汽車輕量化是節(jié)能環(huán)保的有效措施

汽車輕量化是汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向之一,也是一個(gè)汽車廠商和國家技術(shù)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志。汽車輕量化英文名稱：Lightweight of Automobile。汽車的輕量化，就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實(shí)驗(yàn)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(zhì)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(dāng)前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。

1、汽車輕量化與節(jié)能環(huán)保

汽車行駛時(shí),汽車運(yùn)動(dòng)阻力所消耗的功率有滾動(dòng)阻力功率、爬坡阻力功率、空氣阻力功率和加速阻力功率?？諝庾枇χ饕c車身的形狀、迎風(fēng)面積等有關(guān),并與速度的三次方成正比,但它與整車的總質(zhì)量無關(guān)。而滾動(dòng)阻力、爬坡阻力和加速阻力均與整車的總質(zhì)量成正比。所以減輕自身質(zhì)量,就減輕了整車總質(zhì)量,從而就正比例地減少了上述3種阻力,也降低了能量消耗。

世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)的報(bào)告指出,轎車質(zhì)量每減少10%,燃油消耗可降低6%~8%。對(duì)自質(zhì)量16~20 t的載貨汽車,每減重1 000 kg,則可降低油耗6%~7%。油耗的降低,意味著汽車的排污量的降低。因此,減輕汽車自重,對(duì)于電動(dòng)汽車而言,是節(jié)能的最有效措施之一;而對(duì)于燃油汽車,是節(jié)能環(huán)保的最有效措施之一。

2、汽車輕量化與鋼材及運(yùn)輸成本

1)汽車輕量化減少了汽車用材,降低了制造成本。近年來,鐵礦石價(jià)格上漲,鋼鐵也隨之漲價(jià)。原材料價(jià)格的不斷上漲,給汽車制造業(yè)帶來了很大的壓力。在汽車制造過程中,鋼板的使用達(dá)50%,各類鑄鐵件的使用占20%~30%,鋼鐵總消耗占所使用原材料的70%。以重卡為例,單車價(jià)格因鋼鐵漲價(jià)而漲20%左右。

2)汽車輕量化還減少了收費(fèi)公路的貨車通行費(fèi)。原來貨運(yùn)車輛的收費(fèi)方式是根據(jù)車輛核定裝載質(zhì)量和車型分類來收取車輛通行費(fèi)的, 2004年交通部出臺(tái)《收費(fèi)公路試行計(jì)重收費(fèi)指導(dǎo)意見》,到2008年國內(nèi)絕大部分省份都將實(shí)行計(jì)重收費(fèi)。該政策以實(shí)地測量的車貨總質(zhì)量為依據(jù),計(jì)重收取車輛通行費(fèi)。這種收費(fèi)方式除了能夠抑制超載外,也促使汽車生產(chǎn)企業(yè)更加關(guān)注減輕車輛自重。在同樣總重情況下,自重小的車能夠裝載更多的貨物。如同樣總重為40 t的車,自重11 t的車要比自重12 t的車多裝1 t的貨物。據(jù)測算,貨車每降低1 t能給用戶帶來10萬元/ a的凈收益。

3、汽車輕量化的途徑和手段

3. 1輕量化設(shè)計(jì)輕量化設(shè)計(jì)可有以下3種:

1)選取輕量的汽車形式和總成部件結(jié)構(gòu)形式。如轎車采取發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)后置后輪驅(qū)動(dòng)的布置形式,取代發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)的布置形式,減少中間傳動(dòng)軸以減重;卡車離合器用膜片彈簧取代螺旋彈簧,可減重一半以上;采用超輕懸架結(jié)構(gòu);采用承載式車身結(jié)構(gòu)形式取代半承載式或非承載式車身結(jié)構(gòu)形式。承載式車身結(jié)構(gòu)是整個(gè)車身都參與承載,這樣可以發(fā)揮車身材料性能的最大潛力。

