汽車輕量化材料的選擇與應(yīng)用探究

戴玉京

摘要：現(xiàn)階段，汽車行業(yè)發(fā)展迅速，開始向著輕量化方向發(fā)展。為達(dá)到汽車輕量化的要求，汽車企業(yè)需要首先選擇使用輕材料進(jìn)行制造。本文針對汽車輕量化材料的選擇問題以及應(yīng)用問題進(jìn)行探究，以期能夠促使汽車行業(yè)更好更快的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：汽車;輕量化材料;選擇;應(yīng)用

0? 引言

20世紀(jì)中葉，歐美等一些發(fā)達(dá)國家開始對汽車輕量化技術(shù)進(jìn)行研究，希望能夠達(dá)到節(jié)能減排、減少環(huán)境污染的效果，進(jìn)而全面實現(xiàn)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。我國在此方面的研究較晚，開始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過多年的實踐研究，在汽車輕量化材料等關(guān)鍵技術(shù)上取得了一定成果，有效實現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo)，同時環(huán)境污染現(xiàn)象減少，資源利用率有所提升，有效推動了汽車產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。

1? 汽車輕量化材料的選擇

當(dāng)前階段，能源日益枯竭，加之污染問題，導(dǎo)致環(huán)境治理壓力增大。為了有效緩解城市污染壓力，各大城市先后開始實行搖號買車、限號出行的政策，同時積極鼓勵居民購買小排量汽車，從而有效緩解因汽車運(yùn)行造成的能源消耗以及空氣污染等問題。但是，這些措施都無法從長遠(yuǎn)角度徹底解決空氣污染問題，還需要對汽車進(jìn)行改造設(shè)計，從制造源頭解決人們出行與資源環(huán)境的沖突，只有全面實現(xiàn)汽車輕量化，才能夠有效緩解能源消耗的矛盾。

在對汽車構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計上使用輕量化材料，并對汽車零件尺寸進(jìn)行優(yōu)化，借助整體塑形等生產(chǎn)工藝，能夠有效減輕車輛的整體重量，促使汽車實現(xiàn)節(jié)能高效，降低排放污染的目標(biāo)。而當(dāng)前汽車輕量化技術(shù)主要研究方向就是輕金屬材料，汽車制造中所使用的材料多達(dá)4000多種，其中約80%為金屬材料，55%為鋼鐵材料，而15%為鋁鎂等輕合金以及鑄鐵，20%為塑料以及碳纖維等非金屬材料。近年來，汽車制造中逐漸引入輕量化材料，鋼鐵所占比例有所降低，逐步開始使用鋁合金等輕金屬合金。汽車輕量化制造有效迎合了消費(fèi)大眾的需求，不僅利用低成本的鋼鐵以及輕合金材料混合方式降低了整車的重量，同時在高端車輛上也開始逐步使用碳纖維以及輕合金材料混合技術(shù)，雖然費(fèi)用較為昂貴，但是性能也更高。有部分廠商也開始積極選擇質(zhì)量輕以及強(qiáng)度高的金屬材料進(jìn)行生產(chǎn)[1]。

1.1 高強(qiáng)度鋼

汽車的許多零部件都采用高強(qiáng)度鋼進(jìn)行制造，例如懸架、車身以及底牌等位置。當(dāng)前階段，開始逐漸針對中低端車輛進(jìn)行輕量化處理，為維持成本不變，并保證車輛的安全性，就需要有效減薄高強(qiáng)度鋼板的厚度，進(jìn)而減輕整體車輛的重量，實現(xiàn)節(jié)能減排。相關(guān)學(xué)者在實踐研究中發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度鋼的使用，提升了汽車的整體性價比，同時碰撞安全性能也有所提升，已經(jīng)開始應(yīng)用于進(jìn)口車輛地板B柱以及零部件中，其中凱迪拉克車型應(yīng)用較多，地板中通道以及AB柱內(nèi)板中均采取高強(qiáng)度鋼進(jìn)行制造[2]。同時，高強(qiáng)度鋼在碰撞安全性方面以及經(jīng)濟(jì)性、可加工性等方面都有一定優(yōu)勢，屬于綜合性能最佳的輕量化材料，高強(qiáng)度鋼在汽車制造中的使用量直接影響著汽車輕量化水平，我國在此方面的使用量相對較少，且起步較晚，未來仍有較大的發(fā)展空間。

1.2 鋁合金

相比于鋼而言，鋁合金的密度僅有鋼的1/3之多，且強(qiáng)度以及剛度都較高強(qiáng)度鋼差，為了有效提升汽車的力學(xué)性能，就需要積極使用新型鋁合金或者增加鋁合金厚度。如果力學(xué)性能相同的情況下，相比于鋼鐵，鋁合金的減重效果能夠達(dá)到鋼鐵的50%，可以達(dá)到輕量化的要求。相關(guān)學(xué)者研究指出，鋁合金相比于鋼鐵材料，能夠減重達(dá)到30-60%，同時，鋁合金材料也能夠有效減少汽車尾氣，多用于保險杠、車身覆蓋件或者橫梁等位置，因價格相對較高，多適用于寶馬或者奧迪等高端汽車上[3]。

