第八講未來汽車的發(fā)展

汽車作為現(xiàn)代交通工具之一，已成為人類現(xiàn)代文明生活、生產(chǎn)不可或缺的重要組成部分。汽車誕生一百多年來，為人類生活和生產(chǎn)活動做出了重要的貢獻(xiàn)。但是與此同時，汽車也帶來了能源問題、環(huán)境污染、交通擁堵、交通安全等社會問題。為了解決這些問題，未來的汽車面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。1第八講未來汽車的發(fā)展質(zhì)量輕量化的節(jié)能汽車

清潔燃料的環(huán)保汽車安全智能汽車

概念車2質(zhì)量輕量化的節(jié)能汽車

為了節(jié)約能源，減少汽車尾氣排放最有效的辦法之一就是減輕汽車自身的質(zhì)量。試驗表明，汽車質(zhì)量的輕重與汽車的能耗有著直接的關(guān)系。在相同情況下，汽車質(zhì)量每減輕100kg，可節(jié)油0.2～0.3L/100km，同時汽車的廢氣排放也有明顯降低。根據(jù)最新資料，國外汽車自身重量同過去相比減輕了20%～26%。預(yù)計在未來的10年內(nèi)，轎車自身重量還將繼續(xù)減輕20%。

3車身質(zhì)量輕量化優(yōu)化汽車框架和結(jié)構(gòu)采用輕質(zhì)材料制造車身利用有限元法和優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以減少車身骨架、發(fā)動機和車身鋼板的重量高強度鋼、鋁合金、鎂合金和工程塑料等4輕質(zhì)材料——高強度鋼

高強度鋼板是在低碳鋼板的基礎(chǔ)上采用強化方法得到的，抗拉強度得到大幅增強。利用高強度特性，可以在厚度減薄的情況下依然保持汽車車身的機械性能要求，從而減輕了汽車重量。例如BH鋼板是在低強度的條件下，經(jīng)過沖壓成形之后，進(jìn)行烤漆加工熱處理，以提高其抗拉強度。以往生產(chǎn)的強度在440MPa的鋼板，在采用這種加工技術(shù)以后強度可增加到500MPa。原來用厚度1毫米鋼板做側(cè)面板，用高強度鋼板只需厚度0.8毫米。5目前高強度鋼有BH鋼（烤漆硬化鋼板）、雙相DP鋼、相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP）、微合金M鋼、高強度無間隙固熔IF鋼等。它們一般用于需高強度、高抗碰撞吸收能、成形要求嚴(yán)格的零件，例如輪圈、加強構(gòu)件、保險杠、防撞杠。6輕質(zhì)材料——鋁合金

鋁材料具有比鋼材輕（其密度約為鋼的1/3）、易于回收的優(yōu)點已經(jīng)成為汽車制造中備受關(guān)注的輕質(zhì)材料。但是鋁材的加工成本高，而且沖壓及焊接技術(shù)要求比較特殊，以目前的技術(shù)尚不是一般廠家可以做得到的。當(dāng)然，這些缺點并不會阻礙它在汽車上的使用。例如德國奧迪A8汽車采用全鋁制造的框架結(jié)構(gòu)的車身。該車身由熱擠壓成型的直線及曲線形的鋁結(jié)構(gòu)件組成，在連接處使用模壓連接件，可以承受較大的作用力。輕型鋁及新型結(jié)構(gòu)的結(jié)合，既明顯地減輕了車身質(zhì)量，又保持了良好的尺寸穩(wěn)定性及剛度。

7目前，在汽車上使用鋁合金材料的零部件主要有車輪、發(fā)動機零部件、車身面板、車身骨架、空調(diào)冷凝器、蒸發(fā)器、裝飾件和懸架系統(tǒng)零件等。以美國生產(chǎn)的汽車產(chǎn)品為例，1976年每車用鋁合金僅39kg，1982年達(dá)到62kg，而1998年則達(dá)到了100kg。據(jù)預(yù)測，到2010年，80%的汽車發(fā)動機將采用鋁氣缸蓋，35%的汽車發(fā)動機將采用鋁氣缸體。

