基本介紹
- 中文名：汽車輕量化
- 外文名：Lightweight of Automobile
- 主要途徑：採用輕質材料
- 設計材料：有色合金
基本信息,主要途徑,新材料,有色合金,鋁合金,鎂合金,鈦合金,新工藝,高強度鋼板,結構鋼,高強度鑄鐵,粉末冶金材料,塑膠套用,發動機機體的輕量化技術,
基本信息
主要指導思想：在確保穩定提升性能的基礎上，節能化設計各總成零部件，持續最佳化車型譜。
實驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；汽車整備質量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。當前，由於環保和節能的需要，汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流。
主要途徑
①汽車主流規格車型持續最佳化，規格主參數尺寸保留的前提下，提升整車結構強度，降低耗材用量；
③採用計算機進行結構設計。如採用有限元分析、局部加強設計等；
④採用承載式車身，減薄車身板料厚度等。
其中，當前的主要汽車輕量化措施主要是採用輕質材料。
新材料
車用材料主要通過汽車的輕量化來對燃料經濟性改善作出貢獻。理論分析和試驗結果都表明，輕量化是改善汽車燃料經濟性的有效途徑。為了適應汽車輕量化的要求，一些新材料應運而生並擴大了套用範圍。
有色合金
以乘用車來說，1973年每輛車所使用的有色合金占全部用材的重量比為5.0%，1980年增至5.6%，而1997年則達到了9.6%。有色合金在汽車上套用量的快速增長是汽車材料發展的大趨勢。
鋁合金
鋁的密度約為鋼的1/3，是套用最廣泛的輕量化材料。以美國生產的汽車產品為例，1976年每車用鋁合金僅39kg，1982年達到62kg，而1998年則達到了100kg。
（1）鑄造鋁合金
許多種元素都可以作為鑄造鋁合金的合金元素，但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li在大量生產中具有重要意義。當然，在汽車上廣泛套用的並不是上述簡單的二元合金，而是多種元素同時添加以獲得好的綜合性能。
汽車工業是鋁鑄件的主要市場，例如日本，鋁鑄件的76%、鋁壓鑄件的77%為汽車鑄件。鋁合金鑄件主要套用於發動機氣缸體、氣缸蓋、活塞、進氣歧管、搖臂、發動機懸置支架、空壓機連桿、傳動器殼體、離合器殼體、車輪、制動器零件、把手及罩蓋殼體類零件等。
鋁鑄件中不可避免地存在缺陷，壓鑄件還不能熱處理，因此在用鋁合金來生產要求較高強度鑄件時受到限制。為此在鑄件生產工藝上作了改進，鑄造鍛造法和半固態成型法將是未來較多用的工藝。
（2）變形鋁合金
變形鋁合金指鋁合金板帶材、擠壓型材和鍛造材，在汽車上主要用於車身面板、車身骨架、發動機散熱器、空調冷凝器、蒸發器、車輪、裝飾件和懸架系統零件等。
由於輕量化效果明顯，鋁合金在車身上的套用正在擴大。如1990年9月開始銷售的日本本田NSX車採用了全鋁承載式車身，比用冷軋鋼板製造的同樣車身輕200kg，引起全世界的矚目。NSX全車用鋁材達到31.3%，如在全鋁車身上，外板使用6000系列合金，內板使用5052－0合金，骨架大部使用5182－0合金；由於側門框對強度和剛度要求很高，使用以6N01合金為基礎、適當調整了Mg和Si含量的合金。在歐美也有用2036和2008合金作車身內外板的。
鋁散熱器發源於歐洲而後遍及全世界。在歐洲，到20世紀80年代後期鋁散熱器已占領市場的90%。隨?車用空調、油冷卻器等的大量使用，鋁熱交換器的市場迅速擴大。從材料的角度看，鋁在熱交換器上的廣泛套用在很大程度上歸功於包覆料覆層鋁板和鋁帶的成功開發。
（3）鋁基複合材料
