轻量化·汽车轻量化节能技术

汽车轻量化是设计、材料和先进的加工制造技术的优势集成。汽车轻量化实际上是汽车性能提高、质量降低、结构优化、价格合理四方面相结合的一个系统工程。

有试验表明，汽车质量每减轻10%，油耗下降6%~8%，排放量下降4%。同时汽车轻量化直接提高汽车的比功率，使汽车的动力性能提高。因此，汽车轻量化技术是有效降低油耗、减少排放和提升安全性的重要技术措施之一，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。

汽车轻量化的实现需要材料技术、轻量化结构优化设计技术、轻量化绿色制造技术3方面的进步，是材料、设计、加工成形技术等多方面的集成，其中材料的创新是基础和核心。

汽车轻量化材料

新材料的应用是汽车实现轻量化的关键。为实现轻量化，世界各大汽车生产商和材料生产厂家一直致力于轻量化材料的研发，轻量化材料应用的多少已经成为衡量汽车生产技术和新材料开发水平的重要标准之一。目前，用于汽车轻量化的材料主要有低密度的轻质材料和高强度材料，前者包括以铝、镁、钛合金为代表的金属材料和塑料、纤维等高分子材料，后者主要指高强度钢。

铝合金

铝合金是以铝为基加入其他元素组成的合金。铝合金密度为2.7g/cm3，约是钢密度的1/3。铝合金具有密度小、比强度和比刚度高、循环利用性强、导热导电性能良好等优势，在气缸体、壳体、转向盘骨架等零部件上大量使用，是汽车轻量化重要的替代材料。加之铝合金加工技术不断发展成熟，通过对铝合金适当的加工与处理，铝合金强度还可以大幅提升。铝合金应用范围已经逐渐从车轮等零部件逐渐扩展到车身、车门和车盖。目前，已经有福特、奥迪、捷豹等汽车生产商使用全铝车身。

随着铝合金技术的发展及汽车节能减排的需要，铝合金在汽车上的应用将快速增加，汽车的铝化界限可以达到30%~50%。

铝合金在汽车上的应用实例

福特公司使用全铝车身，在悬架系统、车门、发动机罩、保险杠等部件也使用铝合金的新款F150车型，与现款车型相比，减重340kg，燃油经济性提升20%。

镁合金

镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。其特点是密度小，约为铝合金的2/3，比强度高，弹性模量大，消振性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。

镁合金大部分以压铸件的形式在汽车上应用，镁压铸件的生产效率比铝高30%~50%。新开发的无孔压铸法可生产出没有气孔且可热处理的镁压铸件。镁铸件在汽车上使用最早的实例是车轮轮辋。在汽车上试用或应用镁合金的实例还有离合器壳体、离合器踏板、制动踏板固定支架、仪表板骨架、座椅、转向柱部件、转向盘轮芯、变速器壳体、发动机悬置和气缸盖等。

镁合金在汽车上的应用实例

镁合金因其显著的减重效果、良好的铸造和尺寸稳定性、优良的抗振性及可回收再生等特性，已成为汽车制造业最具潜力的结构材料。特别是大力提倡发展低碳经济的今天，镁合金是汽车轻量化中取代钢铁及部分铝合金的首选材料，各国也把单车镁合金用量作为汽车先进性的标志之一。

钛合金

钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛的密度为4.5g/cm3，具有比强度高、高温强度高和耐腐蚀等优点。由于钛的价格昂贵，至今只见在赛车和个别豪华车上少量应用。尽管如此，对钛合金在汽车上应用的试验研究工作却不少。例如用α+β系钛合金制造的发动机连杆，强度相当于45钢调质的水平，而质量可以降低30%；β系钛合金经强冷加工和时效处理，强度可达2000MPa，可用来制造悬架弹簧、气门弹簧和气门等，与拉伸强度为2100MPa的高强度钢相比，钛弹簧可降重20%。

钛合金在汽车上的应用实例

碳纤维

碳纤维是一种纤维状复合材料，含碳量超过90%以上，具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。它的强度比钢大，密度比铝小，具有极好的电学、热学和力学性能。碳纤维和碳纤维增强复合材料作为21世纪的新材料，具有强度高、质量轻、耐腐蚀等优势，多年前便应用于赛车领域，目前已开始逐步应用到民用汽车领域。特别是在新能源汽车上，有着广泛的应用前景。由于碳纤维增强复合材料有足够的强度和刚度，是制造汽车车身和底盘等主要结构件的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身、底盘减轻质量40%~60%，相当于钢结构质量的1/3~1/6。未来兰博基尼几乎所有的新车型车身都将使用碳纤维材料，大幅降低车身质量。

碳纤维在汽车上的应用实例

虽然对于汽车来说，碳纤维复合材料具有更高的安全性、轻量化等众多优点，但是现阶段它还仅限于高档轿车的应用，这主要是因为碳纤维的价格较高。

汽车轻量化设计

汽车设计轻量化也就是结构优化设计，即通过采用先进的优化设计方法和技术手段，在满足结构强度、刚度、模态、碰撞安全性、疲劳寿命、NVH（噪声、振动与声振粗糙度）、生产成本等诸多方面的性能要求，以及相关的法律、法规、标准的前提下，通过优化结构参数，提高材料的利用率，去除零部件冗余部分，同时又使部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以减轻质量，实现轻量化。

