汽車輕量化的發(fā)展現狀及未來

關于汽車輕量化的發(fā)展現狀及未來2汽車輕量化的意義節(jié)能減排是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢

20世紀70年代的兩次石油危機,促進汽車工業(yè)提高了燃油經濟性。80年代中期以后，保護人類居住和賴以生存的環(huán)境又一次推動汽車工業(yè)提高燃油經濟性和排放。

第2頁,共37頁，2024年2月25日，星期天3汽車輕量化的意義這些數據表明:汽車工業(yè)節(jié)能減排對于一個國家的能源供應和環(huán)境保護都具有重要的意義。

1990年以來中國石油消費的供應能源

汽車燃油在我國石油消費中的的增長情況第3頁,共37頁，2024年2月25日，星期天4汽車輕量化的概念汽車輕量化不能以簡單的減重多少來衡量，必須與所設計車身的尺寸和功能相結合對于已有的功能可滿足要求的汽車，輕量化的設計是降低重量而保持原功能不變，其輕量化的效果是直接的減重；現有功能尚不能全部滿足要求或需要提升的汽車，輕量化設計是完善功能而保持質量不變；既要提高改進性能，同時也使汽車減重。

汽車輕量化設計實際上是功能改進，質量降低，結構優(yōu)化和合理價格的結合。第4頁,共37頁，2024年2月25日，星期天5汽車輕量化的意義輕量化是實現節(jié)能減排的有效手段

研究表明,約75%的油耗與整車質量有關,降低汽車質量就可有效降低油耗以及排放。目前,大量研究表明,汽車質量每下降10%，油耗下降8%,排放下降4%。美國在歐洲全順車的實驗表明,在滿足歐Ⅳ標準條件下,每百公里油耗Y與自重X滿足以下關系Y=0.003X+3.3434(1)

對商用車的研究表明,汽車質量每減少1000kg,油耗可降低6%～7%。油耗的下降,意味著CO2,氮氧化物(NOx)等有害氣體排放量的下降。據報道,在美國汽車質量如果減少25%,燃油消耗按減少13%計,一年可節(jié)省2.7億桶石油,每消耗1L燃油,將產生CO22～2.5kg。因此燃油消耗的降低,就意味著溫室氣體和其他有害氣體排放的下降。第5頁,共37頁，2024年2月25日，星期天6汽車輕量化的意義除空氣動力學阻力之外,車子運動的各類阻力都和車子質量呈線性關系

各類車型的燃油效率與車身自重的關系

汽車自身質量對燃油消耗的影響諸多乘用車，車重減少100kg,每升油多行駛1km第6頁,共37頁，2024年2月25日，星期天7國內外汽車輕量化的發(fā)展現狀國際汽車輕量化發(fā)展現狀國內汽車輕量化發(fā)展現狀第7頁,共37頁，2024年2月25日，星期天8國際汽車輕量化發(fā)展現狀

自上世紀70年代以來，隨著材料技術和制造技術的進步，汽車自身重量在逐年減少，以美國為例，上世紀80年代初，中型轎車的平均質量為1520KG；90年代初下降至1475KG；90年代末下降至1230KG；1985~1995年期間，轎車質量平均每年減少0.9%。20世紀末和本世紀初世界各國先后出現過百公里油耗3L的汽車，這類汽車的質量基本處在750~850KG之間，比現今同類車輕50%。1998年德國大眾推出路波3LTDI，汽車自身質量只有800KG。奧迪公司開發(fā)全鋁型轎車AuDiA2,汽車自身質量只有895~990KG。商用車的自身質量也在減少，以意大利依柯維商用車為例，2004年其駕駛室的質量已降為960KG，減少40%。第8頁,共37頁，2024年2月25日，星期天9國際汽車輕量化發(fā)展現狀

美國總統(tǒng)奧巴馬2009年5月公布了一項汽車節(jié)能減排計劃，目標是到2016年，美國國內生產的客車和輕型卡車百公里耗油不超過6.62L，CO2排放量也比現有車輛減少1/3。這項計劃2012年開始實施，將使美國在2012～2016年減少使用原油18億桶，溫室氣體排放量將減少9億噸。

歐洲和日本不僅在降耗減排方面推行了相關政策，而且對廢舊車輛回收也作出了嚴格規(guī)定。如日本2001年規(guī)劃由拋棄型進入循環(huán)型的社會發(fā)展模式，推行全回收或零廢棄的觀念。其實，2001年以前，日本已有相關法令推行綠色設計及綠色采購。第9頁,共37頁，2024年2月25日，星期天10*超級燃油效率概念車，燃油效率為2.7L/100k（CO271g/km）

主要汽車生產國輕量化與改善燃油效率值的策略

第10頁,共37頁，2024年2月25日，星期天11國際汽車輕量化發(fā)展現狀

國際鋼鐵協(xié)會首先開展了超輕鋼汽車車身UISAB項目，參加該項目的有來自5大洲18個國家的35家鋼鐵企業(yè)。該項目于1994年啟動，1998年結束，主要目標是減小車身質量、提高結構強度、提高安全性、簡化制造工藝及降低生產成本。

