汽車輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)

關(guān)于汽車輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)第1頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三2汽車輕量化的意義節(jié)能減排是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)

20世紀(jì)70年代的兩次石油危機(jī),促進(jìn)汽車工業(yè)提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。80年代中期以后，保護(hù)人類居住和賴以生存的環(huán)境又一次推動(dòng)汽車工業(yè)提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放。

第2頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三3汽車輕量化的意義這些數(shù)據(jù)表明:汽車工業(yè)節(jié)能減排對(duì)于一個(gè)國(guó)家的能源供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)都具有重要的意義。

1990年以來(lái)中國(guó)石油消費(fèi)的供應(yīng)能源

汽車燃油在我國(guó)石油消費(fèi)中的的增長(zhǎng)情況第3頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三4汽車輕量化的概念汽車輕量化不能以簡(jiǎn)單的減重多少來(lái)衡量，必須與所設(shè)計(jì)車身的尺寸和功能相結(jié)合對(duì)于已有的功能可滿足要求的汽車，輕量化的設(shè)計(jì)是降低重量而保持原功能不變，其輕量化的效果是直接的減重；現(xiàn)有功能尚不能全部滿足要求或需要提升的汽車，輕量化設(shè)計(jì)是完善功能而保持質(zhì)量不變；既要提高改進(jìn)性能，同時(shí)也使汽車減重。

汽車輕量化設(shè)計(jì)實(shí)際上是功能改進(jìn)，質(zhì)量降低，結(jié)構(gòu)優(yōu)化和合理價(jià)格的結(jié)合。第4頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三5汽車輕量化的意義輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效手段

研究表明,約75%的油耗與整車質(zhì)量有關(guān),降低汽車質(zhì)量就可有效降低油耗以及排放。目前,大量研究表明,汽車質(zhì)量每下降10%，油耗下降8%,排放下降4%。美國(guó)在歐洲全順車的實(shí)驗(yàn)表明,在滿足歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)條件下,每百公里油耗Y與自重X滿足以下關(guān)系Y=0.003X+3.3434(1)

對(duì)商用車的研究表明,汽車質(zhì)量每減少1000kg,油耗可降低6%～7%。油耗的下降,意味著CO2,氮氧化物(NOx)等有害氣體排放量的下降。據(jù)報(bào)道,在美國(guó)汽車質(zhì)量如果減少25%,燃油消耗按減少13%計(jì),一年可節(jié)省2.7億桶石油,每消耗1L燃油,將產(chǎn)生CO22～2.5kg。因此燃油消耗的降低,就意味著溫室氣體和其他有害氣體排放的下降。第5頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三6汽車輕量化的意義除空氣動(dòng)力學(xué)阻力之外,車子運(yùn)動(dòng)的各類阻力都和車子質(zhì)量呈線性關(guān)系

各類車型的燃油效率與車身自重的關(guān)系

汽車自身質(zhì)量對(duì)燃油消耗的影響諸多乘用車，車重減少100kg,每升油多行駛1km第6頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三7國(guó)內(nèi)外汽車輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)際汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀第7頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三8國(guó)際汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

自上世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著材料技術(shù)和制造技術(shù)的進(jìn)步，汽車自身重量在逐年減少，以美國(guó)為例，上世紀(jì)80年代初，中型轎車的平均質(zhì)量為1520KG；90年代初下降至1475KG；90年代末下降至1230KG；1985~1995年期間，轎車質(zhì)量平均每年減少0.9%。20世紀(jì)末和本世紀(jì)初世界各國(guó)先后出現(xiàn)過(guò)百公里油耗3L的汽車，這類汽車的質(zhì)量基本處在750~850KG之間，比現(xiàn)今同類車輕50%。1998年德國(guó)大眾推出路波3LTDI，汽車自身質(zhì)量只有800KG。奧迪公司開(kāi)發(fā)全鋁型轎車AuDiA2,汽車自身質(zhì)量只有895~990KG。商用車的自身質(zhì)量也在減少，以意大利依柯維商用車為例，2004年其駕駛室的質(zhì)量已降為960KG，減少40%。第8頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三9國(guó)際汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬2009年5月公布了一項(xiàng)汽車節(jié)能減排計(jì)劃，目標(biāo)是到2016年，美國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的客車和輕型卡車百公里耗油不超過(guò)6.62L，CO2排放量也比現(xiàn)有車輛減少1/3。這項(xiàng)計(jì)劃2012年開(kāi)始實(shí)施，將使美國(guó)在2012～2016年減少使用原油18億桶，溫室氣體排放量將減少9億噸。