鋁基複合材料密度低、比強度和比模量高、抗熱疲勞性能好，但在汽車上的套用受到價格及生產質量控制等方面的制約，還沒有形成很大的規模。目前，鋁基複合材料在連桿、活塞、氣缸體內孔、制動盤、制動鉗和傳動軸管等零件上的試驗或使用顯示出了卓越的性能，如本田公司開發成功的由不?鋼絲增強的鋁基複合材料連桿比鋼製連桿降重30%，對1.2L的汽油發動機可提高燃料經濟性5%；採用激冷鋁合金粉末與SiC粉末（重量百分數2%）混合併擠壓成棒材，用此棒材經鍛造成型的活塞因強度高可降重20%，發動機功率大幅度提高；用鋁基複合材料強化活塞頭部而取消第一道環槽的奧氏體鑄鐵鑲塊可降重20%；鋁基複合材料制動盤比鑄鐵制動盤降重50%。
鎂合金
鎂的密度約為鋁的2/3，在實際套用的金屬中是最輕的。鎂合金的吸振能力強、切削性能好、金屬模鑄造性能好，很適合製造汽車零件。
鎂合金大部分以壓鑄件的形式在汽車上套用，鎂壓鑄件的生產效率比鋁高30%~50%。新開發的無孔壓鑄法（Pore Free Diecast）可生產出沒有氣孔且可熱處理的鎂壓鑄件。
鎂鑄件在汽車上使用最早的實例是車輪輪輞。在汽車上試用或套用鎂合金的實例還有離合器殼體、離合器踏板、制動踏板固定支架、儀錶板骨架、座椅、轉向柱部件、轉向盤輪芯、變速箱殼體、發動機懸置、氣缸蓋和氣缸蓋罩蓋等。與傳統的鋅制轉向柱上支架相比，鎂製件降重65%；與傳統的鋼製轉向輪芯相比，鎂製件降重45%；與全鋁氣缸蓋相比，鎂製件降重30%；與傳統的鋼製衝壓焊接結構制動踏板支架相比，整體的鎂鑄件降重40%，同時其剛性也得以改善。
鎂基複合材料的研究也有進展，以SiC顆粒為增強體,採用液態攪拌技術得到的鎂基複合材料具有很好的性能且生產成本較低。在AZ91合金中加入25%的SiC顆粒增強的複合材料比基體合金拉伸強度提高23%，屈服強度提高47%，彈性模量提高72%。
鈦合金
鈦的密度為4.5g/cm3,具有比強度高、高溫強度高和耐腐蝕等優點。由於鈦的價格昂貴，至今只見在賽車和個別豪華車上少量套用。儘管如此，對鈦合金在汽車上套用的試驗研究工作卻不少。例如用α+β系鈦合金製造的發動機連桿，強度相當於45鋼調質的水平，而重量可以降低30%；β系鈦合金（Ti-13V-11Cr-3Al等）經強冷加工和時效處理，強度可達2000MPa，可用來製造懸架彈簧、氣門彈簧和氣門等，與拉伸強度為2100MPa的高強度鋼相比，鈦彈簧可降重20%。
鈦合金套用的最大阻力來自其高價格，豐田中央研究所開發了一種成本較低的鈦基複合材料。該複合材料以Ti-6Al-4V合金為基體，以TiB為增強體，用粉末冶金法生產，已在發動機連桿上套用。
新工藝
鋼鐵材料在與有色合金和高分子材料的競爭中繼續發揮其價格便宜、工藝成熟的優勢，通過高強度化和有效的強化措施可充分發揮其強度潛力，以致迄今為止仍然是在汽車生產上使用最多的材料。
高強度鋼板
轎車自重的25%在車身，車身材料的輕量化舉足輕重。20世紀90年代，世界範圍內的35家主要鋼鐵企業合作完成了“超輕鋼質汽車車身”（ULSAB－Ultra Light Steel Auto Body）課題。該課題的研究成果表明，車身鋼板的90%使用現已大量生產的高強度鋼板（包括高強度、超高強度和夾層減重鋼板），可以在不增加成本的前提下實現車身降重25%（以4門轎車為參照），且靜態扭轉剛度提高80%，靜態彎曲剛度提高52%，第一車身結構模量提高58%，滿足全部碰撞法規要求。當然，這還是一個研究的成果，高強度鋼板在車身上的實際套用還未達到如此高的水平。在普通的IF鋼板的基礎上相繼開發了高強度IF鋼板和烘烤硬化IF鋼板，在保持高成型性的同時提高了強度和抗凹陷性，為車身鋼板的減薄和實現輕量化創造了條件。
加入Ti、Nb和V等元素的析出強化鋼板拉伸強度在500~750MPa，可用於車輪和其它底盤零件。
近來開發的多相鋼有相當大的套用潛力。其中鐵素體－貝氏體鋼強度級別為500MPa，雙相（DP）鋼和相變誘發塑性（TRIP）鋼強度級別為600~800MPa,復相（CP）鋼強度級別在1000MPa或更高。這些鋼的成型性能也很好。
