汽車輕量化的未來在哪里

馬恩釗

摘 要：汽車的輕量化是指通過優化汽車結構和材料、生產工藝模塊化等途徑，在保證汽車成品質量的同時降低車身質量。它能在提供高安全性的同時有效減少能耗，提升經濟性和穩定性。而中國實現輕量化的途徑可通過聯合新能源汽車共同開發、技術共享和政府扶持等方式來實現。

關鍵詞：汽車；輕量化；材料

0 引言

汽車輕量化是汽車產業在21世紀的發展大趨勢。它是在保證汽車安全性和質量的同時，采用輕型材料或改進型生產工藝，以降低整車的質量。在目前工業4.0時代和環境污染的雙重背景下，它也是降低能耗、減少環境污染的有效措施之一。中國是汽車保有量大國，數據統計，截止2014年底，中國的汽車保有量達到1.54億輛，這一數字比10年前翻了一番，開展汽車產業的節能減排措施刻不容緩。

文章主要闡述了汽車輕量化的相關背景和概念，重點分析了汽車輕量化的實現途徑、意義及相關特色工藝，提出了當今汽車輕量化趨勢中存在的問題。最后也結合中國目前汽車輕量化工藝現狀，對未來作出了展望。

1 汽車輕量化的歷史與發展

顧名思義，物體的輕量化是指通過相關技術來降低其質量。這一概念最早可追溯到20世紀20年代的賽車運動，當時的Auto Union（現在的奧迪）聯合其他幾家汽車公司，通過采用輕量化技術、空氣動力學理念和高性能發動機，合力建造了世界上第一輛速度超過400km/h的賽車，轟動了世界。此后，隨著越來越多優質材料的發現和生產工藝的進步，這一概念不再局限于賽車領域，逐漸被廣泛應用到整個汽車行業以及飛行器材行業。

數據統計，20世紀80年代，中小型汽車的駕駛室平均質量為1500kg，而這一數字在90年代末降低了18%，為1230kg。而如今，這一數字普遍在1100kg附近。汽車的輕量化一般采用輕型高強度材料和先進生產工藝，使得現在的汽車體積更小，外觀更加流線化，因此，從這個層面上來說，汽車的輕量化可以作如下定義——在不降低汽車成品質量的同時減少車身質量。

2 汽車輕量化的意義

目前全球社會正處于工業4.0時代的開端，制造業的宗旨主要以“智能生產”、“智能物流”為主，汽車輕量化的實施正是基于這樣一個大背景，它尋求的是車身智能化、去繁瑣化，從而達到智能生產、節能生產、高質量生產。

首先，汽車輕量化能顯著降低油耗，節約能源。數據顯示，汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車整體質量每減少100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L[1]。油耗降低也使車輛續航能力得到提升，相比于近期的熱點新能源汽車，輕量化汽車的優勢不言而喻。

其次，輕量化之后的汽車安全系數也能得到保證。這里的安全性體現在兩個方面，第一，減少的車重意味著汽車重心的降低，這能提升駕駛穩定性，且還可根據車主需求，另行添加雷達等相關安全設備。第二，車體自身攜帶的動能和慣性均隨著整車質量的減少而減少。一旦有碰撞發生時，需要汽車緩沖區吸收的動能也就減少了。在碰撞事故中導致車內乘員受傷的主要原因就是動能沒有被車體吸收而是要由車內乘員共同吸收。所以安全的車，在同等速度碰撞時應該是所帶動能盡可能少，而車身吸收的動能盡可能多，而輕量化后的車身更易吸能潰縮，從而保證車內人員安全。當然，這里排除了野蠻駕駛、超速駕駛等本身就具有高風險性的違法行為，僅討論普通駕駛條件下的安全性。