歐洲和日本不僅在降耗減排方面推行了相關(guān)政策，而且對(duì)廢舊車輛回收也作出了嚴(yán)格規(guī)定。如日本2001年規(guī)劃由拋棄型進(jìn)入循環(huán)型的社會(huì)發(fā)展模式，推行全回收或零廢棄的觀念。其實(shí)，2001年以前，日本已有相關(guān)法令推行綠色設(shè)計(jì)及綠色采購(gòu)。第9頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三10*超級(jí)燃油效率概念車，燃油效率為2.7L/100k（CO271g/km）

主要汽車生產(chǎn)國(guó)輕量化與改善燃油效率值的策略

第10頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三11國(guó)際汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)首先開(kāi)展了超輕鋼汽車車身UISAB項(xiàng)目，參加該項(xiàng)目的有來(lái)自5大洲18個(gè)國(guó)家的35家鋼鐵企業(yè)。該項(xiàng)目于1994年啟動(dòng)，1998年結(jié)束，主要目標(biāo)是減小車身質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、提高安全性、簡(jiǎn)化制造工藝及降低生產(chǎn)成本。

與UISAB相關(guān)的項(xiàng)目還有UISAC和UISAS兩項(xiàng)目，前者是將高強(qiáng)度鋼應(yīng)用在汽車車身覆蓋件上，后者是采用高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度材料以及一些先進(jìn)的制造技術(shù)來(lái)生產(chǎn)輕量、廉價(jià)和性能良好的懸架系統(tǒng)，目標(biāo)是通過(guò)采用新的鋼材及設(shè)計(jì)，將懸架質(zhì)量減小20%。

國(guó)際鋼協(xié)1998年3月開(kāi)始在全球?qū)嵤︰ISAB-AVC計(jì)劃，該項(xiàng)目是從整體上研究開(kāi)發(fā)新一代鋼鐵材料汽車結(jié)構(gòu)（車身、覆蓋件、懸架系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)支架及所有與結(jié)構(gòu)、安全相關(guān)的部件）。

世界各大鋁業(yè)公司也結(jié)成了汽車鋁材聯(lián)盟，如美國(guó)汽車材料合作伙伴（USAMP）。

第11頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三12國(guó)內(nèi)汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái),我國(guó)在汽車輕量化技術(shù)方面取得了不少成果?！熬盼濉焙汀笆濉逼陂g,一批汽車新材料項(xiàng)目被列為國(guó)家“863”、“973”高新技術(shù)項(xiàng)目和國(guó)家科技攻關(guān)重大項(xiàng)目。促進(jìn)了汽車輕量化技術(shù)的進(jìn)步。

“九五”期間,我國(guó)進(jìn)行了鋁合金材料和鑄件生產(chǎn)成套工藝技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究,開(kāi)發(fā)出了多種鑄造合金和高性能軸瓦材料：耐熱鋁合金、高強(qiáng)高韌鋁合金、鋁基復(fù)合材料等新材料的研究取得了較大進(jìn)展。半固態(tài)成型、快速凝固等先進(jìn)成型技術(shù)研究與應(yīng)用也取得了突破。一汽等幾大汽車生產(chǎn)廠家都有自己的鋁合金鑄造生產(chǎn)線；湖南大學(xué)也正在進(jìn)行汽車大型鋁合金結(jié)構(gòu)件整體鑄造成形技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的研究；重慶汽車研究所、西南鋁、東北大學(xué)和一汽都進(jìn)行了鋁合金板材的成形性研究。第12頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三13國(guó)內(nèi)汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

