發布時間：2025-12-12 14:05:57 浏(liú)覽次數：
1 前言
“國六(liu)”排放标準即将(jiāng)正式實施，汽車(chē)輕量化的發展(zhǎn)越👅來越🧑🏽🤝🧑🏻緊迫，傳(chuán)統鋼材已經不(bu)能滿足汽車的(de)質量要求🏒，各種(zhǒng)💁輕量化材💰料在(zài)汽車中所占比(bǐ)例逐漸增長。随(suí)着現代汽⭕車對(duì)強度和輕量化(hua)要求不斷提高(gāo)，輕量化材料的(de)研發和選用顯(xiǎn)得至關重要，本(ben)文通過分析輕(qing)量化材料的應(yīng)用途徑及現狀(zhuang)，闡述了輕量化(hua)材料發展‼️所面(mian)臨的挑戰，并提(ti)出了解決方案(an)🙇♀️。
2 汽車輕量化的(de)意義
有研究驗(yan)證了，汽車每減(jian)輕0.1t，最多可節約(yuē)燃油0.6L/100km，并且可減(jian)🤞少CO2排放11g/100km[1]，大量的(de)研究都證明汽(qì)車輕量化對于(yú)降低🥵燃油汽車(che)油耗、滿足節能(neng)環保要求有很(hěn)重要的作用🧑🏽🤝🧑🏻。
如(ru)圖1所示，福特的(de)新輕型汽車通(tong)過使用碳纖維(wei)油底殼、鋁制連(lian)杆、尼龍複合材(cai)料儀表盤、聚碳(tan)酸酯後車窗、碳(tan)纖維車輪毂等(deng)，使車重減少了(le)25%。下面将對目前(qián)常用的輕量化(hua)材料⁉️進行介紹(shao)。
3.1 有色合(hé)金材料
3.1.1 鋁合金(jin)的應用
圖2 Audi A8 D3車身
2000年奧(ào)迪公司推出的(de)奧迪A2，首次實現(xian)了全鋁車身技(jì)👅術在微型轎車(che)上的應用，其ASF車(che)身是A8之後的第(di)二代鋁制空間(jian)車架💋，具有質量(liàng)輕、強度大的優(you)點。此外還🔱有特(te)斯拉、路虎、捷豹(bao)等💋國外品牌在(zai)汽車中大量使(shi)🔅用鋁合金，獲得(dé)了良好的減重(zhòng)效果，如2019年上市(shi)的新款特斯拉(la)Model S通過大量應用(yong)🏃🏻鋁合金，減輕了(le)整車質量，使其(qi)最長續💔航裏程(chéng)可達660km。我國也逐(zhu)漸将全鋁車身(shēn)🐕應用于新能源(yuán)汽車的制造，2016年(nián)南甯市有18輛全(quan)鋁車✏️身新能源(yuan)公交車投🤩入使(shǐ)用。除全鋁車身(shen)❌外，用鋁導線大(da)規模🔆代替銅導(dǎo)線，可将導線質(zhì)量降低60%以🈲上，并(bing)且減少成本40%～50%[4]。鋁(lü)具有良好的延(yan)展性，使其能有(yǒu)效緩💘解汽車碰(peng)撞時帶來的沖(chong)擊，所以鋁合金(jīn)保險杠的✍️耐撞(zhuàng)性優于鋼制保(bao)險杠。
鋁合金雖然具(jù)有輕量化、成型(xíng)性高的特點，但(dàn)其應用也受到(dào)一📱些限制。首先(xian)，鋁合金的高強(qiáng)度是比強度，即(ji)強度與密度的(de)比值，但相比于(yu)傳統的鋼材，鋁(lü)及鋁合🔞金的強(qiang)度和硬度都比(bǐ)❌較低，在㊙️保證汽(qi)車的安全性上(shàng)具有一定挑戰(zhàn)。其次，鋁及鋁合(he)金的産量相比(bǐ)于傳統鋼材也(ye)有很大差距，并(bìng)且暫時沒有超(chāo)過鋼材的可能(neng)。最後，鋁的價格(ge)比傳統鋼材高(gao)，而且鋁材在汽(qì)車行業⁉️應用的(de)興起有可能造(zào)成鋁價的⛹🏻♀️進一(yi)步上升，在一定(dìng)程度上也會影(ying)響鋁材的應用(yong)🍓。
