汽車輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀及未來

主要內(nèi)容汽車輕量化的意義及概念國內(nèi)外汽車輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀汽車輕量化技術(shù)及應(yīng)用第一頁，共三十四頁。第一頁，共三十四頁。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

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

第二頁，共三十四頁。第二頁，共三十四頁。汽車輕量化的意義這些數(shù)據(jù)表明:汽車工業(yè)節(jié)能減排對于一個國家的能源供應(yīng)和環(huán)境保護都具有重要的意義。

1990年以來中國石油消費的供應(yīng)能源

汽車燃油在我國石油消費中的的增長情況第三頁，共三十四頁。第三頁，共三十四頁。汽車輕量化的概念汽車輕量化不能以簡單的減重多少來衡量，必須與所設(shè)計車身的尺寸和功能相結(jié)合對于已有的功能可滿足要求的汽車，輕量化的設(shè)計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)計是完善功能而保持質(zhì)量不變；既要提高改進(jìn)性能，同時也使汽車減重。

汽車輕量化設(shè)計實際上是功能改進(jìn)，質(zhì)量降低，結(jié)構(gòu)優(yōu)化和合理價格的結(jié)合。第四頁，共三十四頁。第四頁，共三十四頁。汽車輕量化的意義輕量化是實現(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%。美國在歐洲全順車的實驗表明,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)報道,在美國汽車質(zhì)量如果減少25%,燃油消耗按減少13%計,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。第五頁，共三十四頁。第五頁，共三十四頁。促進(jìn)了汽車輕量化技術(shù)的進(jìn)步。對商用車的研究表明,汽車質(zhì)量每減少1000kg,油耗可降低6%～7%。第十八頁，共三十四頁。目前出現(xiàn)了一批擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車車身模具開發(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)計理論方面開展了較深入的研究；第二十五頁，共三十四頁。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。1990年以來中國石油消費第二十一頁，共三十四頁。第二十一頁，共三十四頁。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。第十八頁，共三十四頁。74g/cm3,鋁合金約2.20世紀(jì)70年代的兩次石油危機,促進(jìn)汽車工業(yè)提高了燃油經(jīng)濟性。國內(nèi)汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀各類車型的燃油效率與車身自重的關(guān)系汽車輕量化的意義除空氣動力學(xué)阻力之外,車子運動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第六頁，共三十四頁。第六頁，共三十四頁。國內(nèi)外汽車輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀國際汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀第七頁，共三十四頁。第七頁，共三十四頁。國際汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

自上世紀(jì)70年代以來，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)初世界各國先后出現(xiàn)過百公里油耗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年德國大眾推出路波3LTDI，汽車自身質(zhì)量只有800KG。奧迪公司開發(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%。第八頁，共三十四頁。第八頁，共三十四頁。國際汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

美國總統(tǒng)奧巴馬2009年5月公布了一項汽車節(jié)能減排計劃，目標(biāo)是到2016年，美國國內(nèi)生產(chǎn)的客車和輕型卡車百公里耗油不超過6.62L，CO2排放量也比現(xiàn)有車輛減少1/3。這項計劃2012年開始實施，將使美國在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)型的社會發(fā)展模式，推行全回收或零廢棄的觀念。其實，2001年以前，日本已有相關(guān)法令推行綠色設(shè)計及綠色采購。第九頁，共三十四頁。第九頁，共三十四頁。*超級燃油效率概念車，燃油效率為2.7L/100k（CO271g/km）

主要汽車生產(chǎn)國輕量化與改善燃油效率值的策略

第十頁，共三十四頁。第十頁，共三十四頁。國際汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

國際鋼鐵協(xié)會首先開展了超輕鋼汽車車身UISAB項目，參加該項目的有來自5大洲18個國家的35家鋼鐵企業(yè)。該項目于1994年啟動，1998年結(jié)束，主要目標(biāo)是減小車身質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)強度、提高安全性、簡化制造工藝及降低生產(chǎn)成本。

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

國際鋼協(xié)1998年3月開始在全球?qū)嵤︰ISAB-AVC計劃，該項目是從整體上研究開發(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)動機支架及所有與結(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，如美國汽車材料合作伙伴（USAMP）。

第十一頁，共三十四頁。第十一頁，共三十四頁。國內(nèi)汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

近年來,我國在汽車輕量化技術(shù)方面取得了不少成果。“九五”和“十五”期間,一批汽車新材料項目被列為國家“863”、“973”高新技術(shù)項目和國家科技攻關(guān)重大項目。促進(jìn)了汽車輕量化技術(shù)的進(jìn)步。

