比，我國(guó)的技術(shù)開(kāi)發(fā)普遍滯后，仍有較大差距[3]。雖然鋁合金在汽車(chē)零部件應(yīng)用中發(fā)展比較成熟，特別是用于發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)器、行走系統(tǒng)零部件及各種附件等，但大部分停留在比較簡(jiǎn)單的零部件替換和輕質(zhì)材料使用方面。作為鋁合金應(yīng)用主體的鋁合金車(chē)身，發(fā)展緩慢，與國(guó)際差距巨大。雖然在電動(dòng)汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料及其部件的研制工作中推出了概念性產(chǎn)品，但還沒(méi)有達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的低成本要求，而且局限于車(chē)身覆蓋件。

從輕量化效果來(lái)看，我國(guó)轎車(chē)平均比國(guó)外重8%～10%，商用車(chē)平均重10%～15%。 我國(guó)汽車(chē)輕量化、安全性、低成本化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)齒輪鋼、彈簧鋼、低延遲斷裂鋼、耐磨鋼提出了新要求。與國(guó)外先進(jìn)車(chē)型用鋼比例對(duì)比，我國(guó)汽車(chē)用高強(qiáng)度鋼的比例和內(nèi)涵均有一定差距，其主要原因之一是沒(méi)有掌握高強(qiáng)度鋼特別是超高強(qiáng)度鋼板的使用技術(shù)，這也是國(guó)內(nèi)鋼鐵、汽車(chē)行業(yè)共同需要深入研究的課題[5～6]。

2、汽車(chē)輕量化常用材料

2.1 鋁合金

鋁合金是汽車(chē)上應(yīng)用得最快、最廣的輕金屬，其中的關(guān)鍵在于鋁合金本身的性能[7]。鋁合金的密度約為鋼的1/3,是非常理想的輕量化材料，在重卡上主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器、變速箱、傳動(dòng)器殼體、離合器殼體、空調(diào)冷凝器、車(chē)輪、把手及罩蓋殼體類(lèi)零件等。

2.2 高強(qiáng)度鋼

重卡車(chē)架所采用的材料基本都是510L，拉伸強(qiáng)度在500MPa左右，車(chē)架用料一般為8mm+5mm,這成了車(chē)輛自重的重要組成部分。隨著A550、A590等高強(qiáng)度鋼板被各企業(yè)采用，車(chē)架縱梁的厚度也開(kāi)始變薄。懸架系統(tǒng)的輕量化突出表現(xiàn)在鋼板彈簧材料和片簧數(shù)量的變革上，少片鋼板彈簧所用的鋼材則是在原Si-Mn的基礎(chǔ)上通過(guò)降低 C并增加Mo及Ni等合金元素，使其剛度和韌性都大幅增高。這種材料的使用使其實(shí)現(xiàn)了40%的輕量化。目前 汽車(chē)使用的高強(qiáng)度鋼主要為板材與管材，它取代普鋼、鑄鐵用于車(chē)身零件和其他結(jié)構(gòu)件，如高強(qiáng)度鋼制成的傳動(dòng)軸可減輕質(zhì)量約10%。安全法規(guī)是推動(dòng)高強(qiáng)度鋼應(yīng)用的重要?jiǎng)恿Γ瑸闈M(mǎn)足更為嚴(yán)格的安全法規(guī)要求，如側(cè)面碰撞，各大汽車(chē)公司均加快了高強(qiáng)度鋼在汽車(chē)車(chē)身、底盤(pán) 懸架和轉(zhuǎn)向系零件上的應(yīng)用。無(wú)間隙原子鋼、烘焙硬化鋼、相變誘發(fā)塑性鋼以及雙相鋼在汽車(chē)底盤(pán)、車(chē)身及懸架的應(yīng)用逐年增加[8]。