值得一提的是，汽車輕量化對環境保護帶來的效益也是不可估量的。耗油量的下降，輕質環保材料的選取都能降低碳排放和尾氣排放。在近期召開的巴黎氣候大會上，各國達成了全球平均氣溫較工業化前水平升高幅度控制在2℃之內的目標。汽車輕量化的實施在一定程度上有助于該目標的實現。

很多人對汽車輕量化存在一定偏見，認為汽車輕量化會導致安全性等系數的降低。但其實，如果片面的追求所謂的安全性，那坦克的安全性要遠遠高于汽車。事實上，整個工業社會趨勢即是輕量化。以飛機為例，當代的飛機比20世紀的飛機更為輕巧，20世紀60年代的波音747客機空重達174000kg，而如今一架體積近似的波音787“夢想客機”空重只有110000kg，質量減輕了36.78%。更輕的飛機意味著更加經濟，波音747的每座百公里油耗是3.1L，而最新的波音787每座百公里油耗只有2.4L，減少了22.58%。而且當代的飛機單位承載量也比20世紀的飛機有顯著提高，安全系數卻并沒有受到影響，反而高了幾個數量級。這說明，“健康發展”的輕量化并不會帶來安全隱患，相反，它會倒逼汽車制造技術的更新換代。

3 汽車輕量化的實現途徑

一般而言，汽車輕量化可以從以下幾個角度開展：

3.1 采用輕型材料

這一點對輕量化的幫助是最為直觀的。常用的輕量化材料可以分為非金屬材料和金屬材料。其中，非金屬主要為碳纖材料、高性能塑料；后者主要為高強鋼、各類合金。上表1為美國能源部對各類輕型材料的減重效果的實測數據及材料的優缺點[2]：

從表1可以看出，碳纖復合材和鎂合金的減重效果相對較高，但大部分材料都存在自身局限性，且由于各種材料的應用范圍和成本各不相同，因此無法具體比較優劣。這里介紹在汽車輕量化應用中的一種新型材料——塑料。眾所周知，塑料具有密度小，重量輕的特點，其比重只有鋼鐵的七分之一。以它為基礎制成的復合材料，強度和抗腐蝕性會大大提升，且有一定的絕熱效果。因此，將其用于汽車材料尤其是內飾中，能有效降低車身重量。根據馬鳴圖的研究，塑料復合材料在汽車中的典型構件有發動機的進氣歧管、車內的把手、發動機油底殼、發動機蓋板等[3]。而在混合動力車上，塑料復合材料還可作為電池支架。而針對塑料材料彈性較差的特點，國外專家向PP塑料中加入一定的橡膠彈性體，極大改善了這一問題。

3.2 制造工藝先進化

一個現代化、自動化的生產工藝能避免多余步驟和工序，避免人力和物力資源的浪費。總的來說，在汽車行業里，制造工藝的先進化體現在模塊化生產、智能化生產。在汽車制造時應采用先進制造工藝激光焊接、攪拌摩擦焊、液壓成型、熱處理、鎖錨連接等。以液壓成型為例，它是把待加工的組件放入模具中，將液體引入模具內并增加液體壓力，從而使材料變形，最終成為所需形狀。這種工藝能減少零部件數量，在國外汽車制造工藝中較為常見[4]。

此外，汽車輕量化也可以參考并結合新能源汽車的先進工藝，采用“輕量化+新能源”、“輕量化+3D打印”或是“輕量化+石墨烯”的聯合開發技術，這樣的技術共享手段有“1+1>2”的效果。巴斯夫在“巴斯夫科技創新匯全球巡展亞洲站”展出的一款Smart Vision電動概念車，其發動機底盤懸架系統、車身系統和內外飾中應用了工程塑料、高性能聚氨酯、特殊功能性泡沫等多項創新產品，使其重量較同款車型輕了三分之一，這意味著同樣的電力支持下，這輛車可以多跑20%的路[5]。這是聯合開發的典型正面案例。