“九五”期間,我國進(jìn)行了鋁合金材料和鑄件生產(chǎn)成套工藝技術(shù)的開發(fā)研究,開發(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。第十二頁，共三十四頁。第十二頁，共三十四頁。能夠有效地防止排放系統(tǒng)和排氣管汽車輕量化的意義及概念7L/100k（CO271g/km）第十八頁，共三十四頁。1990年以來中國石油消費蘭博基尼Reventon車型采用等離子噴涂陶瓷涂層國際汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀湖南大學(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；1998年德國大眾推出路波3LTDI，汽車自身質(zhì)量只有800KG。在車用輕金屬材料中，鈦的強度可以達(dá)到與合金鋼相當(dāng)?shù)母邚姸?500MPa，大大高于鋁、鎂合金；CAD/CAE在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計上的應(yīng)用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。汽車中主要的非金屬部件第二十五頁，共三十四頁。第十八頁，共三十四頁。國內(nèi)汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

“十五”期間，我國將鎂合金應(yīng)用與開發(fā)列為材料領(lǐng)域重點項目,一汽、東風(fēng)、長安等汽車企業(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試、疲勞試驗、計算機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韌化、耐蝕性、阻燃性和抗高溫蠕變性等開展了較深入的研究。

目前,國內(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)行了高強度鋼板的初步應(yīng)用試驗。第十三頁，共三十四頁。第十三頁，共三十四頁。國內(nèi)汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

在汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面,國內(nèi)已從主要依靠經(jīng)驗設(shè)計逐漸發(fā)展到應(yīng)用有限元等現(xiàn)代設(shè)計方法進(jìn)行靜強度計算和分析階段。目前出現(xiàn)了一批擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車車身模具開發(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)計理論方面開展了較深入的研究；北京航空航天大學(xué)開發(fā)了CAD系統(tǒng)CAXA。并已經(jīng)開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)計方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。以減少車身骨架、發(fā)動機和車身蒙皮的重量等。

目前，我國汽車輕量化技術(shù)無論在理論研究方面還是在實際應(yīng)用方面與國外均有較大差距。沒有明確定位、合理分工?；A(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)研究的有機銜接不夠。企業(yè)規(guī)模小而分散。輕量化技術(shù)開發(fā)能力薄弱，研發(fā)人才短缺，工藝水平落后等問題都是我們不足的地方，需要我們一一去解決。第十四頁，共三十四頁。第十四頁，共三十四頁。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)用第十五頁，共三十四頁。第十五頁，共三十四頁。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。第十六頁，共三十四頁。第十六頁，共三十四頁。（1）苛刻的安全法規(guī)要求用提高汽車主動安全性和被動安全性的眼光來完善汽車的安全設(shè)計；（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力性、舒適性和提高競爭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相開發(fā)輕金屬材料。第十七頁，共三十四頁。第十七頁，共三十四頁。鋁及鋁合金的特點比強度高彈性好導(dǎo)熱性好易加工回收率高耐蝕性好耐磨密度小ρ=2.7g/cm3鋁及鋁合金第十八頁，共三十四頁。第十八頁，共三十四頁。

德國奧迪A8型高級轎車的整個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）

第十九頁，共三十四頁。第十九頁，共三十四頁。

德國大眾先進(jìn)的6.0LW12發(fā)動機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)動機，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的強勁動力，使其單位馬力需加速的重量僅為4.7kg，堪與高性能跑車相媲美。大眾最先進(jìn)的6.0LW12發(fā)動機第二十頁，共三十四頁。第二十頁，共三十四頁。北極星系列引擎是通用旗下除了LS引擎系列外最頂級的發(fā)動機，它是美國首款頂置凸輪軸的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)動機最大功率320馬力，最大扭矩427Nm。而應(yīng)用于高性能V系列的機械增壓款更可高達(dá)476馬力/606Nm。北極星V8發(fā)動機第二十一頁，共三十四頁。第二十一頁，共三十四頁。鎂及鎂合金的特點易加工資源豐富開采技術(shù)成熟回收率高、回收無污染比強度、比剛度高阻尼減震性能高鎂及其合金第二十二頁，共三十四頁。第二十二頁，共三十四頁。

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。鎂合金減速器外殼第二十三頁，共三十四頁。第二十三頁，共三十四頁。

輪轂剎車踏板支架第二十四頁，共三十四頁。第二十四頁，共三十四頁。鈦合金

鋁和不銹鋼在近200℃會失去原有的力學(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，鈦的強度可以達(dá)到與合金鋼相當(dāng)?shù)母邚姸?500MPa，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。第二十五頁，共三十四頁。第二十五頁，共三十四頁。鈦及鈦合金的特點密度小、比強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)原屈強比值大高、低溫力學(xué)性能好耐蝕性強不受路面鹽類及廢氣的影響鈦及其合金第二十六頁，共三十四頁。第二十六頁，共三十四頁。鈦合金的應(yīng)用在汽車上，鈦可用于制造發(fā)動機氣門、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

、還有保時捷-911GT3等都采用鈦合金來制造連桿。第二十七頁，共三十四頁。第二十七頁，共三十四頁。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)