2.3 塑料

塑料由于重量輕、耐腐蝕、易加工，一直被汽車(chē)工程界所重視[9]。汽車(chē)用塑料的主要類(lèi)型包括通用工程塑料、塑料合金和增強(qiáng)塑料。塑料在汽車(chē)中用于儀表板、車(chē)門(mén)內(nèi)板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類(lèi)護(hù)板等內(nèi)裝件，而后逐漸向外裝件、結(jié)構(gòu)件和功能件擴(kuò)展，如車(chē)身外板、后阻流板、保險(xiǎn)杠、車(chē)輪罩、前后翼子板、舉升門(mén)，以及油箱、散熱器水室、風(fēng)扇葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管和氣門(mén)室罩蓋等。

3、材料輕量化需重視的問(wèn)題

（1）應(yīng)該在保證汽車(chē)整體性能和車(chē)輛的安全性不受影響的前提下考慮最大限度的減輕零部件質(zhì)量[10]。使用輕量化材料首先要考慮材料的應(yīng)用是否能夠保證車(chē)輛的安全性, 這是汽車(chē)材料輕量化的先決條件。大量撞車(chē)事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，乘員的死亡比例與車(chē)輛的自身重量成反比。汽車(chē)行業(yè)正在致力解決輕量化與車(chē)輛安全的矛盾。要解決好這個(gè)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、吸收沖擊能量能力大的車(chē)身構(gòu)件的新材料，將發(fā)揮重要意義。

（2）應(yīng)該處理好汽車(chē)材料輕量化與原材料成本和資源之間的關(guān)系。如果選用資源少, 成本高的輕量化原材料, 必然提高整車(chē)成本。所以在原料選用上一定要注意選用成本低資源多的材料, 從而達(dá)到在提高汽車(chē)材料輕量化的同時(shí)降低汽車(chē)整車(chē)制造成本的目的。

4、結(jié)語(yǔ)

輕量化材料是汽車(chē)材料發(fā)展的主導(dǎo)方向之一。但如何選擇合適材料, 在成本最低的情況下實(shí)現(xiàn)重量最小化，性能最優(yōu)化則由成本與重量關(guān)系所決定, 否則可能會(huì)造成材料性能過(guò)剩或者不能充分發(fā)揮材料性能。低成本和高性能是汽車(chē)材料開(kāi)發(fā)面臨的新挑戰(zhàn)。

[1] 智淑亞.汽車(chē)車(chē)身輕量化材料的應(yīng)用與發(fā)展 [J].中國(guó)制造業(yè)信息化，2012，41（17）:104-106.

[2] 馮美斌.汽車(chē)輕量化技術(shù)中新材料的發(fā)展與應(yīng)用[J].汽車(chē)工程，2006，28（3）:213-219.

[3] 潘堅(jiān).美國(guó)的先進(jìn)汽車(chē)材料計(jì)劃[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2002，（10）:11-12.

[4] 肖永清.輕量化材料驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的未來(lái) [J].汽車(chē)工程，2010，（12）:14-16.

[5] 褚東寧.未來(lái)汽車(chē)業(yè)的發(fā)展與材料技術(shù)[J].材料工藝與技術(shù)，2011，（2）: 39-44.

[6] 陳長(zhǎng)年.全球汽車(chē)業(yè)處于材料革命前夜[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2013，（2）:131-135.

[7] 張文毓.車(chē)用新材料及其應(yīng)用進(jìn)展[J].現(xiàn)代零部件，2013，（5）:37-38.

[8] 王利.汽車(chē)輕量化及其材料的經(jīng)濟(jì)選用[J].汽車(chē)工藝與材料，2013，（1）:1-3.

[9] 閆輝. 汽車(chē)車(chē)身輕量化材料的應(yīng)用研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2013，（1）:140-142.

[10] 高亞楠.淺談汽車(chē)材料的輕量化發(fā)展態(tài)勢(shì)[J].汽車(chē)工業(yè)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，就職于陜西重型汽車(chē)有限公司。