汽车材料轻量化研究

学术研究　ｘＵＥ　ｓＨＵ　ＹＡＮ　ＪｌＵ　汽车材料轻量化研究　河南农业职业学院　摘杨灿　孙双娣　张雯　要：汽车作为人们主要的交通工具，日益受到欢迎，购买者越来越多，但是目前能源相对比较紧张，也受到人们越来越多的关注。　汽车平均油耗和整车质量有着很大的关系，通过分析汽车材料的构成、汽车轻量化研究的必要性、汽车轻量化研究的方法、汽车轻量化使用　材料等几个方面的知识，为汽车材料的轻量化研究提供一些参考和帮助。　关键词：汽车材料；汽车轻量化；研究方法　随着人们生活水平的提高，对汽　（一）汽车轻量化研究是节约能源　车的需求量越来越大，要求也越来越　的需要　高，同时面对节能环保要求和原材料　目前，机动车辆采用的汽油和柴　价格上涨压力，加速汽车轻量化进程　油主要来源于石油，石油是不可再生　就越发显得迫在眉睫。汽车材料的更　的。我们国家的石油存储量也比较低。　新和发展是改进汽车设计、提高汽车　据有关资料统计，我国原油进口依赖　品质、保障汽车质量及整体竞争力的　度从２００１年的３０％攀升到２０１１年的　基础。简言之，现代汽车技术的发展　５６％，２０１３年石油的进口度达到了　在很大程度上取决于汽车材料的发展，　５８．１％，进口量稳居世界第一，表明我　所以，发展新的汽车材料是汽车轻量　国的石油进口量很大程度依赖于进口，　化发展的核心。到目前为止，新材料　据有关部门预测，２０３０年依赖程度有　在汽车上的应用已经十分广泛，如，　可能将达￣１１６４％一７４％。按目前我国的　车身骨架构件、发动机罩、前后保险　炼油技术和经济条件，原油质量的一　杠以及其他一些重要的零部件等。总　半左右可以有效地转化为汽油和柴油，　体来说，新材料的应用主要为了让汽　并且炼油过程中会造成一定程度的污　车向轻量化、环保、节能、安全、高　染，节约能源，特别是石油资源，显　性能和高功能等方向发展。　得尤为重要。　一、汽车材料的构成　（二）汽车轻量化研究是降低燃油　整体来说，制造汽车的主要材料　率、减少排放的需要　有钢材、铸铁、塑料、铝材、橡胶、　通过有关测试统计显示，汽车整　玻璃等几大类，他们共占轿车整体质　车质量如果降低１０％，油耗可以减少　量的９０％左右，其中钢材所占比例为　６％～８％，二氧化碳的排放水平降低　５５％～６０％，铸铁所占比例为１２％～　４％。随着人们收入水平的提高，汽车　１５％，塑料所占比例为８％　１２％，铝　的消费高潮也跟着来临，２０１３全国汽车　材所占比例为６％～１０％，橡胶、玻璃　保有量１．３７亿辆，车多了，燃油需求量　所占比例为７％左右。由此可见，目前　高了，污染物的排放就多了。目前我　汽车主要的构成是钢材和铸铁，他们　国现行汽车平均油耗为８．０６１３１００　ｋｍ，　的比重相对来说比较大，直接影响着　每燃烧１升汽油，将产生１０　ｍ　的尾气　汽车的整体质量。所以，如何采取有　（约１２．９　ｋｇ）。可想而知降低燃油率、　效措施在不影响汽车使用性能的前提　减少油耗对保护环境、防止雾霾天气　下，尽可能减少钢材、铸铁等材料的　的重要性。根据国家要求，到２０１５年　使用比例是轻量化研究的核心问题。　所有乘用车平均耗油必须降至６．９１３　二、现代汽车轻量化的必要性　１００　ｋｍ，节能型乘用车油耗降至５．９　大量研究表明，汽车约有７５％的油　１００　ｋｍ以下。这样不管是从节约能源，　耗与整车质量有关，所以汽车轻量化，　还是从保护环境的角度出发，汽车的　汽车材料的轻量化研究极其重要。　轻量化都有很大的必要性。