2)車身結(jié)構(gòu)、車架優(yōu)化設(shè)計(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì),轎車車身、底盤(含懸掛系統(tǒng))、發(fā)動(dòng)機(jī)3大件約占一輛轎車總重量的65%,其中車身外、內(nèi)覆蓋件的重量又居首位。我國客車車身骨架大多由型鋼焊接而成,客車車身和貨車車架也占相當(dāng)大的比例,客車車身骨架通常采用局部加強(qiáng)的方法來加強(qiáng)強(qiáng)度,導(dǎo)致車身質(zhì)量過大,有的12m大客車車身重量比輕量化車身重量多1 t。對(duì)大量客車車身結(jié)構(gòu)的有限元分析和試驗(yàn)表明,我國客車車身自重大多存在偏重現(xiàn)象,而且有很多結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)強(qiáng)度、剛度富余的現(xiàn)象。除小部分客車結(jié)構(gòu)桿件受力比較大外(占10%左右),其余大部分桿件受力很小。因此,對(duì)客車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),這是被認(rèn)為當(dāng)前切實(shí)可行的主要途徑。而東風(fēng)霸龍重卡將牽引車的306mm雙層大梁優(yōu)化為273mm的雙梁車架,減重約500 kg,因此,減少汽車的車身,車架重量就減少汽車總重量,是汽車輕量化的重要途徑。在方法上,可以采用有限元法、優(yōu)化方法和拓?fù)浞椒?。在保證客車骨架和底架的剛度、強(qiáng)度、舒適性、安全性及工藝構(gòu)造等因素的條件下,對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化及拓?fù)鋬?yōu)化,減輕車身骨架、車身鋼板的重量。

3)通過整車或零部件小型化,實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。如德國1998年產(chǎn)的節(jié)能型小型家庭轎車,車長3530mm, 4座,自重800 kg,油耗2. 94L,排放低于90 kg/km。

3. 2新材料的應(yīng)用

目前可用來減輕汽車自重的材料有2大類:

一是輕質(zhì)材料,如鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料和復(fù)合材料等,另一類是高強(qiáng)度材料,如高強(qiáng)度鋼。

1)鋁合金

鋁的密度只有鋼鐵的1/3,具有良好的機(jī)械性能,耐腐蝕性、導(dǎo)熱性好。其合金還具有高強(qiáng)度、易回收、吸能性好等特點(diǎn)。但鋁合金加工難度比鋼材高,焊接性能差。

當(dāng)前汽車用鋁合金以鑄件為主,約占汽車用鋁量的80%,用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、殼體類零件和底盤上的其他零件。如轎車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、離合器殼、保險(xiǎn)杠、車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)托架等幾十種零件。最近,重型車發(fā)動(dòng)機(jī)中的進(jìn)氣歧管、油底殼、飛輪殼和齒輪室罩蓋等零件也已開始大量采用鋁合金鑄件。變形鋁合金在車身零件及結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用方面也發(fā)展較快,如鋁合金車廂蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、提升式后車門、前端翼子板、保險(xiǎn)杠、車廂底板結(jié)構(gòu)件、熱交換器、車輪以及全鋁車身等。預(yù)計(jì)鋁將會(huì)成為僅次于鋼的第2大汽車材料。

2)鎂合金

鎂的密度只有1. 8 g/ cm3,鎂合金性能與鋁合金相似,是當(dāng)前最理想、重量最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。但其鑄造性差,后處理工藝復(fù)雜,成本高。我國的鎂資源非常豐富,儲(chǔ)量占世界首位,因此前景非常廣闊。目前已大批量應(yīng)用鎂的主要是車身和底盤零件,如儀表盤骨架與橫梁、座椅骨架、轉(zhuǎn)向盤、進(jìn)氣歧管,以及各種支架、罩蓋等。

3)塑料及非金屬基復(fù)合材料

采用塑料和非金屬基復(fù)合材料一般可減輕部件的重量35%左右。低密度與超低密度片狀成型塑料是由非金屬為主的有機(jī)物組成的,具有密度小,成型性好,耐腐蝕,防振,隔音隔熱等性能,同時(shí)又具有金屬鋼板不具備的外觀色澤和觸感。

目前,塑料大都使用在汽車的內(nèi)外飾件上,如儀表板、車門內(nèi)板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護(hù)板、側(cè)圍內(nèi)襯板、車門防撞條、扶手、車窗、散熱器罩、座椅支架等。而后逐漸向結(jié)構(gòu)件、功能件和車身覆蓋件方向發(fā)展。

