汽車輕量化的技術(shù)動(dòng)向

陳志耀，馬天戰(zhàn)，馬丹萍

上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007

0 引言

從內(nèi)燃機(jī)發(fā)明到現(xiàn)在，汽車的主要?jiǎng)恿υ礊槭剂稀Ｓ捎谄囋絹碓蕉?，大量使用石化燃料產(chǎn)生的有害氣體排放以及溫室氣體引發(fā)的環(huán)境問題、氣候問題變得越來越嚴(yán)重。由于國家加強(qiáng)環(huán)境規(guī)制以及人們對(duì)汽車的安全性、便利性等要求的提高使得汽車產(chǎn)業(yè)趨于動(dòng)力源電氣化、汽車智能化、汽車輕量化。動(dòng)力源電氣化，即從內(nèi)燃機(jī)往電機(jī)、電池方向；汽車智能化，即汽車由輔助裝置變成先進(jìn)的運(yùn)行裝置；汽車輕量化，即汽車由鐵質(zhì)車身往輕量化材料車身推進(jìn)。

本文對(duì)高強(qiáng)鋼、鋁及復(fù)合材料3種汽車輕量化材料進(jìn)行了研究，并給出了汽車輕量化材料相關(guān)技術(shù)動(dòng)向以及輕量化趨勢(shì)。

1 汽車用輕量化材料的概述

1.1 汽車用輕量化材料的簡(jiǎn)介

國內(nèi)外為了應(yīng)對(duì)強(qiáng)化的燃比法規(guī)以及緩解環(huán)境問題，深度研究了可以讓汽車減少有害氣體排放的輕量化材料。

一般來說，車子的車身材料為鋼材。如果鋼材達(dá)到高強(qiáng)度后，可以增加車身的剛度并提升其穩(wěn)定性。高強(qiáng)鋼對(duì)比一般鋼材來說，即使減少了厚度也能維持其強(qiáng)度，因此在保持車身相同性能的情況下，高強(qiáng)鋼車身質(zhì)量更輕，汽車的燃油效率也會(huì)更高。

對(duì)于新能源汽車中的電動(dòng)汽車，為了增加汽車行駛里程及性能，需要增加電池?cái)?shù)量或質(zhì)量，這樣在保持相同性能的同時(shí)，就需要汽車的輕量化。在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，高強(qiáng)度鋼材、鋁合金-鎂合金以及作為高分子材料的碳纖維增強(qiáng)塑料CFPR等多種輕型材料在汽車上使用的頻率越來越高。

1.2 汽車輕量化方法

汽車輕量化的方法主要有3類，即結(jié)構(gòu)的輕量化、工藝的輕量化及材料的輕量化。

汽車輕量化方法的劃分以及相關(guān)類別的優(yōu)缺點(diǎn)及使用見表1。

表1 汽車輕量化方法的劃分以及相關(guān)類別的優(yōu)缺點(diǎn)及使用

汽車輕量化的方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中輕量化效率最高的是材料輕量化。

一般汽車各材料的使用比例為：鋼鐵占64%，高分子及復(fù)合材料占9%，鋁占8%，彈性材料占4%，玻璃占3%，銅占2%，其他材料占10%。而關(guān)于各部位的種類比例，以鋼材為主材的動(dòng)力總成、車身、底盤以及懸掛部分占比超過整車的70%。因此，通過材料進(jìn)行的輕量化，效果顯著。

1.3 汽車輕量化材料分類

針對(duì)汽車輕量化的適用材料，考慮到量產(chǎn)型及價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，高強(qiáng)度鋼材、鋁、碳纖維復(fù)合材料是目前各個(gè)汽車企業(yè)廣泛使用的，且材料技術(shù)還在積極開發(fā)研究中。

鋼鐵材料是占據(jù)汽車大部分質(zhì)量的經(jīng)典金屬材料，比一般鋼材抗拉強(qiáng)度要好的高強(qiáng)度鋼材的使用也在各汽車企業(yè)中擴(kuò)大，而且以鋼材為中心的技術(shù)是汽車企業(yè)的主要研究方向。