與UISAB相關的項目還有UISAC和UISAS兩項目，前者是將高強度鋼應用在汽車車身覆蓋件上，后者是采用高強度和超高強度材料以及一些先進的制造技術來生產輕量、廉價和性能良好的懸架系統(tǒng)，目標是通過采用新的鋼材及設計，將懸架質量減小20%。

國際鋼協(xié)1998年3月開始在全球實施UISAB-AVC計劃，該項目是從整體上研究開發(fā)新一代鋼鐵材料汽車結構（車身、覆蓋件、懸架系統(tǒng)、發(fā)動機支架及所有與結構、安全相關的部件）。

世界各大鋁業(yè)公司也結成了汽車鋁材聯(lián)盟，如美國汽車材料合作伙伴（USAMP）。

第11頁,共37頁，2024年2月25日，星期天12國內汽車輕量化發(fā)展現狀

近年來,我國在汽車輕量化技術方面取得了不少成果?！熬盼濉焙汀笆濉逼陂g,一批汽車新材料項目被列為國家“863”、“973”高新技術項目和國家科技攻關重大項目。促進了汽車輕量化技術的進步。

“九五”期間,我國進行了鋁合金材料和鑄件生產成套工藝技術的開發(fā)研究,開發(fā)出了多種鑄造合金和高性能軸瓦材料：耐熱鋁合金、高強高韌鋁合金、鋁基復合材料等新材料的研究取得了較大進展。半固態(tài)成型、快速凝固等先進成型技術研究與應用也取得了突破。一汽等幾大汽車生產廠家都有自己的鋁合金鑄造生產線；湖南大學也正在進行汽車大型鋁合金結構件整體鑄造成形技術和關鍵設備的研究；重慶汽車研究所、西南鋁、東北大學和一汽都進行了鋁合金板材的成形性研究。第12頁,共37頁，2024年2月25日，星期天13國內汽車輕量化發(fā)展現狀

“十五”期間，我國將鎂合金應用與開發(fā)列為材料領域重點項目,一汽、東風、長安等汽車企業(yè)建立了壓鑄鎂合金生產線重慶汽車研究所在鎂合金零件的性能測試、疲勞試驗、計算機模擬等方面做了大量的工作：上海交大、湖南大學、重慶大學等高校就鎂合金的強韌化、耐蝕性、阻燃性和抗高溫蠕變性等開展了較深入的研究。

目前,國內汽車輕量化材料正在加速發(fā)展,車用高性能鋼板、鎂合金已在汽車上有所應用。如上海大眾桑塔納轎車變速器殼體采用鎂合金。上世紀80年代,重慶汽車研究所就開展了雙相鋼研究；一汽轎車、奇瑞汽車公司也在轎車車身上進行了高強度鋼板的初步應用試驗。第13頁,共37頁，2024年2月25日，星期天14國內汽車輕量化發(fā)展現狀

在汽車結構優(yōu)化設計方面,國內已從主要依靠經驗設計逐漸發(fā)展到應用有限元等現代設計方法進行靜強度計算和分析階段。目前出現了一批擁有自主知識產權的汽車車身模具開發(fā)技術，如湖南大學與上汽通用五菱在薄板沖壓工藝與模具設計理論方面開展了較深入的研究；北京航空航天大學開發(fā)了CAD系統(tǒng)CAXA。并已經開展了客車輕量化技術的研究，利用有限元法和優(yōu)化設計方法進行結構分析和結構優(yōu)化設計。以減少車身骨架、發(fā)動機和車身蒙皮的重量等。

目前，我國汽車輕量化技術無論在理論研究方面還是在實際應用方面與國外均有較大差距。沒有明確定位、合理分工。基礎研究和技術開發(fā)研究的有機銜接不夠。企業(yè)規(guī)模小而分散。輕量化技術開發(fā)能力薄弱，研發(fā)人才短缺，工藝水平落后等問題都是我們不足的地方，需要我們一一去解決。第14頁,共37頁，2024年2月25日，星期天15汽車輕量化的主要途徑新材料在汽車上的應用CAD/CAE在汽車結構設計上的應用結構小型化承載式車身在汽車上的應用先進特種成形工藝的應用第15頁,共37頁，2024年2月25日，星期天16輕金屬在汽車上的應用

鋁、鎂、鈦合金材料是所有現用金屬材料中密度較低的輕金屬材料(鎂合金約1.74g/cm3,鋁合金約2.7g/cm3，鈦合金約4.51g/cm3。而鋼的密度約7.8g/cm3），因而成為汽車減輕自重，提高節(jié)能性和環(huán)保性的首選材料。第16頁,共37頁，2024年2月25日，星期天17（1）苛刻的安全法規(guī)要求用提高汽車主動安全性和被動安全性的眼光來完善汽車的安全設計；（2）選用輕金屬材料是節(jié)油和降低排放的重要方法；（3）選用輕金屬材料是提高汽車動力性、舒適性和提高競爭力的方向選用輕金屬材料的重要意義世界幾種典型轎車用材比例%