8鋁合金輪轂9比亞迪G6搭載的1.5TI渦輪增壓缸內(nèi)直噴全鋁合金發(fā)動機，額定功率113kW/5200rpm,最大扭矩240N·m/1750-3500rpm，各項數(shù)值均大于現(xiàn)有2.0L自然吸氣發(fā)動機的最大功率和扭矩，甚至可達(dá)到2.4L傳統(tǒng)發(fā)動機的動力。同等排量的發(fā)動機中，使用鋁缸體發(fā)動機，能減輕20公斤左右的重量。10輕質(zhì)材料——鎂合金鎂是地球上儲量最豐富的輕金屬元素之一，在實際應(yīng)用的金屬中是最輕的。鎂具有強度、剛度高，導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好,并具有很好的電磁屏蔽、阻尼性、減振性、切削加工性以及加工成本低、加工能量僅為鋁合金的70%和易于回收等優(yōu)點。

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鎂鑄件在汽車上使用最早的實例是車輪輪輞。鎂車輪比鋁車輪輕20%以上。在汽車上試用或應(yīng)用鎂合金的實例還有離合器殼體、離合器踏板、制動踏板固定支架、儀表板骨架、座椅、轉(zhuǎn)向柱部件、轉(zhuǎn)向盤輪芯、變速箱殼體、發(fā)動機懸置、氣缸蓋和氣缸蓋罩蓋等。與傳統(tǒng)的鋅制轉(zhuǎn)向柱上支架相比，鎂制件降重65%；與傳統(tǒng)的鋼制轉(zhuǎn)向輪芯相比，鎂制件降重45%；與全鋁氣缸蓋相比，鎂制件降重30%；與傳統(tǒng)的鋼制沖壓焊接結(jié)構(gòu)制動踏板支架相比，整體的鎂鑄件降重40%，同時其剛性也得以改善。

12輕質(zhì)材料——泡沫金屬“泡沫金屬”是20世紀(jì)90年代末才出現(xiàn)的新型材料，但應(yīng)用速度很快，有些新車型已經(jīng)采用了這種材料?！芭菽饘佟敝饕概菽X合金，它由粉末合金制成。通常的粉末合金是用粉末壓制成形，或用金屬粉末及塑料的混合物注射模制成形。在除掉分型劑及增塑劑之后，將壓制的坯件燒結(jié)(一種溫度在1000℃左右的熱處理方式)，使它們具有一定的特性。燒結(jié)的性質(zhì)及應(yīng)用范圍在很大程度上取決于孔隙率的大小。泡沫鋁合金密度很小，當(dāng)承受很大的外力而變形壓縮后，當(dāng)外力撤去，憑著它自身的彈性可恢復(fù)到原來的形狀，有點象橡膠。

13輕質(zhì)材料——鈦合金鈦的密度為4.5g/cm3，具有比強度高、高溫強度高和耐腐蝕等優(yōu)點。由于鈦的價格昂貴，至今只見在賽車和個別豪華車上少量應(yīng)用。盡管如此，對鈦合金在汽車上應(yīng)用的試驗研究工作卻不少。例如用α+β系鈦合金制造的發(fā)動機連桿，強度相當(dāng)于45鋼調(diào)質(zhì)的水平，而重量可以降低30%；β系鈦合金（Ti-13V-11Cr-3Al等）經(jīng)強冷加工和時效處理，強度可達(dá)2000MPa，可用來制造懸架彈簧、氣門彈簧和氣門等，與拉伸強度為2100MPa的高強度鋼相比，鈦彈簧可降重20%。鈦合金應(yīng)用的最大阻力來自其高價格。1415輕質(zhì)材料——塑料及其復(fù)合材料塑料是以合成樹脂為主要成分的高分子有機材料，具有質(zhì)量輕、摩擦系數(shù)小、耐磨損、耐腐蝕、減振、自潤滑、易加工成形、價格低廉等優(yōu)點，是重要的汽車輕質(zhì)材料。它不僅可以減輕零部件約40%的重量，還可以使采購成本降低40%左右。因此近年來國際上非常重視新型車用塑料材料與配件的開發(fā)，汽車的內(nèi)飾件已基本實現(xiàn)塑料化。如今塑料在汽車中的應(yīng)用范圍正在由內(nèi)裝件向外裝件、車身和結(jié)構(gòu)件擴展，使用量也在迅速上升。

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目前，發(fā)達(dá)國家車用塑料現(xiàn)已占塑料總消耗量的7%～8%，預(yù)計不久將達(dá)到10%～11%。在2000年時，世界平均每輛汽車的塑料用量就已達(dá)105公斤，約占汽車總重量的8%～12%。它在轎車中的比例較高，如奧迪A2型轎車，塑料件總重量已達(dá)220公斤，占總用材重量的24.6%。

