汽車輕量化及使用材料多元化

王睿 曹暉

摘要：近年來，世界各汽車制造廠不斷推進汽車輕量化。在汽車用材方面，除了鋼鐵材料，鋁材和碳纖維強化樹脂（CFRP）的使用也在增加。車體采用多種材料的“材料多元化”有了很大進展。文章分析了汽車輕量化的意義、鋁合金材料的特點及性能優勢，鋁合金車身板材的生產工藝，并且重點闡述了鋁合金車身板在汽車生產中的應用，進而分析總結出我國汽車輕量化進程中所面臨的主要難題，為汽車輕量化的加速發展提供良好的借鑒和參考。

關鍵詞：汽車；輕量化；鋁合金；材料

1導言

構建生態文明的社會，最重要的就是要人與社會的和諧發展，保持生態建設和工業建設之間的平衡，這也是企業產業需要遵循的原則之一。隨著節能減排的大力推行，加之環保政策力度的進一步加強，2016年底至2017年上半年持續放緩的汽車輕量化推進有了回升的態勢。之前受阻于車用鋁材成本高昂的汽車輕量化，在政策扶持、大環境發展趨勢的雙重驅動下重新成為了汽車行業的焦點。

2汽車輕量化的概念和意義

汽車輕量化設計，就需要在降低整個車廂設備質量的同時，保證汽車的整體安全性能以及結構強度達到最優化。經過相關實驗表明，汽車的質量每減少1/2，行使過程中所消耗的燃料就會減少一半，這樣產生的尾氣也會大大減少。同時，如果能減少車身的質量，對于改善整個汽車行駛性能、提升汽車的耐磨力具有重要的意義。主要措施。首先是結構的輕量化。隨著計算機產業的發展和進步，也逐漸滲透到汽車產業和設計制造業中，不僅大大提升了汽車的設計性能，也滿足了如今對于節能減排的需求。尤其在輕量化設計中，采取計算機技術輔助優化汽車結構，不僅能夠保證汽車的安全駕駛，也能提升汽車的個性行使性能。例如在計算機仿真技術中，設置汽車結構的強度等條件，就能利用強大的數據庫對其安全性能進行評估和計算。這也在一定程度上減少了汽車產品的更換周期，提升了資源的利用效率。

其次是材料的輕量化。在科學技術的支撐下，飛機、汽車等高性能機械逐漸走進人們的視野中。塑料和復合材料也是如今科技材料發展的主要方向之一。在實現了材料輕量化的同時，也促進了經濟效益的最大化。根據實驗數據表明，將碳纖維材料應用到汽車輕量化設計中，能將油耗降低百分之二十以上。因此，想要改善汽車設計結構減少汽車質量，就需要將塑料與復合材料融入其中，并取代部分金屬材料。

3鋁合金材料的特點及性能優勢

鋁合金是地殼中含量最多的金屬元素，它具有一系列的優良性能，比如低密度、高強度、良好的成形性能及工藝性能等，更重要的是鋁合金的回收再利用性非常好，具有較高的回收率。低密度讓鋁合金比合金鋼更具優勢。鋁合金在強度和剛度方面明顯要低于鋼板，但是鋁合金可以通過加厚和優化設計來提高強度和剛度，最終達到與鋼板一樣的水平。由于鋁合金的密度要遠遠低于鋼鐵，所以即使增加厚度，鋁合金構件的減重效果仍然非常明顯。數據資料顯示，同剛度下，鋁合金減重效果可達50%。

目前，隨著汽車保有量的不斷增加和人們環保意識的逐漸增強，報廢汽車的回收和再生越來越受到關注。鋁制品的性能優勢決定了鋁具有較高的回收價值率，可達到80%左右，并且鋁材是對環境完全無害的綠色材料。優越的性能決定了鋁合金材料在汽車輕量化領域中的重要地位。