因此，輕金屬替代鋼鐵材料是汽車發(fā)展的重要方向。世界各大汽車公司都爭相開發(fā)輕金屬材料。第17頁,共37頁，2024年2月25日，星期天18鋁及鋁合金的特點比強度高彈性好導熱性好易加工回收率高耐蝕性好耐磨密度小ρ=2.7g/cm3鋁及鋁合金第18頁,共37頁，2024年2月25日，星期天19

德國奧迪A8型高級轎車的整個車身均采用鋁材制造，框架采用立體框架式結構，覆蓋件為鋁板沖壓而成。這種鋁車身與鋼車身相比，質量減輕30-50%，油耗減低5-8%。奧迪2011款（全鋁車身框架）

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德國大眾先進的6.0LW12發(fā)動機采用的基本上都是鋁鎂合金，奧迪A8L6.0quattro轎車上因采用W12發(fā)動機，整車重量隨之被降低到1980kg，低于所有其他車型。而W12引擎450馬力、560Nm的強勁動力，使其單位馬力需加速的重量僅為4.7kg，堪與高性能跑車相媲美。大眾最先進的6.0LW12發(fā)動機第20頁,共37頁，2024年2月25日，星期天21北極星系列引擎是通用旗下除了LS引擎系列外最頂級的發(fā)動機，它是美國首款頂置凸輪軸的V8鋁合金的引擎。它的汽缸套由全鋁合金壓鑄而成。目前廣泛應用于凱迪拉克上的4.6升發(fā)動機最大功率320馬力，最大扭矩427Nm。而應用于高性能V系列的機械增壓款更可高達476馬力/606Nm。北極星V8發(fā)動機第21頁,共37頁，2024年2月25日，星期天22鎂及鎂合金的特點易加工資源豐富開采技術成熟回收率高、回收無污染比強度、比剛度高阻尼減震性能高鎂及其合金第22頁,共37頁，2024年2月25日，星期天23

鎂合金減速器外殼采用壓鑄的方法制造，具有重量輕，噪音低的優(yōu)點。鎂合金減速器外殼第23頁,共37頁，2024年2月25日，星期天24

輪轂剎車踏板支架第24頁,共37頁，2024年2月25日，星期天25鈦合金

鋁和不銹鋼在近200℃會失去原有的力學性能，而鈦合金在500℃左右仍能保持良好的力學性能；

在車用輕金屬材料中，鈦的強度可以達到與合金鋼相當的高強度1500MPa，大大高于鋁、鎂合金；

鈦合金具有優(yōu)異的耐蝕性能，可在惡劣的工作環(huán)境下使用

因此鈦合金將是替代鋼鐵的輕量化和高性能的材料，是最具有潛力的汽車用材料。第25頁,共37頁，2024年2月25日，星期天26鈦及鈦合金的特點密度小、比強度大可綠色回收易加工與鋼材同樣的設備工藝記憶功能用于車身方便復原屈強比值大高、低溫力學性能好耐蝕性強不受路面鹽類及廢氣的影響鈦及其合金第26頁,共37頁，2024年2月25日，星期天27鈦合金的應用在汽車上，鈦可用于制造發(fā)動機氣門、承座、氣門彈簧、連桿、緊固件等

鈦合金汽車連桿除了減輕重量外，還可提高使用性能，抗振、節(jié)約燃油。一般用于高檔車中。蘭博基尼-Diablo、法拉力-F355

、-360M

，-550M

、還有保時捷-911GT3等都采用鈦合金來制造連桿。第27頁,共37頁，2024年2月25日，星期天28鈦合金的應用

鈦合金具有良好的高溫力學性能和抗腐蝕性能，不亞于甚至超過了不銹鋼的指標，所以，很適用于排氣系統(tǒng)。而且其它輕合金元素無法用于排氣系統(tǒng)，如果要在排氣系統(tǒng)中減輕汽車重量，鈦及其合金是唯一能夠替代鋼的新型輕質材料。目前鈦合金排氣系統(tǒng)主要應用于賽車、改裝車或高檔轎車中。鈦合金排氣系統(tǒng)第28頁,共37頁，2024年2月25日，星期天29鈦合金應用障礙

價格昂貴是阻礙鈦在汽車上應用的主要因素，鈦制造廠商也正努力進行多方面降低成本的工作，相信在不遠的將來會取得顯著的成效。第29頁,共37頁，2024年2月25日，星期天30非金屬材料的應用汽車中主要的非金屬部件第30頁,共37頁，2024年2月25日，星期天31非金屬材料的應用陶瓷材料其它纖維增強材料非金屬材料橡膠材料工程塑料蜂窩夾層材料第31頁,