3.1.2 鎂合金的應用(yòng)
現在，我(wo)國汽車的用鎂(měi)量爲1.5kg/輛，而北美(mei)爲3.8kg/輛，日本爲⛹🏻♀️9.3kg/輛(liàng)🈲，雖然與這兩個(gè)國家有一定差(cha)距，但根據《節能(néng)與新能✂️源汽📱車(chē)技術路線圖》，到(dào)2025年我國每輛車(che)使用鎂合金要(yao)☂️達到25kg，并逐步縮(suo)小與發達國家(jia)的差距。
雖然鎂(měi)具有很多優點(diǎn)，但其價格是鋁(lǚ)的2～3倍，鋼鐵的4倍(bèi)左右，比較✏️昂貴(gui)，随着技術的發(fa)展，低成本鎂合(he)金會逐漸研發(fā)使用[7]。此外，随着(zhe)鎂合金回收再(zai)利用技術的發(fa)🍉展以及環保要(yao)求的提⛱️高，鎂在(zài)汽車領域的發(fā)展形勢值得被(bèi)特殊關注。
全钛(tai)汽車最早是由(you)美國通用公司(si)在1956年研發成功(gong)的“火🔴鳥Ⅱ”型🌏汽🔴車(che)，但由于钛及钛(tài)合金價格昂貴(guì)，所以在汽車領(lǐng)域的🈲應用一直(zhi)🏃受限。20世紀50年代(dai)日本開始研制(zhi)钛⛹🏻♀️及钛合金的(de)汽車零件，20世紀(jì)60年代，钛被應用(yong)于賽車發動機(ji)，直到♻️20世紀末钛(tai)及钛合金才随(suí)着豪華轎車的(de)發展得到大量(liàng)應用[16]，之後随着(zhe)低成本钛💰合金(jīn)的出現💘和發展(zhan)，钛合金開🔞始廣(guang)泛應用于普通(tōng)汽車的制造中(zhōng)。
有研究證實，20kg的(de)鋼制汽車動力(lì)閥零件與0.8kg的钛(tài)合金零件具有(yǒu)🛀相同的效果，但(dàn)其質量減低了(le)96%。用钛合金制作(zuo)汽車發動機氣(qì)門可以減重30%～40%并(bìng)提高最高轉速(sù)[7]。對于減❄️震系統(tong)，有研究表明用(yòng)钛合金彈簧完(wan)全代替原來的(de)鋼彈簧在諸多(duo)方面來說都是(shì)可行的，可使重(zhong)量減輕43.3%。
目前我國(guó)已擁有生産钛(tài)及钛合金的能(neng)力，但由于钛合(he)金價❓格高，對工(gong)藝參數敏感，所(suo)以钛合金在汽(qi)車零部件中的(de)應用🈲一直受到(dao)限制。钛合金流(liú)動性差，鑄件中(zhong)易形成鑄造缺(que)陷，因此對钛合(hé)金鑄造、加工所(suo)需設備和條件(jiàn)的要求較高，這(zhè)是钛合金零部(bù)🧑🏾🤝🧑🏼件不受汽車🧑🏽🤝🧑🏻廠(chǎng)商青睐的重要(yào)原因之一。随着(zhe)我國科技水平(ping)的迅速提升，钛(tài)及钛合金的研(yan)發飽受關注，必(bì)使钛合金朝🙇🏻着(zhe)低成本，高質量(liàng)發展。而且柳寶(bao)元[9]通過實驗證(zhèng)明，钛🌈合金粉末(mo)的力學性能與(yu)粉末🔞循環次數(shù)沒有任何明顯(xian)的關系，從側面(miàn)佐證了钛💜合金(jīn)材料的回收🎯利(lì)用是可以實現(xiàn)的，并且循環利(lì)用次數不會顯(xian)著影響钛合金(jīn)材料的性能。未(wèi)來，钛及钛合金(jīn)在汽車領域的(de)♉廣泛利用值得(dé)期待。