为此，我　国一方面要大力发展节能发动机，另　一方面是大力发展汽车轻量化技术。　（三）汽车轻量化研究是履行国际　责任，显示大国实力的需要　２００９年，中国政府在联合国气候　变化峰会上做出承诺，中国会尽一切　努力，想尽一切办法，制定一定的措　施，争取到２０２０年单位ＧＤＰ－－氧化碳排　放Ｊ：Ｊ５２００５年下降４０％～４５％。而目前国　内的汽车尾气排放是重要的排放源之　一。所以。汽车的轻量化研究在一定　程度上也帮助中国政府完成了对世界　的殍　诺。　三、现代汽车的轻量化技术和方法　目前关于汽车轻量化研究的技术　和方法有很多，归纳下来，现代汽车　的轻量化的实施可以通过以下几个方　法来实现。　（一）通过优化设计，改进汽车　结构　利用结构解析技术和ＣＡＤ、ＣＡＥ、　ＣＡＰＰ等计算机技术进行结构优化设计，　使在不影响汽车使用性能的前提下，　实现部件的薄壁化、中空化、小型化　及复合化。　（二）加大科研力度，开发新型轻　质材料　汽车轻量化材料主要有：新型的　高强度钢及合金钢、铝合金、镁合金、　非金属复合材料、塑料以及橡胶等。　比如，若用铝合金替代钢铁，某些零　部件可减重５０％左右，发达国家现在每　辆轿车的用铝量已达车重的７％左右。　（三）改进现有的加工工艺，优化　生产工艺　积极地开发新材料的同时，优化　河南农业２０１５年第３期（下）　铸造、锻造加工工艺。如，目前最受　欢迎的ＰＦＤ法，可以得到无气孔且可热　载力相对较弱、铝的加工难度相对较　大等。　但由于其成本较高，在汽车轻量化设　计中的应用较少。　处理的高质量压铸件。　（四）改进连接方式，减少零件数量　改进传统的连接方式，达到最优　３、镁合金材料。镁合金比铝合金　还要轻，其比重大约比铝合金轻３３％，　比钢轻７７％，是目前工业金属结构材料　中最轻的材料。为了降低整车质量，　欧美等西方一些发达国家从上个世纪　６、精细陶瓷材料。精细陶瓷材料　是继金属材料、塑料及复合材料之后　发展起来的第３大类材料。它具有优良　的力学性能和化学性能。目前精细陶　瓷材料主要应用于汽车发动机燃烧室、　热交换器等零件，不仅能够有效地减　化的配置，其研究对象主要包括连接　所用材料、连接的方式以及连接结构　等方面。如，合理安排发动机的位置　等。　的９Ｏ年代开始，就把镁合金用于汽车　的一些零部件上，相关的铝合金零部　轻汽车整体质量，而且可以使功率得　四、现代汽车轻量化使用材料　（一）汽车车身材料的轻量化　整车制造所运用的材料中，钢材　的应用还是占主要部分。对于新型的　材料，比如，铝及铝合金、镁及镁合　金、符合材料等轻质材料的应用正在　逐年增多。铝合金、镁合金等新型材　料在未来的汽车新材料应用中有很大　的发展潜力。以后的研究中，能有效　地将轻金属材料与钢铁材料复合起来　使用也是一个重要的研究方向。塑料　及其他一些新型的复合材料，碳纤维　复合材料将是轻量化使用的一个重要　方向。　１、高强度钢的应用。高强度钢由　于其良好的加Ｔ工艺性、安全性、低　成本等因素，在今后的一段时间内还　将是汽车质量的主要材料。也是汽车　轻量化研究中主要降低的材料之一。　对于钢的处理可以加强炭化、合金化　等方面的处理，生产高强度的合金钢，　用于制造汽车的外壳、底盘灯结构件，　其最大的优点是经济性好，强度较大　大；但是其缺点也比较明显，耐腐蚀　性和耐候性稍微差一点。　２、铝及铝合金材料的应用。铝的　强度相对来说较低，新型材料铝合金，　它的比重约为钢铁的１／３，合理利用铝　及铝合金，可以有效降低汽车的整体　质量。