3.3 汽車結構優化

在生產時使用計算機輔助集成技術來對對原本分散加工的零部件進行輔助集成，模擬這些零件的整體加工工藝；使用CAD等技術仿真模擬行車、碰撞等安全性能實驗；使用CAE技術分析汽車的運動干涉。這些都能優化工藝程序，實現輕量化。

3.4 汽車材料回收

在上述提到的汽車新型材料中，相當部分的合金材料具有很高的回收價值，而與此同時，這些材料的制作周期長，成本高。因此，對這些材料的回收加工再利用，在某種程度上也能體現汽車輕量化。

3.5 政府與企業聯動

政府在汽車輕量化中也應扮演引導者的角色。政策扶持、資金補貼、人才輔導引進等方式都能有效加快輕量化的進程。當然，輕量化絕不意味著偷工減料，有關部門應建立相關法律條例，明確輕量化的范疇，對于不符合輕量化標準的汽車，也應責令廠家召回。

4 汽車輕量化的前景展望

雖然汽車輕量化是大勢所趨，但不可否認的是，它對于國內汽車工業而言仍是新興事物。相比國外，我國汽車輕量化才剛剛起步。數據顯示，目前中國每輛汽車平均消耗汽油（柴油）2.15t/年，遠高于歐盟的1.5t/年、日本的1.1t/年，中國車用燃油占燃油總消耗量近55%，而石油的進口依賴度超過55%，已經高于美國，能源安全問題壓力巨大[6]。因此，在發展中難免會遇到很多阻礙和限制。目前，國內在汽車輕量化發展上最大的困難仍舊在于技術，由于沒有掌握核心技術，對于輕量化零部件只能靠進口等方式進行，這無形之間增加了成本，減緩了輕量化進程。另外國產鋼材在滿足汽車用鋼的強度和耐性方面，其深沖性和強塑性還不到位[7]。歸根結底，汽車輕量化受到的關注度和重視程度仍顯不足。

針對這些問題，可以從多角度探尋解決方案。第一，政府應做到正確引導、超前部署。這里的引導不僅僅是從資金和法律扶持角度而言，更應該在大學汽車類專業中開展相關課程，培養專業性人才。掌握了關鍵技術后，汽車輕量化將會有突飛猛進的發展。第二，汽車廠商在生產時也應淘汰現有舊工藝，勇于嘗試新材料，不能故步自封。事實上早在2008年，中國汽車輕量化產業創新聯盟就已經建立，但是其作用相對有限，無法起到實質性的效果[8]。最后，消費者也應通過各種渠道去熟悉汽車輕量化這一概念，排除認知上的誤區。通過政府—廠家—消費者的良性合作聯動，汽車輕量化在中國的未來一定是光明的。

5 結論

汽車輕量化通過改進生產工藝、采用輕型材料等手段，在保證汽車性能的同時減輕其重量，以達到高效、節能環保的特點。這一理念在中國剛剛起步，存在一定發展瓶頸，需要通過多方合作，以改變現狀。

參考文獻

[1]范軍鋒，陳銘.中國汽車輕量化之路初探[J].鑄造，2006，55（10）：995-998.

[2]陳一龍.我們需要什么樣的輕量化？[J].能源評論，2012，（6）：86-88.

[3]馬鳴圖，易紅亮，路洪洲，等.論汽車輕量化[J].中國工程科學，2009，11（9）：20-27.

[4]韓英淳，于多年，馬若丁.汽車輕量化中的管材液壓成形技術[J].汽車工藝與材料，2003，（8）：23-27.

[5]朱海霞.化學推動可持續發展的未來 巴斯夫科技創新匯巡展上海站觀感記[J].汽車與配件，2012，（46）：34-35.

[6]文巖.油耗限值壓力倒逼汽車輕量化[N].工人日報，2015-06-10（08）.

[7]康永林.汽車輕量化先進高強鋼與節能減排[J].鋼鐵，2008，43（6）：1-7.

[8]高振華.輕量化：一個不輕松的話題[J].汽車觀察，2015，（2）：21.