汽车轻量化

汽车轻量化

概念：在维持原有品质指标的基础上，针对性地减轻车身重量的各种汽车制造技术。

目的：节能减排（业界认为：整车质量每降低10%，燃油效率可提高6~8%，且二氧化碳的排放量也随之减少）；可能提高运动性能；安全性能。

方法：结构轻量化、材料轻量化

目前汽车轻量化主要是通过结构设计与轻质材料应用两方面来实现。各厂商在结构设计上多是以减小车身骨架及车身钢板的质量来减重，在此方面基本上是殊途同归，同级产品间能够体现出差异性的余地并不大。

真正能在轻量化结果面前举重若轻的还是材料。尽管材料也在发展进步，但成本在其中还是扮演着很重要的角色，所以铝、镁、碳纤维等材料目前还不会在经济型轿车中大量出现，但它们却已是高端豪华车型“减重”的必备材料了。

问题：成本提高；技术问题。

一、结构轻量化：

优化结构来减轻重量。

例如奥迪的ASF空间框架结构技术、大众的MQB模块化平台、丰田的TNGA模块化平台等等，都是典型的结构轻量化技术。

所谓结构轻量化，倒不一定都如4缸变3缸那般，一味地减少零件数量，也可以把原先高度集成的部件分成多个轻质零件，同样能实现轻量化。比如大众EA111发动机的外罩是集成有滤清器的整体式铝合金罩壳，但在EA211发动机身上，就变成两个塑料件与一个装有滤清器的铝制件合成的分体式结构，虽有增加零件数量，却能降低整个部件重量。

此外，凭借小型化零件也可为整个部件减轻重量。大约在2009年，日产推出JF015E 型新一代XTRONIC CVT变速箱。CVT变速箱是通过改变主、从动带轮的工作直径来改变传动比的。简单来讲，带轮的直径越大，传动比就越大，传动效果越好。而日产新一代XTRonIC CVT变速箱在采用小尺寸带轮组和超扁平液力变矩器缩小变速箱体积，并减轻重量的同时，用一套紧凑的行星齿轮和离合器构成的副变速箱来分担两个挡位的动力传递，获得的传动比反而略超前代型号。

通过模块化平台，大量使用通用型零件，从而节省成本，但厂家回头却在车身的关键部位使用较为昂贵的铝合金等轻金属材料，最终完成车身轻量化的目标。

二、材料轻量化

碳纤维：碳纤维正是一种高强度的轻质材料（重量轻，以及具有高强度（是钢铁的5倍）、高模量和良好的耐热、耐腐蚀性等特点），并且汽车行业也早已使用CFRP碳纤维增强复合材料来打造高强度的轻量化部件。

待解决问题：设计能力：碳纤维复合材料可设计性强，零部件集成设计、碳纤维复合材料铺层设计能力（包括铺层层数、角度、方式）等都需要大量的经验积累，才能最大限度的发挥碳纤维复合材料的优势；材料选择：根据编织方式的不同（如平纹，斜纹，多轴向），每个牌号的碳纤维织物性能各有差异，因此，在满足安全性能的前提下，选用何种牌号何种编织方式的碳纤维织物都是需要我们进行大量实验来决定的；价格降低：相对于传统的铝材，复合材料的成本较高，需通过碳纤维规模化的生产及应用，来降低碳纤维价格。随着各碳纤维厂家纷纷扩产，相信碳纤维价格降低指日可待；零件加工工序：碳纤维通常经过编织-铺贴-与树脂浸润-高温成型，耗费大量劳力且生产效率较低，还需进一步优化工艺或研究新的工艺，缩短加工周期；材料连接：碳纤维复合材料属于脆性材料，机械连接会产生应力集中，造成多种形式的失效，需要充分考虑复合材料连接部位的力学分布情况，设计连接位置及强