3.2 高強度鋼(gang)的應用
國際鋼(gang)鐵協會汽車鋼(gang)聯盟在1994年開展(zhǎn)的ULSAB計劃，1997年開展(zhan)的ULSAC、ULSAS計劃💘和1998年的(de)ULSAB-AVC計劃，都實現了(le)用先進高強度(dù)鋼🔆代替普通低(di)碳💔鋼，在不增加(jiā)成本的基礎上(shàng)爲車身減重。
在(zài)我國，2001年奇瑞汽(qi)車公司與寶鋼(gang)的合作，實現了(le)在試制樣🔞車上(shàng)使用46%的高強度(dù)鋼闆，對減重起(qǐ)到了很🏃🏻♂️大的☂️作(zuo)用。2003年，重汽将高(gao)強度鋼廣泛應(ying)用于車架的輕(qīng)量化發展，成💁功(gōng)研制了高強度(du)鋼單層梁車架(jià)，并實現量産🛀🏻。
高(gāo)強度鋼由于其(qi)優秀的強度非(fēi)常适合用于汽(qi)車車身結構的(de)制造。圖3展示了(le)高強度鋼在車(che)身上的應用細(xì)節，如汽車的被(bei)動安全系統部(bu)件，包括側門防(fang)撞鋼☂️梁、安全杆(gǎn)和保險杠系🏃♀️統(tong)可以使用超高(gāo)強度鋼，而車頂(dǐng)較少承受撞擊(jī)，則☂️可以使用高(gāo)強度鋼🏒。
圖3 新一(yi)代高強度鋼在(zai)車身上的應用(yòng)[3]
高強度鋼作爲(wei)目前汽車的主(zhu)要輕量化材料(liào)，其強💞塑積（強度(du)與🤩塑性的乘積(jī)）不能完美配合(hé)，是所面臨🚶的一(yi)大難題，強度越(yue)高，塑韌性越差(cha)，當抗拉強度超(chao)過1400MPa時，高強度鋼(gang)極易發🐕生疲勞(lao)破壞[10]。2010年🎯，我國成(cheng)功研發第3代先(xiān)進汽車用📞鋼，主(zhu)要包括Q&P鋼、中Mn-TRIP鋼(gang)以及無碳⭕化物(wù)貝氏體💔鋼，相比(bi)于前兩代汽車(che)鋼，第3代汽車鋼(gāng)具有高強度、輕(qīng)量化、低成本的(de)優點，而且在塑(sù)🍉性和韌性方面(mian)均有一定的提(ti)升[11]，從而受到諸(zhu)多關注，目前我(wǒ)對國第3代汽車(che)🏃🏻用高強度鋼的(de)研究處于世界(jiè)💘前列。
高強度鋼(gāng)與鎂合金、钛合(he)金應用中高成(chéng)本的困擾不同(tong)，高強度鋼面臨(lín)的問題是具有(you)高強塑積的汽(qì)車鋼🔅闆新材料(liao)、新工藝的研發(fa)，以及在高強鋼(gang)加工過程中的(de)問題❤️，如回彈。回(huí)彈量随初始屈(qu)服強度的增大(da)而增大，這将影(yǐng)🌈響高強度鋼的(de)成形質量，增加(jia)加工難度。爲克(ke)服回彈現象，保(bao)證汽車車身及(jí)零部件形狀精(jing)度，還需要不斷(duàn)進行回彈控制(zhi)技術的研究[12]。
3.3 塑(su)料和複合材料(liao)的應用
汽車塑(sù)料化是當今汽(qi)車制造的一大(dà)趨勢。車用塑料(liào)質🧑🏽🤝🧑🏻量🆚輕🆚、強度高(gao)，隻有普通鋼材(cái)重量的15%～20%，比木材(cai)更輕，對汽車💞輕(qīng)量化有極大💛的(de)促進作用。