鋁的密度大約是鋼材密度的34%，輕量性很突出，耐腐蝕性以及熱傳導(dǎo)性能也很優(yōu)異，是可以替代鋼鐵材料的輕量化材料。

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)是在高分子樹脂中以碳纖維來加強(qiáng)成型的材料，作為對(duì)輕量化有貢獻(xiàn)的新型材料而受到熱切關(guān)注，它的使用也漸漸有增加的趨勢(shì)。汽車輕量化材料分類見表2。

表2 汽車輕量化材料分類

對(duì)比一般鋼材相對(duì)質(zhì)量及費(fèi)用，以一般鋼材為基準(zhǔn)，超高強(qiáng)度鋼輕20%，鋁輕40%，碳纖維復(fù)合材料輕50%。材料費(fèi)用從低到高的順序?yàn)橐话沅摪?、高?qiáng)度鋼板、鋁、碳纖維復(fù)合材料。輕量化材料相對(duì)質(zhì)量及相對(duì)費(fèi)用如圖1所示。

圖1 輕量化材料相對(duì)質(zhì)量及相對(duì)費(fèi)用(資料來源：Grand View Research,2019)

2 汽車用輕量化材料的技術(shù)動(dòng)向

2.1 高強(qiáng)度鋼材

鋼材是占汽車質(zhì)量50%以上的重要材料。為了給汽車減重，比一般鋼材抗拉強(qiáng)度高2倍以上的高強(qiáng)度鋼的使用在汽車企業(yè)中愈發(fā)增多，它是目前為了實(shí)現(xiàn)輕量化而主要研究的材料。

鋼材的劃分一般是以抗拉強(qiáng)度來進(jìn)行分類的，具體分類見表3。

表3 高強(qiáng)度鋼的分類

目前行業(yè)內(nèi)正在研究改善加工性以及提高強(qiáng)度的技術(shù)，用于開發(fā)隨著用途不同而具有多種強(qiáng)度及延伸率的高強(qiáng)度鋼材。例如：先進(jìn)高強(qiáng)度鋼中的雙相鋼，最大可以達(dá)到1 GPa的抗拉強(qiáng)度，并具有優(yōu)秀的延伸率；FB鋼最大可達(dá)980 MPa的抗拉強(qiáng)度以及30%的延伸率。而超級(jí)高強(qiáng)度鋼中，例如：相變誘導(dǎo)塑性鋼(TRIP)具有較高的抗拉強(qiáng)度和良好的成形性，主要使用在同時(shí)要求強(qiáng)度與延伸率都很高的儀表板上;孿生誘發(fā)塑性鋼(TWIP)具有優(yōu)秀的延伸率，主要使用在碰撞時(shí)能吸收沖擊的保險(xiǎn)杠、A柱、制動(dòng)盤等地方。

特斯拉Model3就使用了大量的高強(qiáng)度鋼，如圖2所示。

圖2 Model3汽車車身用材分布

2.2 鋁及鋁合金

從1970年開始，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)組上就開始使用鋁鑄材料了。而現(xiàn)在，鋁材在汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)罩、翼子板、頂蓋、車門等部位也大范圍被使用。鋁材作為可以替代鋼材的輕量化材料而備受關(guān)注。

與鋼材相比，鋁材輕量性較佳，耐腐蝕性及熱傳導(dǎo)性較好，但價(jià)格相對(duì)鋼材更高，且強(qiáng)度比鋼材弱。為了提升鋁材的機(jī)械性能，開發(fā)了多樣化的合金制造技術(shù)。根據(jù)鋁的純度，可分為1000系、2000系、3000系、4000系、5000系、6000系、7000系等。而強(qiáng)度以及成型性較為優(yōu)越的5000系、6000系、7000系被開發(fā)用作汽車用合金板材。

5000系合金為鋁-鎂合金，其強(qiáng)度較高，成型性較為優(yōu)秀。但在高溫開裂方面較為薄弱，表面容易產(chǎn)生拉伸應(yīng)變痕。鋁-鎂合金在汽車上主要用作汽車內(nèi)板。汽車上主要使用5182-O、5182-SSF系列鋁合金。

6000系合金為鋁-鎂-硅合金，即在鋁中添加了鎂和硅來進(jìn)行熱處理的合金，主要使用在需要?jiǎng)偠容^好的車身外板上。汽車上主要使用該系合金為6111、6022、6023合金。