“十五”期間，我國(guó)將鎂合金應(yīng)用與開(kāi)發(fā)列為材料領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目,一汽、東風(fēng)、長(zhǎng)安等汽車企業(yè)建立了壓鑄鎂合金生產(chǎn)線重慶汽車研究所在鎂合金零件的性能測(cè)試、疲勞試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬等方面做了大量的工作：上海交大、湖南大學(xué)、重慶大學(xué)等高校就鎂合金的強(qiáng)韌化、耐蝕性、阻燃性和抗高溫蠕變性等開(kāi)展了較深入的研究。

目前,國(guó)內(nèi)汽車輕量化材料正在加速發(fā)展,車用高性能鋼板、鎂合金已在汽車上有所應(yīng)用。如上海大眾桑塔納轎車變速器殼體采用鎂合金。上世紀(jì)80年代,重慶汽車研究所就開(kāi)展了雙相鋼研究；一汽轎車、奇瑞汽車公司也在轎車車身上進(jìn)行了高強(qiáng)度鋼板的初步應(yīng)用試驗(yàn)。第13頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三14國(guó)內(nèi)汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

在汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面,國(guó)內(nèi)已從主要依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)逐漸發(fā)展到應(yīng)用有限元等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算和分析階段。目前出現(xiàn)了一批擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汽車車身模具開(kāi)發(fā)技術(shù)，如湖南大學(xué)與上汽通用五菱在薄板沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)理論方面開(kāi)展了較深入的研究；北京航空航天大學(xué)開(kāi)發(fā)了CAD系統(tǒng)CAXA。并已經(jīng)開(kāi)展了客車輕量化技術(shù)的研究，利用有限元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。以減少車身骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)和車身蒙皮的重量等。

目前，我國(guó)汽車輕量化技術(shù)無(wú)論在理論研究方面還是在實(shí)際應(yīng)用方面與國(guó)外均有較大差距。沒(méi)有明確定位、合理分工。基礎(chǔ)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)研究的有機(jī)銜接不夠。企業(yè)規(guī)模小而分散。輕量化技術(shù)開(kāi)發(fā)能力薄弱，研發(fā)人才短缺，工藝水平落后等問(wèn)題都是我們不足的地方，需要我們一一去解決。第14頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三15汽車輕量化的主要途徑新材料在汽車上的應(yīng)用CAD/CAE在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用結(jié)構(gòu)小型化承載式車身在汽車上的應(yīng)用先進(jìn)特種成形工藝的應(yīng)用第15頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三16輕金屬在汽車上的應(yīng)用

鋁、鎂、鈦合金材料是所有現(xiàn)用金屬材料中密度較低的輕金屬材料(鎂合金約1.74g/cm3,鋁合金約2.7g/cm3，鈦合金約4.51g/cm3。而鋼的密度約7.8g/cm3），因而成為汽車減輕自重，提高節(jié)能性和環(huán)保性的首選材料。第16頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三17（1）苛刻的安全法規(guī)要求用提高汽車主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性的眼光來(lái)完善汽車的安全設(shè)計(jì)；（2）選用輕金屬材料是節(jié)油和降低排放的重要方法；（3）選用輕金屬材料是提高汽車動(dòng)力性、舒適性和提高競(jìng)爭(zhēng)力的方向選用輕金屬材料的重要意義世界幾種典型轎車用材比例%

因此，輕金屬替代鋼鐵材料是汽車發(fā)展的重要方向。世界各大汽車公司都爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)輕金屬材料。第17頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三18鋁及鋁合金的特點(diǎn)比強(qiáng)度高彈性好導(dǎo)熱性好易加工回收率高耐蝕性好耐磨密度小ρ=2.7g/cm3鋁及鋁合金第18頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三19

德國(guó)奧迪A8型高級(jí)轎車的整個(gè)車身均采用鋁材制造，框架采用立體框架式結(jié)構(gòu)，覆蓋件為鋁板沖壓而成。這種鋁車身與鋼車身相比，質(zhì)量減輕30-50%，油耗減低5-8%。奧迪2011款（全鋁車身框架）

