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(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)和材料、生產(chǎn)工藝模塊化等途徑，在保證汽車成品質(zhì)量的同時(shí)降低車身質(zhì)量。它能在提供高安全性的同時(shí)有效減少能耗，提升經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。而中國實(shí)現(xiàn)輕量化的途徑可通過聯(lián)合新能源汽車共同開發(fā)、技術(shù)共享和政府扶持等方式來實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：汽車；輕量化；材料

0 引言

汽車輕量化是汽車產(chǎn)業(yè)在21世紀(jì)的發(fā)展大趨勢(shì)。它是在保證汽車安全性和質(zhì)量的同時(shí)，采用輕型材料或改進(jìn)型生產(chǎn)工藝，以降低整車的質(zhì)量。在目前工業(yè)4.0時(shí)代和環(huán)境污染的雙重背景下，它也是降低能耗、減少環(huán)境污染的有效措施之一。中國是汽車保有量大國，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2014年底，中國的汽車保有量達(dá)到1.54億輛，這一數(shù)字比10年前翻了一番，開展汽車產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排措施刻不容緩。

文章主要闡述了汽車輕量化的相關(guān)背景和概念，重點(diǎn)分析了汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)途徑、意義及相關(guān)特色工藝，提出了當(dāng)今汽車輕量化趨勢(shì)中存在的問題。最后也結(jié)合中國目前汽車輕量化工藝現(xiàn)狀，對(duì)未來作出了展望。

1 汽車輕量化的歷史與發(fā)展

顧名思義，物體的輕量化是指通過相關(guān)技術(shù)來降低其質(zhì)量。這一概念最早可追溯到20世紀(jì)20年代的賽車運(yùn)動(dòng)，當(dāng)時(shí)的Auto Union（現(xiàn)在的奧迪）聯(lián)合其他幾家汽車公司，通過采用輕量化技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)理念和高性能發(fā)動(dòng)機(jī)，合力建造了世界上第一輛速度超過400km/h的賽車，轟動(dòng)了世界。此后，隨著越來越多優(yōu)質(zhì)材料的發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，這一概念不再局限于賽車領(lǐng)域，逐漸被廣泛應(yīng)用到整個(gè)汽車行業(yè)以及飛行器材行業(yè)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)80年代，中小型汽車的駕駛室平均質(zhì)量為1500kg，而這一數(shù)字在90年代末降低了18%，為1230kg。而如今，這一數(shù)字普遍在1100kg附近。汽車的輕量化一般采用輕型高強(qiáng)度材料和先進(jìn)生產(chǎn)工藝，使得現(xiàn)在的汽車體積更小，外觀更加流線化，因此，從這個(gè)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(zhì)量的同時(shí)減少車身質(zhì)量。

2 汽車輕量化的意義

目前全球社會(huì)正處于工業(yè)4.0時(shí)代的開端，制造業(yè)的宗旨主要以“智能生產(chǎn)”、“智能物流”為主，汽車輕量化的實(shí)施正是基于這樣一個(gè)大背景，它尋求的是車身智能化、去繁瑣化，從而達(dá)到智能生產(chǎn)、節(jié)能生產(chǎn)、高質(zhì)量生產(chǎn)。

首先，汽車輕量化能顯著降低油耗，節(jié)約能源。數(shù)據(jù)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(zhì)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(xù)航能力得到提升，相比于近期的熱點(diǎn)新能源汽車，輕量化汽車的優(yōu)勢(shì)不言而喻。

