汽车知识：解析汽车轻量化的途径和材料

　　当今，总是听到汽车轻量化这个词，那么什么是汽车轻量化呢?汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%;汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升;汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。

　　轻量化热潮开始蔓延

　　对人类来说，瘦得过头可是会生病的，但对车辆来说，车身的重量却是愈轻愈好;过去轻量化是赛车跟高性能跑车的专利，现在轻量化的热潮则延烧到所有车型之上!过去轻量化是高性能车款的专利，主要原因在于轻量化材料的造价向来十分高昂，使用这些材料会让一般市售车的价格变得过于高昂，不利于销售。但随着制造工艺日益先进，这些高性能材料的价格变得较过去来得低廉，让车厂能把过去专属于高性能车款的材料，运用在一般车辆上。

　　轻量化早已不是超级跑车的专利，各式新颖的材质都能有效降低车身重量

　　汽车轻量化的指导思想是：在确保稳定提升性能的基础上，节能化设计各总成零部件，持续优化车型谱。

　　汽车轻量化的主要途径有：

　　1. 汽车主流规格车型持续优化，规格主参数尺寸保留的前提下，提升整车结构强度，降低耗材用量;

　　2. 采用轻质材料。如铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等;

　　3. 采用计算机进行结构设计。如采用有限元分析、局部加强设计等;

　　4. 采用承载式车身，减薄车身板料厚度等。

　　其中，当前的主要汽车轻量化措施主要是采用轻质材料。

　　可用于汽车轻量化设计的金属材料

　　有色合金

　　以乘用车来说，1973年每辆车所使用的有色合金占全部用材的重量比为5.0%，1980年增至5.6%，而1997年则达到了9.6%。有色合金在汽车上应用量的快速增长是汽车材料发展的大趋势。

　　铝合金

　　为了控制碳纤维零件的价格与品质，BMW将部分碳纤维零件自行生产

　　铝的密度约为钢的1/3，是应用最广泛的轻量化材料。以美国生产的汽车产品为例，1976年每车用铝合金仅39kg，1982年达到62kg，而1998年则达到了100kg。

　　铸造铝合金

　　许多种元素都可以作为铸造铝合金的合金元素，但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li在大量生产中具有重要意义。当然，在汽车上广泛应用的并不是上述简单的二元合金，而是多种元素同时添加以获得好的综合性能。

　　汽车工业是铝铸件的主要市场，例如日本，铝铸件的76%、铝压铸件的77%为汽车铸件。铝合金铸件主要应用于发动机气缸体、气缸盖、活塞、进气歧管、摇臂、发动机悬置支架、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件、把手及罩盖壳体类零件等。

　　铝铸件中不可避免地存在缺陷，压铸件还不能热处理，因此在用铝合金来生产要求较高强度铸件时受到限制。为此在铸件生产工艺上作了改进，铸造锻造法和半固态成型法将是未来较多用的工艺。

　　变形铝合金

　　变形铝合金指铝合金板带材、挤压型材和锻造材，在汽车上主要用于车身面板、车身骨架、发动机散热器、空调冷凝器、蒸发器、车轮、装饰件和悬架系统零件等。

　　由于轻量化效果明显，铝合金在车身上的应用正在扩大。如1990年9月开始销售的日本本田NSX车采用了全铝承载式车身，比用冷轧钢板制造的同样车身轻200kg，引起全世界的瞩目。NSX全车用铝材达到31.3%，如在全铝车身上，外板使用6000系列合金，内板使用5052-0合金，骨架大部使用5182-0合金;由于侧门框对强度和刚度要求很高，使用以6N01合金为基础、适当调整了MG和Si含量的合金。在欧美也有用2036和2008合金作车身内外板的。

　　铝散热器发源于欧洲而后遍及全世界。在欧洲，到20世纪80年代后期铝散热器已占领市场的90%。随着车用空调、油冷却器等的大量使用，铝热交换器的市场迅速扩大。从材料的角度看，铝在热交换器上的广泛应用在很大程度上归功于包覆料覆层铝板和铝带的成功开发。