17清潔燃料的環(huán)保汽車從20世紀(jì)70年代出現(xiàn)石油危機以來，一些國家開始重視并開發(fā)汽車代用燃料。到現(xiàn)在由于汽車數(shù)量的不斷增多，車用燃油消耗快速增長，汽車排氣對大氣的污染日趨嚴(yán)重，促使各國加強對代用燃料的研究。當(dāng)前開發(fā)及應(yīng)用代用燃料主要是為了降低排放、保護(hù)環(huán)境，同時擴大汽車燃料供應(yīng)的品種及未來的需要，所以也稱之為清潔燃料。18清潔燃料汽車是以清潔燃料取代傳統(tǒng)汽油、柴油的環(huán)保型汽車，是減少汽車污染物排放的重要措施之一。與傳統(tǒng)燃油車輛相比，清潔燃料汽車具有能耗低、污染物排放少等典型特征。按照所使用燃料和驅(qū)動方式不同，清潔燃料汽車可分為電動汽車、燃?xì)馄?、醇類汽車、氫氣汽車等?9清潔燃料的環(huán)保汽車——電動汽車電動汽車是指以車載電源為動力，用電動機驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛。電動汽車的優(yōu)點是：它本身不排放污染大氣的有害氣體，即使按所耗電量換算為發(fā)電廠的排放，除硫和微粒外，其它污染物也顯著減少，由于電廠大多建于遠(yuǎn)離人口密集的城市，對人類傷害較少，而且電廠是固定不動的，集中的排放，清除各種有害排放物較容易，也已有了相關(guān)技術(shù)。由于電力可以從多種一次能源獲得，如煤、核能、水力等，解除人們對石油資源日見枯竭的擔(dān)心。電動汽車還可以充分利用晚間用電低谷時富余的電力充電，使發(fā)電設(shè)備日夜都能充分利用，大大提高其經(jīng)濟效益。20有些研究表明，同樣的原油經(jīng)過粗煉，送至電廠發(fā)電，經(jīng)充入電池，再由電池驅(qū)動汽車，其能量利用效率比經(jīng)過精煉變?yōu)槠停俳?jīng)汽油機驅(qū)動汽車高，因此有利于節(jié)約能源和減少二氧化碳的排量。正是這些優(yōu)點，使電動汽車的研究和應(yīng)用成為汽車工業(yè)的一個“熱點”。電動汽車有蓄電池式、混合驅(qū)動式和燃料電池式三種形式。

21電動汽車——蓄電池式

蓄電池式電動汽車的基本形式是將其它能源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿Υ嬗谛铍姵刂凶鳛槠嚨膭恿υ础Ｋ膬?yōu)點是沒有排放污染，缺點是當(dāng)前使用的蓄電池性能還不理想，單位重量儲存的能量太少，一次充電后汽車形式里程較短（50～100km），個別樣機可達(dá)550km。還因為電動汽車的電池較貴，又沒形成經(jīng)濟規(guī)模，故購買價格較貴，至于使用成本，有些試用結(jié)果比汽車貴，有些結(jié)果僅為汽車的1／3，這主要取決于電池的壽命及當(dāng)?shù)氐挠?、電價格。同時充電、維修等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也需要大量的資金。22雷諾——風(fēng)朗電動版雷諾風(fēng)朗電動汽車在享受英國政府5000英鎊補助后，實際售價為17850英鎊(約合人民幣18.5萬元)，與普通風(fēng)朗的價格持平。23比亞迪——E6售價高達(dá)30萬元；可以15分鐘快充；深圳公布了對新能源車的地方補貼計劃，額度與國家補貼一樣同為6萬元，因此總補貼額度達(dá)到了12萬元，這款車的實際售價將不到20萬元。24眾泰——純電動汽車2011年4月30日，廈門華天純電動汽車租賃有限公司正式開業(yè)，首批23臺眾泰純電動汽車。此次交付使用的純電動汽車是由眾泰汽車生產(chǎn)的眾泰5008EV和朗悅EV；眾泰汽車已經(jīng)擁有完善的新能源汽車研發(fā)制造體系，眾泰008系列、朗悅、朗朗等純電動汽車已正式進(jìn)入市場化試運行階段；在接下來的兩年里，眾泰新能源汽車還將向廈門市場投放303臺純電動汽車25江淮——同悅電動版2011上海車展江淮同悅電動版首次亮相；該車是江淮在同悅平臺基礎(chǔ)上開發(fā)的電動車配件，車體整備質(zhì)量比國內(nèi)同類車型要輕，僅為1200kg，這樣該車的提速時間更短、行駛里程也更長；最高車速可達(dá)95km/h，對于日常代步的使用可以完全應(yīng)對。最令人稱道的是原地加速至50km/h只需6秒；60km/h勻速行駛的情況下，可續(xù)航達(dá)150km。26電動汽車——混合動力式電動汽車