度，另外碳纤维具有导电性能，与金属部件连接会产生电化学腐蚀，造成结构失效，需要研究合适的胶接或机械连接材料，达到最好的装配性能；材料回收：碳纤维复合材料不溶不熔，以前只能靠填埋或粉碎进行回收，不环保而且资源浪费，需要在回收热固性树脂的同时，最大限度的保持纤维强度，将碳纤维进行回收利用；

高强度钢：目前最常用的轻量化材料，国际主流车型的车身材料中，各类高强度钢所占的比例已超过70%。由于高强度钢的刚度和强度都优于普通低碳冷轧钢，故能通过减少钢板厚度或钢板截面尺寸来降低车身结构的重量。

从强度上看，硼钢（新材料研发）整体强度大约是普通高强度钢的五倍，所以被称为超高强度钢，是目前最为优秀的结构钢之一，曾经被多用于军事领域。同时硼钢的板材厚度相比传统钢板减薄达35%，这对于车身质量的减轻有着积极的作用，

铝合金、镁合金、钛合金：低密度、高强度的轻金属材料。以仪表板金属骨架为例，镁合金制造的部件起码能比纯钢制的轻65%，但受工艺所限，现在生产高强度合金材料的成本依然很高，通常只有豪华品牌舍得广泛应用铝合金和镁合金材料。另外，由于化学性质的关系，镁合金制的车身板件要比铝合金制的贵不少，至于钛合金更不便宜！

捷豹XF将使用的iQ[Al]全铝平台打造，其车身架构铝合金含量将超过75%。据了解，该铝合金材料称为RC5754，（新材料的研发）其刚性较传统铝合金更强，同时重量也将大幅降低，这也意味着使用该材料后，车辆将拥有更加出色的燃油经济性。全新一代捷豹XF 采用全铝平台打造后将减重190kg。

新型塑料：非核心部位采用新型塑料件来减轻车重量。聚合物树脂材料以及卓细公司的MuCell发泡技术。

复合材料：蜂窝夹层结构已广泛应用于汽车内饰，包括后备箱地板、车顶内衬和后窗台板。新款奔驰smart fortwo顶篷采用聚氨酯泡沫塑料重量减轻30%。巴斯夫自主研发的Elastoflex E聚氨酯泡沫塑料已应用于宝马i3电动车的顶篷以及内饰部件，这也使巴斯夫首次批量生产Elastoflex E并用于汽车内外部件成为可能。

布雷博与戴姆勒公司共同开发了一款结合两种不同材料--铸铁和钢的制动盘，其最大的优点在于厚度仅有2.5mm的钢制基座，相比传统的厚度达7.5-9mm的铸铁机座，整整减少了三分之一以上，而二者的性能几乎无差。

新工艺的引入带来对汽车轻量化的影响：

实现零部件的性能柔性分布

轧制技术：变厚度钢板是通过轧钢机实施柔性轧制获得的。在轧制过程中，借助于特殊设计的轧机的压下厚度自动控制系统(液压AGC)，控制轧辊的位置，使其间距实时地调整变化，从而使轧制出的薄板在沿着钢板轧制方向上具有预先定制的变厚度分布。

应用：变厚板技术特别适用于长形的实心零件，如门槛、纵梁等。经过对国产某B级轿车的零件梳理，发现至少有近20个零件可以应用变厚板技术设计和制作，包括前后地板纵梁、B柱和门槛加强板、顶盖各个横梁、仪表盘支架、中通道加强板等等，统计下来仅零件重量就有75kg之多。

激光焊接：激光拼焊板(TWB: T ailor Welded Blanks)是采用激光焊接技术把不同厚度、不同材料的金属薄板焊接在一起，然后再进行冲压制作成各种零件，与常规等厚度板料相比其减重效果可达20％。由于TWB可以根据需要任意进行拼接，因而具有极大的灵活性。但在板料的拼接处存在着厚度的突变，这使回弹预测、模具设计制造、焊缝移动控制成为新的课题；且焊缝引起了的材料硬化现象，影响后续的成形，使TWB不适宜成形车身外覆盖

件。而且激光拼焊板对焊缝的质量要求很高，焊缝的开裂也是影响拼焊板成品率的因素之一。