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摘要：作为实现节能减排的重要措施之一，汽车新材料、先进的设计和工艺制造技术，能促进汽车工业可持续发展。轻量化材料一方面节约汽车制造成本，另一方面还可以低碳环保循环利用。新材料和新技术之间相辅相成，先进的工艺技术为轻量化材料更新提供基础，新材料的广泛应用推动工艺技术的发展。在未来汽车制造中，轻量化材料取代钢材已经成为一种趋势。基于此，本文对汽车轻量化及使用材料多元化进行分析。
关键词：汽车轻量化；材料；多元化
对于汽车轻量化一方面要在保证安全和性能的前提下给汽车“减肥”另一方面要降低油耗和排量实现节能减排。新材料的应用是汽车实现轻量化的关键为实现汽车轻量化目标世界各大汽车主机厂和材料厂家一直致力于轻量化材料的研发。从本田推出的全铝车身的NSX跑车到全铝车身的奥迪A8再到目前推出全铝车型最多的捷豹以及全球第一款使用铝合金材料达到50:50比例的混合动力汽车的宝马一时间铝合金无疑成为汽车减重材料的不二之选但随着碳纤维、塑料及复合材料的推广低密度塑料、微发泡塑料、碳纤/长玻纤增强复合材料等一系列高性能塑料及复合材料的开发和应用让汽车减重效果明显提升这些新材料必将成为未来汽车轻量化材料的新宠。专家预计到2020年汽车平均塑料用量将达到5OOkg/辆。
目前国内汽车轻量化产业未形成规模产业链不够完整，与国外差距较大。国际主流车型高强度钢车身占比60%以上；国外或者国内合资高端车型部分零部件应用轻质材料工程塑料零部件相对钢制部件可以减重30%-35%铝合金零部件相对钢制零部件也减重30%一50%镁合金零部件相对钢制零部件可以减重40%-55%碳纤维复合材料零部件相对钢制零部件可减重40%-60%。
有人说未来汽车的竞争也一定是一场轻量化的战争新材料技术的发展也将成为行业焦点。
1汽车轻量化的意义
汽车轻量化是在降低汽车的整备质量的同时保证汽车的强度和安全性能，并且提供汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。汽车在达到轻量化之后，能够节油、减排、提升驾驶乐趣。
(1)减重提效、节约油耗和降低尾气排量。数据统计显示，汽车重量每降低10%，燃油效率可提高6%~8%；滚动阻力每减小10%，燃油效率可提高3%；车桥、变速器等装置的轻量化也能够提高传动效率，进而提高燃油效率。
(2)提高汽车的行驶和安全性能。在驾驶方面，汽车轻量化后其加速性能和制动性能将得到提高，有美国铝业协会报告指出:汽车重量每减轻25%，使汽车加速到96.56km/h所用时间从原来的10s减少到6s；汽车质量的减轻使汽车在较低牵引负荷下能够表现出良好的性能。
(3)提高新能源汽车的续航里程。新能源汽车轻量化的途径主要包括车身轻量化、电池轻量化、零部件轻量化和电驱传动轻量化等。新型轻质材料在轻量化进程中显得越来越重要。目前可用来减轻汽车重量的新型材料主要有以下两类:一种是高强度钢，另外一种是轻质材料，如铝合金、镁合金、钛合金、塑料、碳纤维等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆高强度钢主要是通过减薄钢板厚度来实现轻量化，这就导致其在汽车减重上存在瓶颈，即到达一定程度时，高强度钢无法满足轻量化要求。
在能源紧缺和环境污染严重的形势下，新能源汽车的研发已成为汽车产业发展的必然趋势。纯电动汽车是目前最有价值大规模推广应用的产品。对于纯电动汽车而言，整备质量每减少100kg，增加续航里程可增加10%，电池成本可节约15%到20%。汽车轻量化可以帮助新能源汽车增加续航里程和降低成本。根据欧洲铝业协会调查，如果在新能源汽车上使用轻量化技术，车身减重10%，电耗下降5.5%，续航里程可增加5.5%。在相同续航里程情况下，尽管全铝车身成本较高，但由于节约电池成本，使全铝电动车更具有价格优势。如大众Golf电动车通过采用全铝车身不仅可以减重187kg，因此，通过轻量化来提高能量使用效率对电动汽车来讲尤为重要。