雷射拼焊毛坯（Tailored Blank）是新近開發並套用的鋼板輕量化技術。在前述ULSAB車身有18個零件採用了此技術。
結構鋼
鋼鐵材料的用量雖逐年減少，但高強度鋼的用量卻有相當大的增加。高強度結構鋼使零件設計得更緊湊和小型化，有助於汽車的輕量化。
(1) 彈簧
懸架彈簧輕量化的最有效方法是提高彈簧的設計許用應力。但是為了實現這種高應力下的輕量化，材料的高強度化是不可少的。在傳統的Si-Mn彈簧鋼的基礎上通過降低C並添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素，開發出強度和韌性都很高的鋼種，設計許用應力可達1270MPa，這種彈簧鋼的套用可實現40%的輕量化。在傳統的Cr-V系彈簧鋼中添加Nb可提高鋼的抗延遲斷裂性能，結合改進的奧氏體軋製成型，可使鋼的拉伸強度達到1800MPa的水平。
氣門彈簧用的Si-Cr鋼中添加V，通過晶粒細化確保韌性，由增C提高強度。這樣改進後，彈簧的高周疲勞強度約提高8%，可實現15%的輕量化。通過有限元分析，螺旋彈簧內、外側應力均勻分布的檸檬形斷面彈簧鋼絲得以開發，使彈簧實現7%的輕量化。
提高彈簧疲勞強度的有效途徑是對彈簧進行噴丸和氮化處理。彈簧的噴丸，除了傳統的應力噴丸之外又發展了雙級噴丸。噴丸和氮化也可以複合使用。
(2)齒輪
汽車發動機有高功率化的趨勢，而傳動器有緊湊小型化的傾向。這勢必加大傳動齒輪的負荷，從而對齒輪鋼的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度的要求也相應提高。
提高鋼中Ni、Cr、Mo等合金元素的含量可以提高齒輪鋼的淬透性和強度，但單純靠合金元素來強化齒輪鋼會使鋼的切削性能變壞、熱處理工藝複雜，原材料成本和生產成本都會大幅度提高。齒輪滲碳時，為了防止或減少異常層的出現，降低鋼中的Si和P含量，Mo量增加到0.35%~0.45%，並採用經改良的碳氮共滲工藝。改進的鋼種可使齒輪實物的衝擊壽命提高3~5倍，若在上述降低表面異常層鋼種加上強力噴丸，可使齒輪疲勞極限提高20%~30%。
齒輪鋼中的非金屬夾雜物是疲勞裂紋的起點，會降低強力噴丸的強化效果，為此開發了高純淨度齒輪鋼。例如對SCM420HZ鋼，將氧濃度降到9ppm以下、磷濃度降到90ppm以下時，與前述降低表面異常層的低Si高Mo鋼相比，齒輪齒根彎曲疲勞壽命提高10%~17%，接觸疲勞壽命提高25%。
高強度鑄鐵
鑄鐵由於其性能和成本方面的諸多優點，在汽車材料中仍然占有一席之地。鑄鐵材料的進步更使之在汽車上的套用出現了新亮點。
(1) 球墨鑄鐵
鐵素體球墨鑄鐵拉伸強度可達500MPa，韌性也較高，因此多用於底盤零件，有的車型甚至用作轉向節等保全件。
珠光體球墨鑄鐵強度更高，在一些零件上可代替鍛鋼件。帶平衡塊的4缸轎車發動機曲軸採用球墨鑄鐵加圓角滾壓強化，已成為美、德、法等國汽車廠家的標準工藝。因球鐵的密度比鋼約小10%，所以以球鐵代鋼可以產生一定的輕量化效果。
奧貝球鐵(ADI-Austempered Ductile Iron）具有很高的強度和韌塑性，按美國和德國標準製造的奧貝球鐵牌號，其最高強度級別達到1400MPa，超過了調質鋼和滲碳鋼的強度水平。可以用ADI代替鋼製造汽車輪轂、全輪驅動雙聯桿、轉向節臂、發動機正時齒輪、曲軸和連桿等。經實物測量，代替鍛鋼製造曲軸可以降重10%，代替鋁合金製造載貨車輪轂每隻可降重0.5kg。
(2) 蠕墨鑄鐵
蠕墨鑄鐵(Vermicular graphite cast iron)又稱緊密石墨鑄鐵(Compacted graphite cast iron)，其機械－物理性能和鑄造工藝性能介於灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，很適合製造強度要求較高和要承受熱循環負荷的零件，如氣缸體、氣缸蓋、排氣歧管和制動鼓等。