混合動力電動汽車是指車上裝有兩個以上動力源，包括有電機驅(qū)動，符合汽車道路交通、安全法規(guī)的汽車，當(dāng)前混合動力電動汽車一般是指內(nèi)燃機車發(fā)電機，再加上蓄電池的電動汽車。按能量的耦合方式可分為：串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種形式。27串聯(lián)式混合動力電動汽車

串聯(lián)式混合動力電動汽車主要由發(fā)動機、發(fā)電機、驅(qū)動電機和蓄電池組等部件組成。發(fā)動機僅僅用于發(fā)電，發(fā)電機所發(fā)出的電能供給電動機，電動機驅(qū)動汽車行駛。發(fā)電機發(fā)出的部分電能向電池充電，來延長混合動力電動汽車的行駛里程。另外電池還可以單獨向電動機提供電能來驅(qū)動電動汽車，使混合動力電動汽車在零污染狀態(tài)下行駛。

28并聯(lián)式混合動力電動汽車

并聯(lián)式混合動力電動汽車主要由發(fā)動機、發(fā)電/電動機和蓄電池組等部件組成。并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)可以單獨使用發(fā)動機或電動機做為動力源，也可以同時使用電動機和發(fā)動機作為動力源來驅(qū)動汽車。29混聯(lián)式混合動力電動汽車

混聯(lián)式混合動力電動汽車主要由發(fā)動機、發(fā)電機、電動機、行星齒輪機構(gòu)和蓄電池組等部件組成。豐田Prius所采用的混合驅(qū)動方式，它將發(fā)動機、發(fā)電機和電動機通過一個行星齒輪裝置連接起來。動力從發(fā)動機輸出到與其相連的行星架，行星架將一部分轉(zhuǎn)矩傳送到發(fā)電機，另一部分傳送到電動機并輸出到驅(qū)動軸。此時車輛并不是串聯(lián)式或者并聯(lián)式，而是介于串聯(lián)和并聯(lián)之間，充分利用兩種驅(qū)動方式的優(yōu)點。30混合動力電動汽車的優(yōu)點是：采用復(fù)合動力后可按平均需用的功率來確定內(nèi)燃機的最大功率，此時處于油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。需要大功率內(nèi)燃機功率不足時，由電池來補充；負(fù)荷小時，富余的功率可發(fā)電給電池充電，由于內(nèi)燃機可持續(xù)工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程和普通汽車一樣。因為有了電池，可以十分方便地回收制動時、下坡時、怠速時的能量。在繁華市區(qū)，可關(guān)停內(nèi)燃機，由電池單獨驅(qū)動，實現(xiàn)"零"排放。有了內(nèi)燃機可以十分方便地解決耗能大的空調(diào)、取暖、除霜等純電動汽車遇到的難題?？梢岳矛F(xiàn)有的加油站加油，不必再投資?？勺岆姵乇３衷诹己玫墓ぷ鳡顟B(tài)，不發(fā)生過充、過放，延長其使用壽命，降低成本。31電動汽車——燃料電池式

燃料電池是把燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化裝置，它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。燃料電池的優(yōu)點是：能量轉(zhuǎn)化效率高。燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)60%～80%，為內(nèi)燃機的2～3倍。不污染環(huán)境。燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，它本身工作不產(chǎn)生CO和CO2，也沒有硫和微粒排出，沒有高溫反應(yīng)，也不產(chǎn)生NOx。壽命長。燃料電池本身工作沒有噪聲，沒有運動性，沒有振動，其電極僅作為化學(xué)反應(yīng)的場所和導(dǎo)電的通道，本身不參與化學(xué)反應(yīng)，沒有損耗，壽命長。32清潔燃料的環(huán)保汽車——燃?xì)馄嚾細(xì)馄囍饕幸夯蜌馄嚕ê喎QLPG汽車或LPGV）和壓縮天然氣汽車（簡稱CNG汽車或CNGV）。燃?xì)馄嚲哂信欧盼廴拘。ㄈ鏑O排放量比汽油車減少90%以上，碳?xì)浠衔锱欧艤p少70%以上，氮氧化合物排放減少35%以上）、熱值較高、成本低的優(yōu)點，是目前較為實用的低排放汽車，并被視為有發(fā)展前途的清潔燃料汽車。