汽车结构的轻量化设计与优化主要包括以下几点。

①通过CAD来优化设计汽车结构，减少结构质量和材料厚度，使部件薄壁化、中空化、小型化及复合化达到轻量化目的，采用CAE技术计算汽车强度和刚度，确保减重整车的性能。

②开发设计车体和部件更趋合理化的中空型结构。主要途径就是在结构上采用“以空代实”，即对于承受以弯曲或扭转载荷为主的构件，采用空心结构取代实心结构，同时优化结构布局，使之更加紧凑，这样既可以减轻质量，节约材料，又可以充分利用材料的强度和刚度。

③在轻量化与材料特性、工艺性、生产批量、成本及其他制约因素中找到一个最佳的结合点，实现多材料组合的轻量化结构，强调合适的材料用于合适的部位，藉以CAD/CAE计算机辅助技术，使结构轻量化设计与优化融入开发前期，缩短开发周期，降低成本，确保了汽车轻量化的效率和质量。

某汽车结构件采用以塑代钢和轻量化优化技术，可实现单车累计减重60kg以上

汽车轻量化制造

材料在一定的情况下，减重的主要方法是设计和制造出合理的轻体结构。先进成型制造技术包括热冲压成型、液压成型、激光拼焊成型、辊压成型等。

①热冲压成型技术广泛应用于国外汽车上的各类强度高达1500MPa的汽车前后保险杠、保安件和碰撞件的加强件，为汽车轻量化和提高安全性做出了突出贡献。

②液压成型技术主要用来加工管件，使之成为具有异型截面的构件，来代替实心构件，在不提高材料成本的前提下，既可减轻质量又可充分利用材料的强度和刚度。目前应用液压成型技术的汽车零部件主要有发动机系统零件，如进气歧管、排气歧管、发动机托架、涡轮增压系统元件等；悬吊系统零件，如发动机支承架、传动轴元件等；车身结构件，如底盘、车顶支架、侧门横梁等；其他类，如座椅框架及散热器支架等。

液压成型的典型汽车零部件

③激光拼焊成型是将不同厚度或不同材质及不同表面状态的板材剪裁成一定的尺寸和形状，用激光拼焊成一块整体板，在冲压制造后，与其他零件一起装配汽车。据统计，在汽车制造中采用激光拼焊板材后，可使零件质量相对减轻24%，零件数量减少19%，焊点下降49%，生产效率提高21%。激光拼焊成型的前围板是由上部分0.8mm厚270MPa钢板与下部分1.2mm厚590MPa高强度钢板激光拼焊而成，不仅能降低 制造成本和质量，还能抑制发动机舱部件向乘员舱侵入，减轻A柱形变的压力，使得在关键时刻最大限度地保护乘客的生命安全。

激光拼焊成型的前围板

④辊压成型工艺主要是靠材料的塑性移动滚压加工成各种形状复杂的轴杆、阀门芯和特殊紧固件等产品，如汽车保险杠本体、防撞杆、门槛件、座椅轨等。

另外，还有半固态成型、高真空压铸、等温挤压、等温锻造等，每种成型制造技术都通过计算机仿真设计极大地改善轻合金的精确高效成形性能，可实现高精度、高效率的精确成型制造，获得预期的材料组织性能与成型质量。

汽车轻量化技术实例

宝马汽车轻量化设计方案

发动机/变速器轻量化

2014款宝马M3使用的3.0T双涡轮增压发动机。相比2009款4.0LV8自然吸气发动机，在质量上减轻了10kg。新发动机的曲轴采用了新的材料，同时，核心部件——中缸采用铝制，锻造而成的活塞/连杆也同时满足了高强度和轻量化的需求，质量上减轻了2kg。油底壳使用的是铝镁合金材料，相比传统油底壳轻了1kg。另外，新的M-DCT双离合变速器也减轻了12kg。新款宝马M3的动力总成为轻量化做出了25kg的贡献。

2014款宝马M3使用的3.0T双涡轮增压发动机

传动轴轻量化

2014款宝马M3使用碳纤维传动轴，与2009款传动轴相比，质量减轻5kg，但传递的转矩更大。将碳纤维材料用于汽车动力传动系统，宝马M3是首次。

2014款宝马M3使用碳纤维传动轴

车身轻量化

2014款宝马M3在车身轻量化方面，多处采用铝合金和碳纤维材料，车身减轻24.5kg。其中，发动机盖和前翼子板采用铝合金材料，分别减轻8kg和3.5kg；后备厢盖采用碳纤维材料，减轻5kg；车顶采用碳纤维材料，减轻6kg；发动机盖内的加强臂也采用了碳纤维材料，减轻了2kg。

宝马M3碳纤维车顶

2014款宝马M3与2009款相比，采用轻量化技术，整备质量减轻，油耗降低，动力增大，综合工况油耗由12.1L/100km减少到8.5L/100km，0~100km加速时间由4.7s缩短到4.1s。