蠕墨鑄鐵的發現與球鐵同時，但由於蠕化工藝控制難度較大而套用受到限制，Sinter Cast工藝控制系統為蠕鐵的套用開闢了廣闊的前景。蠕鐵氣缸體比灰鑄鐵氣缸體降重16%，而結構剛度則提高12%~25%。採用蠕鐵製造氣缸體還可改善摩擦磨損性能、降低振動和噪音、改善排放。
粉末冶金材料
組裝式粉末冶金空心凸輪軸是近年來的新產品，它是由鐵基粉末冶金材料製成凸輪，然後用燒結或機械的辦法固定在空心鋼管上組成。與常規的鍛鋼件或鑄鐵件相比，可降重25%~30%。此種凸輪軸已在高速汽油機上使用，隨?柴油機凸輪軸服役工況的日益苛刻，粉末冶金空心凸輪軸有推向柴油機的趨勢。
粉末鍛造連桿已經成功套用，近年開發的一次燒結粉末冶金連桿技術的生產成本較低，可實現11%的輕量化。
塑膠套用
塑膠在汽車行業的套用前景同樣看好。目前世界上不少轎車的塑膠用量已經超過120千克/輛，個別車型還要高，德國賓士高級轎車的塑膠使用量已經達到150千克/輛。國內一些轎車的塑膠用量也已經達到90千克/輛。可以預見，隨著汽車輕量化進程的加速，塑膠在汽車中的套用將更加廣泛。汽車輕量化使塑膠作為原材料在汽車零部件領域被廣泛採用，從內裝件到外裝件以及結構件，塑膠製件的身影隨處可見。目前，已開發國家已將汽車用塑膠量的多少，作為衡量汽車設計和製造水平的一個重要標誌從現代汽車使用的材料看，無論是外裝飾件、內裝飾件，還是功能與結構件，到處都可以看到塑膠製件的身影。
汽車輕量化“相中”塑膠汽車工業的發展與塑膠工業的發展密不可分。近年來汽車輕量化成為降低汽車排放、提高燃燒效率的有效措施，也是汽車材料發展的主要方向，它使塑膠在汽車中的用量迅速上升。目前已開發國家已將汽車用塑膠量的多少作為衡量汽車設計和製造水平的一個重要標誌。
統計顯示，汽車一般部件重量每減輕1%，可節油1%；運動部件每減輕1%，可節油2%。國外汽車自身質量同過去相比，已減輕20%—26%。預計在未來的10年內，轎車自身的重量還將繼續減輕20%。而塑膠等輕量化材料的開發與套用，在汽車的輕量化過程中發揮著重大作用。
汽車材料套用塑膠的最大優勢是減輕車體的重量。一般塑膠的比重在0.9—1.5，纖維增強複合材料的比重也不會超過2.0，而金屬材料的比重，A3鋼為7.6，黃銅為8.4，鋁為2.7。這就使得塑膠材料成為汽車輕量化的首選用材。從現代汽車使用的材料看，無論是外裝飾件、內裝飾件，還是功能與結構件，到處都可以看到塑膠製件的影子。外裝飾件的套用特點是“以塑代鋼”，減輕汽車自重，主要部件有保險槓、擋泥板、車輪罩、導流板等；內裝飾件的主要部件有儀錶板、車門內板、副儀錶板、雜物箱蓋、坐椅、後護板等；功能與結構件主要有油箱、散熱器水室、空氣過濾器罩、風扇葉片等。
汽車輕量化，使包括聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、熱固性複合材料、ABS、尼龍和聚乙烯等在內的塑材市場得以迅速放大。近兩年，車用塑膠的最大品種--聚丙烯，每年以2.2%—2.8%的速度加快增長。預計到2020年，已開發國家汽車平均用塑膠量將達到500千克/輛以上。
目前國外汽車的內飾件已基本實現塑膠化，塑膠在汽車中的套用範圍正在由內裝件向外裝件、車身和結構件擴展。今後的重點發展方向是開發結構件、外裝件用的增強塑膠複合材料、高性能樹脂材料與塑膠，並對材料的可回收性予以高度關注。統計顯示，全世界平均每輛汽車的塑膠用量在2000年就已達105千克，約占汽車總重量的8%—12%。而已開發國家汽車的腳踏車塑膠平均使用量為120千克，占汽車總重量的12%—20%。如奧迪A2型轎車，塑膠件總重量已達220千克，占總用材的24.6%。目前，已開發國家車用塑膠已占塑膠總消耗量的7%—8%，預計不久將達到10%—11%。
對於中國來說，塑膠在汽車行業的套用尚處於初級階段。目前，塑膠等非金屬材料在國產車上的套用狀況還比不上進口車。在歐洲，車用塑膠的重量占汽車自重的20%，平均每輛德國車使用塑膠近300千克，占汽車總重量的22%。與國外相比，國產車的非金屬材料用量仍然偏少。國產車的腳踏車塑膠平均使用量為78千克，塑膠用量僅占汽車自重的5%—10%。