33液化石油天然氣汽車（LPG汽車）是以液化石油氣為燃料的汽車。該燃料是以丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）為主要成分的石油產(chǎn)品，有車用丙烷和車用丙丁烷混合物兩種。LPG汽車發(fā)動機的燃料供給系統(tǒng)于汽油機不同，它包括儲氣瓶、電磁閥、預(yù)熱器、混合器等。

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壓縮天然氣汽車（CNG汽車）是以壓縮天然氣為燃料。天然氣的主要成分是甲烷（CH4），主要分布在陸地和海洋大陸架，資源非常豐富。CNG汽車發(fā)動機的燃料供給系統(tǒng)同樣于汽油機不同，它包括壓縮天然氣鋼瓶、截止閥、壓力表、電磁閥、減壓閥、混合器等。35清潔燃料的環(huán)保汽車——醇類汽車

醇類汽車是指以甲醇（CH3OH）或乙醇（C2H5OH）等醇類物質(zhì)為燃料的汽車。醇類燃料是可再生的資源，可由一些廉價原料制造，與汽油和柴油相比，燃燒更完全，CO2的排放量也比燃用汽油和柴油低。因此醇類燃料受到許多國家的重視。36目前美、德、加、法、日、瑞典、新西蘭等發(fā)達(dá)國家政府和汽車公司，也推動醇類燃料德研究試驗和示范推廣，并由國家議會列為清潔燃料。例如在美國，相當(dāng)一部分商用汽油含有10%的乙醇，2000年前，美國加州有1/3的汽車燃用乙醇。同時，全球有40多個國家和地區(qū)開發(fā)和應(yīng)用了醇類汽車，尤其再盛產(chǎn)甘蔗的巴西，大部分汽車燃用純乙醇或攙兌約20%的乙醇。37生產(chǎn)甲醇的原料有煤、木柴、天然石油、天然氣等，資源豐富。乙醇來源廣泛，制取技術(shù)成熟，主要是以玉米、小麥、薯類、糖蜜植物等為原料，經(jīng)發(fā)酵、蒸餾而制成。最新的一種利用纖維素原料生產(chǎn)乙醇的技術(shù)則可利用的原料幾乎包括了所有的農(nóng)林廢棄物、城市生活有機垃圾和工業(yè)有機廢棄物。因此醇類燃料中乙醇具有更廣泛的應(yīng)用前景。

38概念車概念車（ConceptCar）可以理解為未來汽車，汽車設(shè)計師利用概念車向人們展示新穎、獨特、超前的構(gòu)思，反映著人類對先進(jìn)汽車的夢想與追求。概念車往往只是處在創(chuàng)意、試驗階段，也許永不投產(chǎn)。與大批量生產(chǎn)的商品車不同，每一輛概念車都可以擺脫生產(chǎn)制造工藝的束縛，盡情地夸張地層示自己的獨特魅力。隨著時代的進(jìn)步，概念車已經(jīng)從高科技、強動力走向低耗能、求環(huán)保，例如標(biāo)榜零消耗、零污染的葉子概念車（在中國2010年上海世博會“上汽集團—通用汽車館”展出和亮相，同時代表中國新能源汽車，在上海世博會中國國家館“低碳區(qū)”展出。）。39葉子概念車上汽集團自主研發(fā)的概念車。設(shè)計意念——利用與植物葉子光合作用的相似原理，讓汽車完全利用太陽能、風(fēng)能等無污染的能源作為動力。利用技術(shù)——自然能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。葉子概念車車頂?shù)拇笕~子是一部的光電轉(zhuǎn)化器，能把太陽能轉(zhuǎn)化為電能。此外，葉子概念車的四個車輪帶有風(fēng)車扇葉，能實現(xiàn)風(fēng)電轉(zhuǎn)換，進(jìn)行二氧化碳吸附和轉(zhuǎn)換。汽車特色——零消耗，零污染。屬于新能源汽車的一種。啟迪人們不斷探索，發(fā)現(xiàn)清潔、可持續(xù)的汽車新能源。“葉子”，車與自然的和諧統(tǒng)一概念車“葉子”的出現(xiàn)，重新定義了車與自然環(huán)境的關(guān)系，令車成為自然鏈中的一環(huán)，描繪了車與自然和諧與共的美妙場景。401999年6月在泛亞誕生了第一輛由中國人設(shè)計、開發(fā)的概念車“麒麟”。該車具有車內(nèi)空間寬敞，后備箱大；滿足不同駕駛者需求；結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，降低保養(yǎng)費用，適應(yīng)客戶對象的購買力；底盤很高，適合于農(nóng)村道路等特點。41世界第一輛概念車——別克YJob1938年由美國通用汽車藝術(shù)和色