轻量化材料在汽车制造的应用

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摘要:目前在世界各国汽车的广泛利用给人类带来了生活上以及方方面面的诸多便利，可是不容忽视的是汽车工业的快速发展，交通安全、环保、能源消耗各方面所面临的诸多问题也备受世界所关注，汽车产量和社会保有量也都在逐年增加。随着人们对高品质生活的需求，对汽车的依赖也是变得越来越离不开。在能耗、环境污染以及交通安全面临着的巨大压力和挑战面前，汽车轻量化材料设计与应用可以有效应对这些难题。既能有效降低尾气排放量，又能降低材料和能源消耗，这也将成为汽车工业实现节能减排的主要方向，对实现人类可持续发展有重要意义。

关键词:轻量化材料;汽车制造;应用

1轻量化材料对汽车工业发展的意义

(1)有目共睹，整车质量大大影响着汽车油耗与排放量。在行驶安全、舒适性不变的基础上，轻量化材料设计与应用能够有效的减轻车身重量，继而有效提高汽车动力并明显减少燃料消耗。实验表明，汽车整车质量每降低100公斤，百公里油耗可降低0．3-0．6升。汽车质量每减轻10%，油耗下降6%-8%，排放量下降4%，因此轻量化材料的设计与应用可以有效直接降低汽车油耗与排放量。(2)安全行驶方面，轻量化材料设计与应用直接导致整车重量下降，碰撞时惯性与制动距离都得到相应减小，可以提高汽车安全性能。

2轻量化材料

轻量化材料，一般通过采用轻量化的金属以及非金属材料才可以实现，其主要包括了工程塑料以及其他多种复合材料。现在在整个汽车行业的材料轻量化已经成为一种趋势，在不影响车身强度的情况下，使用更多的铝合金、镁合金、工程塑料等有助于降低车身自重，从而带来更好的燃油经济性。根据相关数据统计，行业里生产一辆一般家用普通轿车，真个车身的主要材料重量构成比例为:钢铁占据65%-70%、有色金属占据10%-15%、非金属材料占据20%左右。母庸质疑的是在轻量化趋势的带动下，如轻金属材料、复合材料等多种新型材料将会越来越多的应用到汽车上面去，并且这些新型材料还会占据一些传统汽车材料的地位和比例。轻量化材料中，现在整个汽车行业中钢铁材料仍占据主导地位，但不容置喙的是钢铁材料的应用比例正在逐年下降和减少，工程塑料、镁合金、铝合金、复合材料等这些材料的应用数量正在逐渐增多。镁合金密度约为铝的2/3，钢的1/4，加上其具备比强度高、比弹性模量大等这些汽车工业必须的优点，成为常用金属结构材料最受青睐的一种材料，并且在汽车中的应用也在逐步上升。目前在离合器、车轮毂、齿轮箱、汽进气歧管、传动外壳、等方面应用较多，但是因为受技术和成本等方面的约束，目前在汽车工业中镁合金用量还不算太大。根据相关数据统计显示，国内汽车平均用镁量大概只有3kg，而北美的汽车平均用镁量也同样10kg都不到。作为包含多种优异性能的轻量化材料里，碳纤维材料的前景极被看好，尽管目前阶段还有诸多挑战和科技难题等待攻克，其中最关键在于成本太高。

3轻量化材料

要安全也要低成本减重并不代表降低安全性。汽车的安全性主要取决于整体的设计和材质的运用，随着轻量化的实现，众多车型的用料逐渐高级，采用更高强度更轻重量的新型复合材料的运用，例如碳纤维、铝合金等材料。轻量化不只是单纯的减重，重要的还有工艺、性能、成本等多重必要因素。如果说单一材料的话是很难满足各种汽车零部件的硬性需求。所以汽车轻量化的发展趋势其实就是多种新型材料的混合应用。要恰当的部位使用最合适的材料，工程人员有必要了解各种轻量化材料、加工工艺、相关的连接技术、以及优化技术。《节能与新能源汽车技术路线图》提出过轻量化技术的发展思路分三个阶段主要来实现汽车的逐年减重。2016年-2020年，整车质量比2015年减重10%;2021年-2025年，整车质量比2015年减重20%;2026年-2030年，整车质量比2015年减重35%。当然多数轻质材料的大量应用都会不可避免的面临成本问题这一因素的制约。在技术突破方面面前，轻量化所带来的成本压力也会更大。成本之外，还有一个绝对不容忽视的问题，就是汽车驾驶安全问题，大量实验以及科学成果证明汽车重量与汽车驾驶安全性并不成正比，所以汽车轻量化新型材料的出现更是对于测试等这些环节提出了更高的要求。保证汽车整体质量和性能不受影响的基础上，最大限度减轻各零部件质量，以达到高输出功率、低噪音、低振动以及良好的操纵性等，达到降低油耗减少排放量的目的。

4轻量化材料要求和分析

(1)要求。刚度与材料的弹性模量有密切的关系，所以只要材料种类确定了，弹性模量这个也就可以确定了。车辆动力性能、整车NVH性能、和疲劳耐久性能的基础都来自于良好的刚度，平时最常见的评判指标就是车身扭转刚度等。常用于车身碰撞安全性、耐冲击等性能的评估的强度问题与材料的屈服强度和断裂强度也紧密相关，为了提升车子的安全性能，现代车身设计大量采用高强度钢材就是这个原因。(2)分析。上述提到的对车身结构设计进行优化方面，如将车身下部的非连续性改为连续性，初衷就是车身在发生碰撞时可以分散撞击能量;增加加强筋;加强防滚架平衡杆;有限元法设计;采用承载式车身，减薄车身板料厚度等。质量轻、耐磨、耐腐蚀、弹性好、抗冲击性能优、加工成型好和100%可回收等特点，逐渐成为汽车企业钟爱的材料。如:碳纤维复合材料是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维新型纤维材料，它比钢铁轻50%，比铝材轻30%，减重效果相对明显，应用于汽车工业后，让车身发生最明显的变化就是汽车质量减小;另外工程塑料具有质轻、防锈、吸震、可设计自由大等这些优点，在汽车零部件特别是内饰部件的应用量也在逐步扩大。随着油耗问题越来越被人类所重视，轻量化材料的设计和应用逐渐成为汽车行业里面节能减排最有效办法。轻量化材料对于降低油耗、减少排放起着不可替代的作用，已成为汽车行业的热点，汽车变轻，既能提高车辆性能，更能满足节能环保的需求，整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。

作者:闵五保 胡良存 单位:江铃汽车股份有限公司产品开发技术中心