4汽車輕量化及使用材料多元化

4.1鋼鐵材料：高強鋼比例增加

過去，汽車用鋼鐵材料是具有強度、成形性、環境性（循環利用）以及價格等多方面優勢的良好材料。隨著近年來汽車輕量化的推進，汽車用鋼材也發生了變化。強度高、加工性好的高強度鋼比例不斷增力加。高強度鋼是添加C、Si、Mn等元素、進行組織控制提高強度的鋼材。其制造方法往往被鋼廠視為保密內容。高強鋼的強度高于普通鋼材，因此可薄型化，容易實現輕量化。一般來說，高強度鋼的強度升高，在進行復雜形狀部件沖壓成形時，容易產生裂紋。為此，對高強度鋼進行組織微細化，使高強度鋼在提高強度的同時，不易產生裂紋。并且生產成本沒有增加。現在已經開發出980MPa級以上的超高強度鋼材，并用于保險杠防撞梁和車門抗沖擊梁。另一方面，用于汽車的鋼鐵材料的比例逐漸下降。15年前鋼鐵材料占汽車用材的80%，現在已經下降到70%左右。但是，高強度鋼占汽車用鋼的比例升高，接近60%。今后，將鋼板加熱后進行沖壓成形，然后快速冷卻使部件強度有飛躍提高的熱沖壓技術、將不同厚度的部件進行拼焊的技術以及使部件具有不同強度的局部淬火技術將會得到擴大應用。因此可認為，作為汽車用材的、具有綜合優良特性的鋼鐵材料（特別是高強度鋼）的需求，今后不會大幅度下降。鋼鐵材料將繼續保持在汽車用材方面的優勢地位。

4.2采用優化設計實現專用汽車輕量化

這是通過對專用汽車進行拓撲優化設計的方式，實現專用汽車車身輕量化的技術和方法。它是一個迭代的過程，在一定的空間區域之內選取最為適宜的材料，進行科學合理的優化設計，其中包括有限元分析、靈敏度計算、材料分布修改等內容，突破了傳統專用汽車設計理念，更好地優化了專用汽車的車身形狀和結構，削薄了汽車零部件的厚度，有效減輕了專用汽車零部件的質量，使汽車上一些無關緊要的復雜結構得以簡化，降低生產制造成本；同時，也改變了汽車零部件設計的模仿現象，使汽車零部件設計更具有針對性和實用性。

4.3碳纖維復合材料

復合型材料在汽車車身中的應用能夠提升整個結構設計的優越性和獨特性。雖然碳纖維材料性能好，但是成本也相對較高，因此沒有得到大面積的普及。在現如今小批量的汽車設計中，如寶馬公司研制了一批使用低成本的碳纖維材料車身，不僅成產成本相對較低，效率也更高。

4.4應用連接工藝實現專用汽車輕量化

要采用鎖鉚連接工藝，以較好地實現不同材質、強度、硬度、厚度的材料的連接，滿足不同材料之間連接的動態疲勞強度和靜態強度要求，并可以使不同形態汽車輕量化材料之間進行有效的粘合，提升汽車吸收撞擊能量的功能，并達到防水密封、隔音降噪的目的，有效地實現專用汽車的輕量化設計。同時，相較于傳統的鉚接工藝而言，鎖鉚連接工藝縮減了冗余的工序和環節，具有更高的生產效率。

4.5異種材料接合技術

汽車制造廠為了進行新一代汽車開發，現在已經對汽車不同部位新材料的應用問題進行研究。汽車制造廠的用材方針是最大限度地發揮材料特性，將“把現有材料特性用盡”作為汽車輕量化的方針。當“把現有材料特性用盡”仍不能獲得滿意的輕量化效果時，再研究新材料的正式應用。另一方面，隨著燃油效率法規的強化，對汽車輕量化的要求不斷提高，將不斷推進對鋁材和CFRP的應用研究。鋁材和CFRP的應用，形成汽車材料的多元化，雖然要經過一定時間，但這是不可逆轉的發展趨勢。汽車材料多元化的推進過程中，異種材料接合技術是不可或缺的技術。通過異種材料接合在抑制成本升高的同時，還可以利用異種材料的特性。但是，由于不同材料的熔點、熱膨脹率、氧化性的不同，異種材料接合部件的材料界面上容易產生裂紋、銹蝕，導致強度下降。因此要研發出基于各種材料優缺點的異種材料接合技術。

結束語

綜上所述，專用汽車輕量化設計是時代的趨勢和要求，有不可忽視的現實意義和作用，隨著新能源汽車的發展，輕量化更是重中之重。鋁合金材料以其自身優勢必將在汽車輕量化發展中發揮重要作用。作為鋁加工企業，應將汽車用鋁合金板的生產成本作為關注焦點，重點從生產工藝、設備和管理等多角度制定降低成本措施，為鋁板材的大批量生產與應用打下良好基礎。

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