　　铝基复合材料

　　铝基复合材料密度低、比强度和比模量高、抗热疲劳性能好，但在汽车上的应用受到价格及生产质量控制等方面的制约，还没有形成很大的规模。目前，铝基复合材料在连杆、活塞、气缸体内孔、制动盘、制动钳和传动轴管等零件上的试验或使用显示出了卓越的性能，如本田公司开发成功的由不锈钢丝增强的铝基复合材料连杆比钢制连杆降重30%，对1.2L的汽油发动机可提高燃料经济性5%;采用激冷铝合金粉末与SiC粉末(重量百分数2%)混合并挤压成棒材，用此棒材经锻造成型的活塞因强度高可降重20%，发动机功率大幅度提高;用铝基复合材料强化活塞头部而取消第一道环槽的奥氏体铸铁镶块可降重20%;铝基复合材料制动盘比铸铁制动盘降重50%。

　　镁合金

　　镁的密度约为铝的2/3，在实际应用的金属中是最轻的。镁合金的吸振能力强、切削性能好、金属模铸造性能好，很适合制造汽车零件。

　　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(Pore Free Diecast)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、变速箱壳体、发动机悬置、气缸盖和气缸盖罩盖等。与传统的锌制转向柱上支架相比，镁制件降重65%;与传统的钢制转向轮芯相比，镁制件降重45%;与全铝气缸盖相比，镁制件降重30%;与传统的钢制冲压焊接结构制动踏板支架相比，整体的镁铸件降重40%，同时其刚性也得以改善。

　　镁基复合材料的研究也有进展，以SiC颗粒为增强体,采用液态搅拌技术得到的镁基复合材料具有很好的性能且生产成本较低。在AZ91合金中加入25%的SiC颗粒增强的复合材料比基体合金拉伸强度提高23%，屈服强度提高47%，弹性模量提高72%。

　　钛合金

　　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，而重量可以降低30%;β系钛合金(Ti-13V-11Cr-3Al等)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%。

　　钛合金应用的最大阻力来自其高价格，丰田中央研究所开发了一种成本较低的钛基复合材料。该复合材料以Ti-6Al-4V合金为基体，以TiB为增强体，用粉末冶金法生产，已在发动机连杆上应用。

　　钢铁末日未到

　　Smart Forvision车上的全塑料轮圈是一项惊人创举，BASF公司更表示此轮圈随时可投入量产

　　提到钢材恐怕让人难以跟轻量化联想，事实上即使在各式新材料的夹击下，钢仍有不可取代的地位，世界钢铁协会(World Steel ASSociATion，WSA)在今年五月发布了未来钢车计划(The Future Steel Vehicle，FSV)，以新开发的先进高刚性钢材(Advanced High-Strength Steel，AHSS)制造车辆，此一材质不仅比传统钢材轻量35%，在产品生命周期中的污染更降低70%，FSV计划主席Jody Shaw表示：高度运用弹性、可塑性、低生产污染以及极具竞争力的制造成本完美展现出钢材的优势。

　　轮圈也轻量

　　A2概念车轮圈的特殊复合包层构造，也让18寸轮圈减轻达2公斤之谱

　　未来轻量化的工程甚至延伸到轮圈之上，而且在这次车展当中我们已经看到惊人的成果，在Smart Forvision车上所使用的轮圈完全跳脱传统思维，由BASF公司所设计的Ultramid轮圈是以热塑性塑胶制作，重量比传统铝制轮圈轻30%，以Smart Forvision来说，光使用Ultramid轮圈就已经减重12公斤。无独有偶地，Audi也在轮圈上大做文章，在A2概念车上的轮圈虽然还是以合金为主要材料，但加上特殊的复合材料包层构造，每个单一轮圈减重达2公斤之谱，整套轮圈亦为车辆省下8公斤的重量，而且还保留了e-tron车系的轮圈造型特色。

　　小结：汽车轻量化已经是未来汽车发展的趋势，不过汽车轻了，安全性也就随之降低了，这都说明了汽车轻量化“举步维艰”，究竟是得不到鼓励?还是有鼓励没落实?这是汽车产业行走在轻量化之路上亟待解决的问题，安全性和轻量化并存的那天有没有可能到来呢?我们还是拭目以待吧!

　　相关链接：中国汽车消费网   小胖看车团