20世紀(ji)70年代，塑料使用(yong)量占汽車總質(zhi)量的比例爲2%～3%，到(dào)20世紀90年代🈲提升(shēng)至7%～9%。2007年，一款由法(fa)國研發人員研(yan)發的名爲“歡樂(le)敞篷”的全塑料(liao)✂️汽車在英國上(shàng)市，整車隻有370kg，僅(jin)爲普通汽車的(de)三分之一。不久(jiǔ)前日本的旭化(hua)成公司新開發(fā)了一種聚酰胺(àn)泡沫塑料，這種(zhǒng)泡沫💰塑料具有(you)極好的耐熱性(xing)、耐油性、剛性和(he)降噪質量，在汽(qi)車的内飾、車頂(dǐng)、發動機、座椅和(he)地闆結構中都(dōu)可以應用，在減(jiǎn)重降噪方面有(you)很好🆚的效果。
複(fu)合材料具有比(bi)強度和比模量(liàng)高、密度小，質量(liang)輕、強度高、安😘全(quan)等級高等優點(dian)，是汽車輕量化(hua)的理想㊙️材料。碳(tan)纖⁉️維複合材料(liao)可以使車身、底(dǐ)盤減重50%以上🙇🏻。用(yong)碳纖♉維複合💜材(cái)料所制的闆簧(huang)與傳統材料相(xiang)比減重76%，使用碳(tàn)纖維發動機罩(zhao)可使發動機減(jian)重6kg以上[13]。以寶馬(ma)i8車身結構爲例(lì)，它在車身底盤(pan)（Drive）采用的是金屬(shu)結構，但在💘乘員(yuan)艙（Life）使用了CFRP碳纖(xian)維增強複合材(cai)料⛱️，兼顧了強度(dù)與輕量化。
目前(qian)碳纖維複合材(cái)料的應用面臨(lín)兩大障礙，其一(yī)✨是制造成本❓，例(lì)如以碳纖維爲(wèi)框架的座椅成(chéng)本是鋼材框架(jia)的6倍之高，使其(qi)無法大量應用(yòng)于汽車；其二是(shì)時🔅間成本，用鋼(gang)隻需1分鍾的就(jiù)能制造完成的(de)🐆零件用碳😍纖維(wei)需要5分鍾，若進(jin)行大量生産耗(hào)費的時間則會(hui)成倍增長，這無(wu)♉疑又增加了碳(tan)纖維複合材料(liào)的應用難🍓度。
從(cóng)2017年發布的《節能(neng)與新能源汽車(chē)技術路線圖》的(de)要求來看，到2030年(nián)，碳纖維的使用(yòng)量要達到汽車(chē)總重的㊙️5%，并且碳(tàn)纖維的成本也(yě)需要大幅度降(jiang)低。
3.4 精細陶瓷的(de)應用
精細陶瓷(cí)也是當前很重(zhòng)要的一大類材(cai)料。它具有高強(qiáng)度、高硬🔞度、耐腐(fu)蝕等特點，以及(ji)在磁、電、光、聲各(gè)方面的特殊功(gōng)能，目前應用于(yu)汽車上多種零(ling)部件，如陶瓷🔴軸(zhóu)承、陶🏃♂️瓷發動機(jī)、陶瓷淨化器🧑🏾🤝🧑🏼載(zǎi)體、陶瓷刹☎️車片(pian)和陶瓷繼電器(qì)等[14]。
4 結論
甯(níng)波芜湖如亨矿(kuàng)山机械有限责(ze)任公司(AI智能站(zhan)) Ningbo Changyang Machinery Industry Co., Ltd. 版權所有
備案(àn)号：京ICP證000000号
浙公(gōng)網安備 33021102000870号
•
›•
•
當前(qián)位置：
›·