輕量化材料在汽車制造中的應(yīng)用

孫明哲 賈文君

【摘 要】目前在世界各國汽車的廣泛利用給人類帶來了生活上以及方方面面的諸多便利，可是不容忽視的是汽車工業(yè)的快速發(fā)展，交通安全、環(huán)保、能源消耗各方面所面臨的諸多問題也備受世界所關(guān)注，汽車產(chǎn)量和社會保有量也都在逐年增加。隨著人們對高品質(zhì)生活的需求，對汽車的依賴也是變得越來越離不開。在能耗、環(huán)境污染以及交通安全面臨著的巨大壓力和挑戰(zhàn)面前，汽車輕量化材料設(shè)計與應(yīng)用可以有效應(yīng)對這些難題。既能有效降低尾氣排放量，又能降低材料和能源消耗，這也將成為汽車工業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排的主要方向，對實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

【關(guān)鍵詞】輕量化材料；汽車制造；應(yīng)用

【中圖分類號】U465 文獻標識碼：A

引言

汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的最關(guān)鍵措施，對汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起著關(guān)鍵作用。目前，汽車輕質(zhì)材料廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)，輕量化技術(shù)的實現(xiàn)主要取決于輕量化材料和最先進技術(shù)的應(yīng)用。不僅可以減少排放，而且可以降低成本，提高車身的耐久性和安全性。

1、輕量化材料對汽車工業(yè)發(fā)展的意義

（1）有目共睹，整車質(zhì)量大大影響著汽車油耗與排放量。在行駛安全、舒適性不變的基礎(chǔ)上，輕量化材料設(shè)計與應(yīng)用能夠有效的減輕車身重量，繼而有效提高汽車動力并明顯減少燃料消耗。實驗表明，汽車整車質(zhì)量每降低100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升。汽車質(zhì)量每減輕10%，油耗下降6%-8%，排放量下降4%，因此輕量化材料的設(shè)計與應(yīng)用可以有效直接降低汽車油耗與排放量。（2）安全行駛方面，輕量化材料設(shè)計與應(yīng)用直接導致整車重量下降，碰撞時慣性與制動距離都得到相應(yīng)減小，可以提高汽車安全性能。

2、輕量化材料

輕量化材料，一般通過采用輕量化的金屬以及非金屬材料才可以實現(xiàn)，其主要包括了工程塑料以及其他多種復合材料?，F(xiàn)在整個汽車行業(yè)的材料輕量化已經(jīng)成為一種趨勢，在不影響車身強度的情況下，使用更多的鋁合金、鎂合金、工程塑料等有助于降低車身自重，從而帶來更好的燃油經(jīng)濟性。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，行業(yè)里生產(chǎn)一輛一般家用普通轎車，真?zhèn)€車身的主要材料重量構(gòu)成比例為：鋼鐵占據(jù)65%-70%、有色金屬占據(jù)10%-15%、非金屬材料占據(jù)20%左右。毋庸置疑的是在輕量化趨勢的帶動下，如輕金屬材料、復合材料等多種新型材料將會越來越多的應(yīng)用到汽車上面去，并且這些新型材料還會占據(jù)一些傳統(tǒng)汽車材料的地位和比例。輕量化材料中，現(xiàn)在整個汽車行業(yè)中鋼鐵材料仍占據(jù)主導地位，但不容置喙的是鋼鐵材料的應(yīng)用比例正在逐年下降和減少，工程塑料、鎂合金、鋁合金、復合材料等這些材料的應(yīng)用數(shù)量正在逐漸增多。鎂合金密度約為鋁的2/3，鋼的1/4，加上其具備比強度高、比彈性模量大等這些汽車工業(yè)必須的優(yōu)點，成為常用金屬結(jié)構(gòu)材料最受青睞的一種材料，并且在汽車中的應(yīng)用也在逐步上升。目前在離合器、車輪轂、齒輪箱、汽進氣歧管、傳動外殼、等方面應(yīng)用較多，但是因為受技術(shù)和成本等方面的約束，目前在汽車工業(yè)中鎂合金用量還不算太大。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，國內(nèi)汽車平均用鎂量大概只有3kg，而北美的汽車平均用鎂量也同樣10kg都不到。作為包含多種優(yōu)異性能的輕量化材料里，碳纖維材料的前景被看好，盡管目前階段還有諸多挑戰(zhàn)和科技難題等待攻克，其中最關(guān)鍵在于成本太高。

3、輕量化材料在汽車制造中的應(yīng)用

3.1激光拼焊工藝

在現(xiàn)代汽車制造業(yè)中汽車結(jié)構(gòu)通常由鋼結(jié)構(gòu)和激光拼焊板組成，該方法是汽車車身制造中應(yīng)用最廣泛、最先進的制造技術(shù)，在制造過程中采用激光焊接技術(shù)將不同厚度和強度的材料焊接成一個完整的零件。該零件強度較大，能夠滿足汽車安全性能要求，融合后整個部件應(yīng)沖壓使零件固定，激光拼焊技術(shù)可以最大限度地提高材料性能，減輕汽車總重量有效降低材料消耗，提高材料利用效率。但是，目前該技術(shù)的應(yīng)用還存在一些問題。與普通板材相比激光拼焊板在母材性能、焊縫、板坯尺寸等方面存在一定的差異，不能及時、準確地控制起皺和裂紋。為激光拼焊板制造合適的沖壓模板是必要的，激光拼焊技術(shù)的應(yīng)用能發(fā)揮出最佳的效果，這是發(fā)展過程中需要解決的問題。