对新型的汽车用铝合金材料的　研发主要集中在三个方面：一是整身　或者大型铝材；二是车门等一些结构　件部件的全铝化；三是汽车部分零件　的全铝化。如果汽车零件中使用铝代　替钢可以使汽车的零件减重３０％～　５０％，而汽车结构的全铝化可以使整个　汽车的质量减￣１Ｊ３０％一４０％。但是使用　铝作为汽车主要材料还有很多不成熟　的地方，其最大的缺点来自铝的抗承　河南农业２０１５年第３期（下）　件，欧美国家研制的零部件已有６０多　种，北美国家甚至达到了１００多种，目　前镁合金在汽车上的应用主要有发动　机部分的气体、曲轴箱、汽油和空气　滤清器壳体、进气歧管、油泵配电器、　风扇等；底盘上离合器和变速器的壳　体、车架以及方向盘和转向器、轮毂　等，并且据相关报告调查，单车用镁　合金已经从９．３ｋｇＪ２升￣４０ｋｇ。与铝材　相比，镁合金可使同样结构的材料重　量减轻２１％，与灰铸铁相比，可减轻　５０％。　４、钛合金材料。钛合金用于减轻　汽车质量方面主要应用于汽车连杆、　发动机气门、钛合金弹簧等。钛及钛　合金在应用中的主要缺点是成本高且　加工难度较大，而且提炼难度大，所　以，目前钛合金零件只有在赛车或者　高档轿车上使用。　５、塑料及复合材料。各种塑料及　复合材料在汽车的结构中应用也比较　多，采用塑料和非金属复合材料一般　可减轻零部件重量的３５％左右。如，汽　车前后保险杠，但是目前塑料主要应　用于汽车的内饰及外饰，比如，车灯、　扶手以及仪表盘等。目前，一些高强　度的塑料在汽车车身和发动机上的应　用也在不断增多。　汽车目前使用的复合材料可以分　为以下三种：第一种是玻璃纤维增强　材料，这种材料因为其自身的特殊性，　应用在逐渐增多，目前主要用于制造　车体的外装件等；第二种是碳纤维增　强材料，其具有较高的强度和弹性，　在一些发达国家得到了较好的应用，　主要用于制造赛车车身或者概念车的　车身；第三种是有机合成纤维复合材　料，这种材料目前世界各国都在研发　中，一些国家也用到了具体的车型中，　到提高，油耗下降。　７、不锈钢材料。自２０世纪９０年代　以来，典型的家用轿车的不锈钢用量　基本上稳定在单车２５ｋｇ左右。但是由　于目前工艺的限制，不锈钢的镍、铬　等合金元素含量很高，大量应用还存　在资源的问题，需要进一步开发。　（二）发动机小型轻量化　过去汽车大都采用前置式发动机　后轮驱动的方式，即ＦＲ方式。当今从　减轻重量与确保车内居住空间出发，　迅速向ＦＦ方式发展，即前置式发动机　前轮驱动方式。发动机小型轻量，最　重要的是发动机的总长尺寸改小了，　实现了车体其他部分的轻量化，所以　研发优化发动机的动力结构，也是实　现汽车轻量化的一个重要的内容。　五、现代汽车材料发展前景　新型的汽车材料在汽车轻量化中　扮演着重要角色，汽车的轻量化发展　不是一朝一夕的事情，而是一个复杂　的系统工程。我们在分析汽车轻量化　的美好前景的同时，也要清醒地认识　到汽车轻量化面临的主要问题，比如，　新材料的成本与车辆的安全，新材料　是否造成新的污染等问题，都是需要　我们考虑和解决的问题。汽车材料的　轻量化发展还有一段很长的路要走，　还有很多未发现的未知问题，需要一　代又一代人的努力来实现。　参考文献：　［１］史莎莎，刘晋丽．新材料在汽车轻量化技术　中的应用Ｉ　Ｊ１．汽车使用技术，２０１４（７）．　【２】樊友煜．汽车车身材料轻量化的应用现状　及研究进展『Ｊ１．高端装备制造，２０１３（６）．　［３］岳海阔．汽车结构的轻量化设计方法综述【Ｊ】．　中国高新技术企业，２０１３（２１）．　（责任编辑冯会利）