7000系合金為鋁-鋅-鎂合金。該合金的強(qiáng)度與鋼材的強(qiáng)度(500 MPa以上)相當(dāng)，同時(shí)具有良好的延伸率。7075合金是常用于汽車高強(qiáng)度車身零件的7000系合金，它具有480 MPa的抗拉強(qiáng)度、20%的延伸率，性能優(yōu)越。

鋁合金在汽車上使用的經(jīng)典案例，如特斯拉Model S，其整個(gè)車身均為鋁合金，如圖3所示。

圖3 Model S鋁合金車身

2.3 碳纖維復(fù)合材料

復(fù)合材料是人們運(yùn)用先進(jìn)的材料制備技術(shù)將不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成，使其表現(xiàn)出更有用的功能材料。復(fù)合材料不僅保持各組分材料性能的優(yōu)點(diǎn)，而且通過各組分性能的互補(bǔ)和關(guān)聯(lián)可以獲得單一組成材料所不能達(dá)到的綜合性能。

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)是在高分子樹脂中增加加強(qiáng)碳纖維的、適用于輕量化的復(fù)合材料。CFRP不會(huì)生銹，抗拉強(qiáng)度是鐵的5倍以上，密度不足鐵的1/4，是機(jī)械性能非常優(yōu)秀的材料。

適用于汽車用的CFRP上的碳纖維是聚丙烯腈(PAN)系列,其抗拉強(qiáng)度為3～7 GPa，彈性率為200～700 GPa。而超高強(qiáng)度鋼材的抗拉強(qiáng)度最大為2 GPa，彈性率為200 GPa。因此可以說CFRP的材料性能是非常優(yōu)異的。CFRP比鋼鐵輕60%，比鋁輕30%，而且該材料絕對(duì)不會(huì)生銹，鑒于其高強(qiáng)度，也可以用在汽車上和碰撞相關(guān)的部件。

CFRP在汽車上使用的經(jīng)典案例，如BMW I8以及BMW I3，其整個(gè)車身均為CFRP，如圖4所示。

圖4 BMW I8和BMW I3的CFRP車身

3 汽車公司的輕量化動(dòng)向

為了應(yīng)對(duì)燃比法規(guī)以及緩解環(huán)境問題，世界各個(gè)汽車制造公司在車身上積極導(dǎo)入高強(qiáng)化鋼、鋁以及CFRP等輕量化材料，并引進(jìn)先進(jìn)的輕量化技術(shù)。

美國FORD主力皮卡車F-150，為了滿足燃比法規(guī)以及提升燃效，整個(gè)車身采用鋁材，質(zhì)量比現(xiàn)有車減少了340 kg。美國特斯拉Model S通過輕量化來提升車輛行駛里程，整車車身采用鋁材。本田雅閣為實(shí)現(xiàn)車身輕量化，車身的29%使用了高強(qiáng)度鋼，其他部位大量使用鋁-鎂合金、高速鋼等，質(zhì)量比現(xiàn)有型號(hào)減少125 kg。現(xiàn)代謳歌TLX車身的52%使用了高強(qiáng)度鋼材，使車身實(shí)現(xiàn)了輕量化。豐田雷克薩斯LS為實(shí)現(xiàn)一般乘用車與混動(dòng)車的輕量化，在汽車外板及內(nèi)板等覆蓋件上使用了鋁制材料、CFRP，同時(shí)車身上大量使用了高強(qiáng)度鋼。德國奔馳公司為了實(shí)現(xiàn)鋁-鋼、CFRP-鋼的混合搭接技術(shù)，從基礎(chǔ)研究到量產(chǎn)花了5年時(shí)間進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)使用在了SL-CLASS以及C-CLASS上。BMW I3為實(shí)現(xiàn)輕量化提升續(xù)航能力，整個(gè)白車身使用CFRP與鋁合金，整車質(zhì)量減輕350 kg；同時(shí)2015年BMW 7系車采用了高強(qiáng)度鋼、鋁合金、CFRP多種材料結(jié)合，質(zhì)量比之前減輕了150 kg。

隨著輕量化技術(shù)越來越成熟，各個(gè)汽車企業(yè)也對(duì)輕量化的使用越來越頻繁。在今后的市場(chǎng)上，輕量化技術(shù)必將是各個(gè)汽車企業(yè)的重點(diǎn)研究方向，也必將看到越來越多的輕量化汽車。