3.2熱形成工藝

在汽車零部件的制造過程中，為了滿足奧氏體結(jié)晶的要求，需要對熱沖壓高強度鋼板材料進行加熱。經(jīng)過一段時間后奧氏體會逐漸保持均勻的狀態(tài)，然后迅速放入冷卻模板中通過保持壓力和快速冷卻的方法，使奧氏體變成板條馬氏體，改變其結(jié)構(gòu)提高材料的強度。熱成形通常包括直接成形和間接成形，直接成形是指在制造過程中對金屬板材進行快速沖壓，常用于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單的汽車零部件，間接成形技術(shù)是在加熱前對板材進行預(yù)處理。將材料放入冷卻模具并快速沖壓，該技術(shù)主要用于結(jié)構(gòu)復雜、復合板多、變形大的零件的加工。

4、發(fā)展建議

4.1加強技術(shù)創(chuàng)新，制定相關(guān)標準

強化企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新中的主體地位，支持企業(yè)加大研發(fā)投入，提升創(chuàng)新能力。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，逐步推動高強度鋼、鋁合金、鎂合金的研發(fā)和應(yīng)用。充分利用現(xiàn)有科技資源，聯(lián)合企業(yè)、高校、科研機構(gòu)、政府等力量，推動國家輕量化材料制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)，開展輕量化關(guān)鍵共性技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用示范。協(xié)同推進輕量化技術(shù)研發(fā)與標準制定，鼓勵制定輕量化材料、零部件及產(chǎn)品的團體標準，支持輕量化材料企業(yè)、科研院所、行業(yè)組織等積極參與國際標準制定。盡快建立適用于我國的輕量化材料認證體系，推動輕量化材料的性能檢測、應(yīng)用驗證、可靠性評價等。

4.2推動生產(chǎn)應(yīng)用合作，推動產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展

推動輕量化材料生產(chǎn)企業(yè)和下游汽車制造企業(yè)聯(lián)合開展技術(shù)攻關(guān)，推動上下游企業(yè)共同開展國家級輕量化材料生產(chǎn)應(yīng)用示范平臺建設(shè)，形成有效的上下游協(xié)同發(fā)展模式，彌補生產(chǎn)應(yīng)用銜接空缺，縮短輕量化材料開發(fā)應(yīng)用周期，實現(xiàn)輕量化材料與終端產(chǎn)品同步設(shè)計、系統(tǒng)驗證，打通輕量化材料研發(fā)到生產(chǎn)應(yīng)用的“死亡之谷”。加強輕量化產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)，充分利用汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，推動性能穩(wěn)定的國產(chǎn)輕量化材料優(yōu)先進入汽車供應(yīng)鏈。鼓勵建設(shè)促進輕量化材料協(xié)同發(fā)展的公共服務(wù)平臺，提供金融、技術(shù)交易、質(zhì)量認證等專業(yè)化服務(wù)。

4.3加強政府引導，發(fā)揮行業(yè)組織作用

借鑒發(fā)達國家推廣應(yīng)用輕量化材料的經(jīng)驗，強化政府引導，進一步嚴格汽車燃油經(jīng)濟性、溫室氣體排放等技術(shù)和標準限定，通過征收高額燃油稅、重量稅、經(jīng)濟處罰等手段倒逼汽車輕量化發(fā)展。同時，政府采取正向激勵措施，創(chuàng)新支持政策，進一步推動節(jié)能和新能源汽車應(yīng)用，鼓勵材料企業(yè)加大對輕量化材料的研發(fā)力度，鼓勵汽車制造企業(yè)應(yīng)用輕量化材料，從國家層面加大對輕量化技術(shù)領(lǐng)域重點研發(fā)計劃的支持力度。發(fā)揮行業(yè)協(xié)會、聯(lián)盟等組織的橋梁作用，一方面積極宣傳政府輕量化推廣應(yīng)用政策，另一方面組織輕量化材料和應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的企業(yè)、科研機構(gòu)和高校等加強技術(shù)研發(fā)合作和推廣應(yīng)用，為企業(yè)提供輕量化技術(shù)領(lǐng)域的政策、法律、技術(shù)、管理、市場等服務(wù)。

結(jié)束語

隨著油耗問題越來越被人類所重視，輕量化材料的設(shè)計和應(yīng)用逐漸成為汽車行業(yè)里面節(jié)能減排最有效辦法。輕量化材料對于降低油耗、減少排放起著不可替代的作用，已成為汽車行業(yè)的熱點，汽車變輕，既能提高車輛性能，更能滿足節(jié)能環(huán)保的需求，整車的燃油經(jīng)濟性、車輛控制穩(wěn)定性、碰撞安全性都大有裨益。

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（作者單位：上汽通用（沈陽）北盛汽車有限公司）