其次，輕量化之后的汽車安全系數(shù)也能得到保證。這里的安全性體現(xiàn)在兩個(gè)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(wěn)定性，且還可根據(jù)車主需求，另行添加雷達(dá)等相關(guān)安全設(shè)備。第二，車體自身攜帶的動(dòng)能和慣性均隨著整車質(zhì)量的減少而減少。一旦有碰撞發(fā)生時(shí)，需要汽車緩沖區(qū)吸收的動(dòng)能也就減少了。在碰撞事故中導(dǎo)致車內(nèi)乘員受傷的主要原因就是動(dòng)能沒有被車體吸收而是要由車內(nèi)乘員共同吸收。所以安全的車，在同等速度碰撞時(shí)應(yīng)該是所帶動(dòng)能盡可能少，而車身吸收的動(dòng)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(nèi)人員安全。當(dāng)然，這里排除了野蠻駕駛、超速駕駛等本身就具有高風(fēng)險(xiǎn)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(duì)環(huán)境保護(hù)帶來的效益也是不可估量的。耗油量的下降，輕質(zhì)環(huán)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(huì)上，各國達(dá)成了全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高幅度控制在2℃之內(nèi)的目標(biāo)。汽車輕量化的實(shí)施在一定程度上有助于該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

很多人對(duì)汽車輕量化存在一定偏見，認(rèn)為汽車輕量化會(huì)導(dǎo)致安全性等系數(shù)的降低。但其實(shí)，如果片面的追求所謂的安全性，那坦克的安全性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于汽車。事實(shí)上，整個(gè)工業(yè)社會(huì)趨勢(shì)即是輕量化。以飛機(jī)為例，當(dāng)代的飛機(jī)比20世紀(jì)的飛機(jī)更為輕巧，20世紀(jì)60年代的波音747客機(jī)空重達(dá)174000kg，而如今一架體積近似的波音787“夢(mèng)想客機(jī)”空重只有110000kg，質(zhì)量減輕了36.78%。更輕的飛機(jī)意味著更加經(jīng)濟(jì)，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(dāng)代的飛機(jī)單位承載量也比20世紀(jì)的飛機(jī)有顯著提高，安全系數(shù)卻并沒有受到影響，反而高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這說明，“健康發(fā)展”的輕量化并不會(huì)帶來安全隱患，相反，它會(huì)倒逼汽車制造技術(shù)的更新?lián)Q代。

3 汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)途徑

一般而言，汽車輕量化可以從以下幾個(gè)角度開展：

3.1 采用輕型材料

這一點(diǎn)對(duì)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(qiáng)鋼、各類合金。上表1為美國能源部對(duì)各類輕型材料的減重效果的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及材料的優(yōu)缺點(diǎn)[2]：

從表1可以看出，碳纖復(fù)合材和鎂合金的減重效果相對(duì)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(yīng)用范圍和成本各不相同，因此無法具體比較優(yōu)劣。這里介紹在汽車輕量化應(yīng)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(diǎn)，其比重只有鋼鐵的七分之一。以它為基礎(chǔ)制成的復(fù)合材料，強(qiáng)度和抗腐蝕性會(huì)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(nèi)飾中，能有效降低車身重量。根據(jù)馬鳴圖的研究，塑料復(fù)合材料在汽車中的典型構(gòu)件有發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管、車內(nèi)的把手、發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板等[3]。而在混合動(dòng)力車上，塑料復(fù)合材料還可作為電池支架。而針對(duì)塑料材料彈性較差的特點(diǎn)，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(jìn)化

一個(gè)現(xiàn)代化、自動(dòng)化的生產(chǎn)工藝能避免多余步驟和工序，避免人力和物力資源的浪費(fèi)。總的來說，在汽車行業(yè)里，制造工藝的先進(jìn)化體現(xiàn)在模塊化生產(chǎn)、智能化生產(chǎn)。在汽車制造時(shí)應(yīng)采用先進(jìn)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(nèi)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(shù)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(jié)合新能源汽車的先進(jìn)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(lián)合開發(fā)技術(shù)，這樣的技術(shù)共享手段有“1+1>2”的效果。巴斯夫在“巴斯夫科技創(chuàng)新匯全球巡展亞洲站”展出的一款Smart Vision電動(dòng)概念車，其發(fā)動(dòng)機(jī)底盤懸架系統(tǒng)、車身系統(tǒng)和內(nèi)外飾中應(yīng)用了工程塑料、高性能聚氨酯、特殊功能性泡沫等多項(xiàng)創(chuàng)新產(chǎn)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(lián)合開發(fā)的典型正面案例。