發動機機體的輕量化技術
為了減少燃油消耗和降低二氧化碳排放，汽車的輕量化已經成為眾所關注的焦點之一。研究表明，汽車整備質量．每減少100 kg，百公里油耗可降低0.3~0.6 L。此外，汽車輕量化還可以提高汽車動力性，節省材料，降低成本。有人預計，到2010年汽車整備質量平均將減輕17%，即250 kg;轎車整備質量將從目前的平均1300 kg左右降至1000 kg。
發動機的輕量化，除了上述目的以外，還涉及到整車的質量分布（汽車行駛動力學）。將汽油機改換成柴油機時，往往會使發動機變重（堅固的結構、渦輪增壓器、增壓空氣冷卻器、噴油裝置等），導致前橋軸荷增加，使得整車的均衡性受到了破壞。所以，轎車發動機的輕量北已經成為整車開發中一個不可忽視的問題。
發動機輕量化的途徑，首先是提高升功率，以降低發動機單位功率的質量。最先進的功率密度指標已逼近1 kg/kW 。以轎車柴油機為例，如果20世紀90年代初升功率還只是在20-30 kW/L徘徊，那么自從20世紀末開始，其上升趨勢可謂“突飛猛進”。如今，柴油機最大爆發壓力已經達到20 MPa,升功率達到60 kW/L。
鋁合金機體鑄造工藝的討論
鋁合金機體的鑄造工藝從原理上可以分成多次使用的鑄型（金屬型）和一次使用的鑄型（砂型）。砂芯的製造方法也有所不同。當今在大批量生產中最為常用的是砂型重力鑄造和壓鑄。砂型重力鑄造在成型方面提供了最大的自由度，可以採用封閉的氣缸蓋連線面（閉式頂板）。如果生產件數較高（年產20萬件以上），那么壓鑄是一種經濟的解決方案。壓鑄能以很短的節拍、精細的表面質量和精確的尺寸實現鑄件薄壁結構。然而，由於熔融金屬充型壓力很高不能使用砂芯，水套通常必須往上敞開（開式頂板）。這意味著氣缸筒缺乏徑向的支撐。但是，即使如此也未必會導致氣缸筒嚴重變形。現在，甚至直噴式柴油機都可以做成開式頂板結構。此外，壓鑄快速的充型過程易導致氣泡的生成，以致無法通過熱時效硬化改善力學性能。這個缺點可以利用擠壓鑄造加以避免，因為這種工藝採用的壓力較低，使得充型過程明顯地減緩，有可能進行補縮。此外，壓鑄對於水套的長度有著間接的影響。由於氣缸直徑、拉桿螺栓的位置、密封法蘭最小寬度以及必需的通常為0.5°的起模斜度等因素，實際製成的壓鑄機體的水套通常至多只能覆蓋活塞行程的70%。這會降低通過活塞環的熱流量，提高機油的熱負荷。在機體結構方面，壓鑄有一些局限性。不過這些均可通過技術手段加以控制。機體是否採用壓鑄的工藝，首先還是取決於生產批量。
對於高負荷發動機來說，選擇砂型鑄造更能通過合適的造型工藝、合金最佳化和熱處理來生產可靠、耐久的發動機機體。從零件成本看，充分利用砂型鑄造在成型方面較大的自由度，還可以將各種功能整合到氣缸體中去，在總體上減輕質量，提高經濟效益。
鋁合金機體結構必須解決的問題
灰鑄鐵氣缸體改用鋁合金鑄造，必須滿足一些額外的要求，分述如下
1確保氣缸筒滑移表面耐磨，不易變形
2滿足傳遞力流的要求
3控制主軸承間隙的擴大
4鋁合金較低的彈性模量對聲學和振動的影響
發動機機體通過材料和結構實現輕量化的途徑
1針對氣缸筒滑移表面的措施
2確保力流傳遞和控制主軸承間隙的措施
3確保結構動態特性的措施
性價比分析
對分別採用灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵、鋁合金製造的2.0 L 4缸發動機進行了性價比分析，結果如表1。
按照年產40萬件計算，則採用蠕墨鑄鐵時，成本提高38%，毛坯成本和機加工成本以相同的程度提高；採用鋁合金機體時，成本提高62%，主要是材料價格較高。鋁合金在機加工方面的成本優點由於多種混合加工而被大大削弱了。
性價比分析表明，鋁合金結構具有較大的潛力。只有當總體布置非常緊湊（氣缸中心距較小）時，蠕墨鑄鐵所擁有的優勢的材料性能才會突現出來。