第19頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三20

德國(guó)大眾先進(jìn)的6.0LW12發(fā)動(dòng)機(jī)采用的基本上都是鋁鎂合金，奧迪A8L6.0quattro轎車上因采用W12發(fā)動(dòng)機(jī)，整車重量隨之被降低到1980kg，低于所有其他車型。而W12引擎450馬力、560Nm的強(qiáng)勁動(dòng)力，使其單位馬力需加速的重量?jī)H為4.7kg，堪與高性能跑車相媲美。大眾最先進(jìn)的6.0LW12發(fā)動(dòng)機(jī)第20頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三21北極星系列引擎是通用旗下除了LS引擎系列外最頂級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，它是美國(guó)首款頂置凸輪軸的V8鋁合金的引擎。它的汽缸套由全鋁合金壓鑄而成。目前廣泛應(yīng)用于凱迪拉克上的4.6升發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率320馬力，最大扭矩427Nm。而應(yīng)用于高性能V系列的機(jī)械增壓款更可高達(dá)476馬力/606Nm。北極星V8發(fā)動(dòng)機(jī)第21頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三22鎂及鎂合金的特點(diǎn)易加工資源豐富開(kāi)采技術(shù)成熟回收率高、回收無(wú)污染比強(qiáng)度、比剛度高阻尼減震性能高鎂及其合金第22頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三23

鎂合金減速器外殼采用壓鑄的方法制造，具有重量輕，噪音低的優(yōu)點(diǎn)。鎂合金減速器外殼第23頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三24

輪轂剎車踏板支架第24頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三25鈦合金

鋁和不銹鋼在近200℃會(huì)失去原有的力學(xué)性能，而鈦合金在500℃左右仍能保持良好的力學(xué)性能；

在車用輕金屬材料中，鈦的強(qiáng)度可以達(dá)到與合金鋼相當(dāng)?shù)母邚?qiáng)度1500MPa，大大高于鋁、鎂合金；

鈦合金具有優(yōu)異的耐蝕性能，可在惡劣的工作環(huán)境下使用

因此鈦合金將是替代鋼鐵的輕量化和高性能的材料，是最具有潛力的汽車用材料。第25頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三26鈦及鈦合金的特點(diǎn)密度小、比強(qiáng)度大可綠色回收易加工與鋼材同樣的設(shè)備工藝記憶功能用于車身方便復(fù)原屈強(qiáng)比值大高、低溫力學(xué)性能好耐蝕性強(qiáng)不受路面鹽類及廢氣的影響鈦及其合金第26頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三27鈦合金的應(yīng)用在汽車上，鈦可用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)氣門、承座、氣門彈簧、連桿、緊固件等

鈦合金汽車連桿除了減輕重量外，還可提高使用性能，抗振、節(jié)約燃油。一般用于高檔車中。蘭博基尼-Diablo、法拉力-F355

、-360M

，-550M

、還有保時(shí)捷-911GT3等都采用鈦合金來(lái)制造連桿。第27頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三28鈦合金的應(yīng)用

鈦合金具有良好的高溫力學(xué)性能和抗腐蝕性能，不亞于甚至超過(guò)了不銹鋼的指標(biāo)，所以，很適用于排氣系統(tǒng)。而且其它輕合金元素?zé)o法用于排氣系統(tǒng)，如果要在排氣系統(tǒng)中減輕汽車重量，鈦及其合金是唯一能夠替代鋼的新型輕質(zhì)材料。目前鈦合金排氣系統(tǒng)主要應(yīng)用于賽車、改裝車或高檔轎車中。鈦合金排氣系統(tǒng)第28頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三29鈦合金應(yīng)用障礙

價(jià)格昂貴是阻礙鈦在汽車上應(yīng)用的主要因素，鈦制造廠商也正努力進(jìn)行多方面降低成本的工作，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)取得顯著的成效。第29頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三30非金屬材料的應(yīng)用汽車中主要的非金屬部件第30頁(yè)，講稿共37頁(yè)，2023年5月2日，星期三31非金屬材料的應(yīng)用陶瓷材料其它纖維增強(qiáng)