3.3 汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在生產(chǎn)時(shí)使用計(jì)算機(jī)輔助集成技術(shù)來對(duì)對(duì)原本分散加工的零部件進(jìn)行輔助集成，模擬這些零件的整體加工工藝；使用CAD等技術(shù)仿真模擬行車、碰撞等安全性能實(shí)驗(yàn)；使用CAE技術(shù)分析汽車的運(yùn)動(dòng)干涉。這些都能優(yōu)化工藝程序，實(shí)現(xiàn)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(dāng)部分的合金材料具有很高的回收價(jià)值，而與此同時(shí)，這些材料的制作周期長，成本高。因此，對(duì)這些材料的回收加工再利用，在某種程度上也能體現(xiàn)汽車輕量化。

3.5 政府與企業(yè)聯(lián)動(dòng)

政府在汽車輕量化中也應(yīng)扮演引導(dǎo)者的角色。政策扶持、資金補(bǔ)貼、人才輔導(dǎo)引進(jìn)等方式都能有效加快輕量化的進(jìn)程。當(dāng)然，輕量化絕不意味著偷工減料，有關(guān)部門應(yīng)建立相關(guān)法律條例，明確輕量化的范疇，對(duì)于不符合輕量化標(biāo)準(zhǔn)的汽車，也應(yīng)責(zé)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(shì)所趨，但不可否認(rèn)的是，它對(duì)于國內(nèi)汽車工業(yè)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(shù)據(jù)顯示，目前中國每輛汽車平均消耗汽油（柴油）2.15t/年，遠(yuǎn)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(jìn)口依賴度超過55%，已經(jīng)高于美國，能源安全問題壓力巨大[6]。因此，在發(fā)展中難免會(huì)遇到很多阻礙和限制。目前，國內(nèi)在汽車輕量化發(fā)展上最大的困難仍舊在于技術(shù)，由于沒有掌握核心技術(shù)，對(duì)于輕量化零部件只能靠進(jìn)口等方式進(jìn)行，這無形之間增加了成本，減緩了輕量化進(jìn)程。另外國產(chǎn)鋼材在滿足汽車用鋼的強(qiáng)度和耐性方面，其深沖性和強(qiáng)塑性還不到位[7]。歸根結(jié)底，汽車輕量化受到的關(guān)注度和重視程度仍顯不足。

針對(duì)這些問題，可以從多角度探尋解決方案。第一，政府應(yīng)做到正確引導(dǎo)、超前部署。這里的引導(dǎo)不僅僅是從資金和法律扶持角度而言，更應(yīng)該在大學(xué)汽車類專業(yè)中開展相關(guān)課程，培養(yǎng)專業(yè)性人才。掌握了關(guān)鍵技術(shù)后，汽車輕量化將會(huì)有突飛猛進(jìn)的發(fā)展。第二，汽車廠商在生產(chǎn)時(shí)也應(yīng)淘汰現(xiàn)有舊工藝，勇于嘗試新材料，不能故步自封。事實(shí)上早在2008年，中國汽車輕量化產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟就已經(jīng)建立，但是其作用相對(duì)有限，無法起到實(shí)質(zhì)性的效果[8]。最后，消費(fèi)者也應(yīng)通過各種渠道去熟悉汽車輕量化這一概念，排除認(rèn)知上的誤區(qū)。通過政府—廠家—消費(fèi)者的良性合作聯(lián)動(dòng)，汽車輕量化在中國的未來一定是光明的。

5 結(jié)論

汽車輕量化通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝、采用輕型材料等手段，在保證汽車性能的同時(shí)減輕其重量，以達(dá)到高效、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)。這一理念在中國剛剛起步，存在一定發(fā)展瓶頸，需要通過多方合作，以改變現(xiàn)狀。

參考文獻(xiàn)

[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(píng)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(xué)，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(shù)[J].汽車工藝與材料，2003，（8）：23-27.

[5]朱海霞.化學(xué)推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的未來 巴斯夫科技創(chuàng)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?qǐng)?bào)，2015-06-10（08）.

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

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