復(fù)合材料即纖維增強(qiáng)塑料,是一種增強(qiáng)纖維和塑料復(fù)合而成的材料。常用的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復(fù)合材料。復(fù)合材料( SMC)密度小,設(shè)計(jì)靈活美觀,易設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu),耐腐蝕,隔熱隔電,耐沖擊,抗振等。在重量減輕與強(qiáng)度方面達(dá)到, 甚至超過了鋁材,整體成本更低。目前玻璃鋼復(fù)合材料的應(yīng)用非常廣泛,尤其在歐美車系中。

4)不銹鋼

采用高強(qiáng)度不銹鋼板試制的轎車前側(cè)防撞弓形梁和保險(xiǎn)杠、后擋板、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、LPG瓶等零部件,輕量幅度一般可達(dá)30%左右[ 6]。但不銹鋼成本較高,降低成本的主要途徑有2個(gè),一是選用價(jià)格相對(duì)較低的材料;二是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化,如減少零件數(shù)、取消防蝕處理、表面處理等,消化一部分因材料升高的費(fèi)用。

5)精細(xì)陶瓷

精細(xì)陶瓷是繼金屬、塑料之后發(fā)展起來的第3大類材料。它具有優(yōu)良的力學(xué)性能(包括高溫強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損等)和化學(xué)性能(包括耐熱沖擊、耐氧化、蠕變等)。它用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室及熱交換器等零件,不僅使之減輕重量,而且使功率提高,油耗大大下降。

6)高強(qiáng)度鋼

高強(qiáng)度鋼與鋁合金、塑料相比,具有價(jià)格低、彈性模量高、剛性好、耐沖擊性好、抗疲勞強(qiáng)度高等特點(diǎn),缺點(diǎn)是耐腐蝕性差。

目前汽車使用的高強(qiáng)度鋼主要為板材與管材,它取代普鋼、鑄鐵用于車身零件和其它結(jié)構(gòu)件,如北美開發(fā)的PNGV2Class級(jí)轎車,其車身全部采用高強(qiáng)度鋼,質(zhì)量只有218 kg,與全鋁車身相當(dāng)。此外,采用液壓成形技術(shù)生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼構(gòu)件也越來越多,如發(fā)動(dòng)機(jī)托架、散熱器支架、儀表板橫梁、座椅骨架,以及輕型車后橋殼和車架等。

最新的應(yīng)用情況表明,有些鋁合金、鎂合金零件,如保險(xiǎn)杠、車輪、骨架、前門、后門、橫梁等,又轉(zhuǎn)而采用高強(qiáng)度鋼。為滿足更為嚴(yán)格的安全法規(guī)要求(如側(cè)面碰撞),各大汽車公司均加快了高強(qiáng)度鋼在汽車車身、底盤、懸架和轉(zhuǎn)向系零件上的應(yīng)用,高強(qiáng)度鋼在汽車中的應(yīng)用逐年增加,預(yù)計(jì)高強(qiáng)度鋼在轎車用鋼中所占的比例會(huì)達(dá)到60%。

4、汽車的輕量化是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程

德國Paderbom大學(xué)的Hahn等提出了“多材料組合的輕量化結(jié)構(gòu)”和“合適的材料用在合適的部位”2個(gè)觀點(diǎn)。他們認(rèn)為多材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)代表了今后汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。通過對(duì)多材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,既能改進(jìn)汽車性能,又能顯著減輕質(zhì)量。而“合適的材料用在合適的部位”是實(shí)現(xiàn)多材料輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必然選擇。當(dāng)前汽車使用材料的組合仍以高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂和塑料為主。

汽車零部件的多材料設(shè)計(jì)、部件的零件化(減少零件設(shè)計(jì))的發(fā)展推動(dòng)了材料技術(shù)與汽車設(shè)計(jì)、制造工藝越來越緊密的結(jié)合。激光拼焊、液壓成形、金屬半固態(tài)加工以及不同材料的連接技術(shù)等新技術(shù)就是在這種發(fā)展趨勢下應(yīng)運(yùn)而生的。

汽車的輕量化是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在開發(fā)應(yīng)用新材料的同時(shí),不斷發(fā)展相應(yīng)的汽車零部件設(shè)計(jì)、制造技術(shù)和其它相關(guān)技術(shù),這樣才能以最低的成本獲取最佳的輕量化效果。