2汽车轻量化材料发展
2.1铝合金
汽车用铝合金主要包括变形铝合金和铸造铝合金，铸造铝合金占据主导，占汽车用铝量的80%左右，主要用于制造发动机缸体、缸盖、离合器壳、保险杠、车轮等;变形铝合金主要用于车身覆盖件的制造，如奥迪A8就创纪录的采用了全铝合金车身。轻质金属铝合金在汽车领域的用量逐步增加，且种类多样化，是汽车轻量化的理想材料。铝合金拥有诸多优良性能，不仅耐腐蚀而且强度和刚度高，加工成型性良好，回收利用率高。铝合金一般分2种，以熔融金属充填铸型，获得各种形状零件毛坯的铝合金就是铸造铝合金；还有一种是变形铝合金，是将铝合金通过冲压、弯曲、轧、挤压等工艺使其组织、形状发生变化而成。铸造铝合金多用于重力铸造件和特种铸造件，变形铝合金多用于空调系统零件、行驶系部分零件、发动机冷却系统散热器件等。制动卡钳、驱动轴及车轮等汽车零件一般采用铝基复合材料，这是一种由多种性质不同材料组成的复合材料。
铝合金材料作为性能优异的新材料同时还具有很好的循环利用性，回收1t铝合金要比加工制造1t少耗能95%，目前汽车用铝合金材料中60%以上的都是再生铝。另外，相比加工铝合金，加工钢铁所需的工装设备需要汽车制造商投资更多资本，以铝挤压型材为主的汽车铝制车身框架，焊点少、装配效率高。
2.2高强度钢板
高强度钢板性能大大优于一般的钢材，高强度钢板具有厚度薄、质量轻的特点，同时具有更高的强度保证车身安全性。在当前高科技新材料成本高、普及率低的背景下，并考虑综合性能，高强度钢板是车身轻量化的首选材料，主要应用于车辆的关键结构件，如地板、AB柱、门槛等。宝马部分车型中的B柱、中通道、车门防撞杆、地板均采用高强度钢。
2.3热塑性塑料
热塑性塑料主要应用在汽车的后尾门，市场上比较典型的应用是雷诺汽车的后尾门，其比钢制后尾门减重10%，不仅能降低生产成本，并且注塑、组装工艺简单，装配效率高。现在主要应用在仪表盘、挡泥板、保险杠、前后翼子板、车门内板、车身外板、油箱、风扇叶片等汽车零部件的制造上。车用塑料的发展方向是开发用于制造汽车结构件、安全件的高性能塑料以及塑料合金，并设法提高塑料的再回收利用率。
2.4复合材料
复合材料是由至少2种不同材料通过先进的材料制备技术组合而成的新材料。组合优化后，其综合性能比单一的原组成材料更加优异，能满足不同的要求。如碳纤维复合材料是汽车轻量化应用中比较典型的复合材料，耐腐蚀、质量轻、高模量而且强度是钢的5倍。由于该材料的优良性能，其在汽车市场已经得到了广泛推广，但是该材料成本较高，最初仅在超级跑车、F1赛车、小批量车型上应用，在汽车中的应用有限。随着复合材料制造工艺的成熟，碳纤维制造成本有所下降，如今已推广至高级轿车上。
结语：
汽车减重显然能带来很多的好处，但从目前市场表现来看，我国的轻量化技术起步较晚，缺乏经验，仍未建立起完善的产业链。在汽车轻量化之路上，仍然面临着众多难题。当前，随着新能源汽车的发展，轻量化更是重中之重。轻量化材料以其自身优势必将在汽车轻量化发展中发挥重要作用。应将汽车轻量化材料的生产成本作为关注焦点，重点从生产工艺、设备和管理等多角度制定降低成本措施，为轻量化材料的大批量生产与应用打下良好基础。
参考文献：
[1]郑晖，赵曦雅.汽车轻量化及铝合金在现代汽车生产中的应用[J].锻压技术，2016，41(02):1-6.
[2]陈辉，景财年.热成形技术在汽车轻量化中的应用与发展[J].金属热处理，2016，41(03):61-66.
论文作者:张志成
论文发表刊物:《科技新时代》2018年9期
论文发表时间:2018/11/16
标签：汽车论文; 轻量化论文; 铝合金论文; 材料论文; 车身论文; 复合材料论文; 性能论文; 《科技新时代》2018年9期论文;