1.3 鎂合金

與鋁相比，鎂的密度僅為其2/3，且消震性以及抗沖擊能力均較強(qiáng)。在汽車的所有結(jié)構(gòu)材料中，最輕的金屬就是鎂，鎂也被認(rèn)為是理想的輕量化材料。鎂合金多使用在殼體類以及支架類的零件上，相較于鋁合金，鎂合金能夠再減重30%，具有較高的輕量化效果。但是，鎂合金在加工上以及成本上、耐蝕性上都較差，目前仍未大范圍使用。

1.4 鈦合金

相比于其他幾種材料，鈦合金具有一定優(yōu)勢，不僅強(qiáng)度較高，且能夠耐高溫，使用在航空航天工業(yè)中使用。近年來，汽車輕量化發(fā)展較快，一些汽車零件生產(chǎn)上也開始使用鈦合金，有效減輕了汽車的整體重量。

2? 汽車輕量化材料的應(yīng)用

近年來，為了減少環(huán)境污染，達(dá)到節(jié)能減排的目的，我國開始積極向著綠色高效節(jié)能環(huán)保經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在此背景下，新能源汽車獲得了有效的發(fā)展。新能源汽車在發(fā)展上受到了嚴(yán)重的阻礙，不僅車身較重，且電池續(xù)航能力較差，受到這些因素影響，導(dǎo)致新能源汽車發(fā)展受到影響。在此背景下，積極應(yīng)用鋁合金、鎂合金以及鈦合金等輕量化材料，就能夠有效減輕車身重量，促使新能源汽車獲得更好的發(fā)展前景。

在輕量化材料中，鋁合金的碰撞形變能力以及綜合力學(xué)性能較為突出，更適合用在新能源汽車的制造上。隨著鋁合金使用量的增多，未來新能源車輛的發(fā)展將向著全鋁車身方向發(fā)展。目前階段，歐美等一些發(fā)達(dá)國家開始積極使用鋁合金制造汽車，鋁合金含量達(dá)到了80%之高，例如，奧迪A8車身鋁合金含量達(dá)到了80%，而特斯拉Model S含量達(dá)到了95%。相關(guān)學(xué)者研究指出，奧迪A8自實現(xiàn)了全鋁車身后，在新能源汽車領(lǐng)域開始應(yīng)用全鋁車身，例如全新捷豹XFL以及上海通用汽車生產(chǎn)的凱迪拉克CT6[4]。我國鋁資源相對較為豐富，但是在汽車領(lǐng)域的發(fā)展卻遠(yuǎn)不及歐美發(fā)展水平。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計分析，歐洲用于汽車制造的鋁合金達(dá)到了每輛300kg，而我國僅為115kg/輛，相信隨著我國汽車行業(yè)研發(fā)力度的加大，未來鋁合金在新能源汽車上的應(yīng)用會更為廣闊。

相比于其他材料，鎂合金的消震性能以及力學(xué)性能相對較好，在汽車部分支架以及殼體類汽車零件上應(yīng)用較多，同時也開始積極應(yīng)用于電動客車的研究中，取得了良好的效果。在第五代奧迪A8汽車的制造中，鎂合金首次應(yīng)用于車架緩沖支架材料，有效減輕了車身的重量。而山東汽車公司制造的電動大客車中使用了鎂合金，促使車重整體減輕了70%。

3? 汽車輕量化材料在未來發(fā)展中面對的挑戰(zhàn)

汽車輕量化技術(shù)全球化的發(fā)展，促使我國開始積極向著輕量化方向發(fā)展，但是在發(fā)展過程中，仍面臨著許多問題亟待解決。

首先，輕量化材料在使用過程中成本相對較高，這就嚴(yán)重阻礙了輕量化工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。目前，有部分汽車企業(yè)開始嘗試使用混合材料深化汽車輕量化材料，但是仍未能有效解決成本高的問題?；诖耍S多汽車企業(yè)開始對輕量化進(jìn)行研究，意圖全面滿足汽車工業(yè)的需求，保證輕量化材料以及生產(chǎn)設(shè)備達(dá)到低成本的要求，但是，在研發(fā)過程中會耗費(fèi)大量資金，企業(yè)的資金風(fēng)險也會加劇。在汽車輕量化的發(fā)展上，會受到很多因素的影響，未來輕量化材料在研發(fā)上，需要積極向著新材料方向發(fā)展，從而有效降低原材料的生產(chǎn)成本以及使用成本。對于汽車制造企業(yè)而言，也需要不斷優(yōu)化自身結(jié)構(gòu)，更新生產(chǎn)的工藝以及生產(chǎn)的設(shè)備，最大化降低成本支出，促使汽車輕量化材料獲得長遠(yuǎn)發(fā)展[5]。

其次，輕量化材料的使用加大了維修的難易以及使用成本。如果在汽車運(yùn)行過程中，鎂合金以及鋁合金零件出現(xiàn)損耗，就需要進(jìn)行更換或者維修，不僅維修難度較大，且更換的成本也較高。

最后，對于輕量化材料的研發(fā)力度不夠，輕量化技術(shù)在加工以及設(shè)計、開發(fā)階段都需要聘請專業(yè)的人才進(jìn)行研究，而輕量化技術(shù)集合了多種學(xué)科，需要將多種技術(shù)融為一體，進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，從而獲得更為廣闊的發(fā)展空間，但是當(dāng)前我國在此方面的研究相對較少，開發(fā)難度較大，輕量化材料的發(fā)展面臨新的問題[6]。

4? 結(jié)語

綜合上述分析，汽車輕量化已經(jīng)成為了汽車行業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢，由此，就需要做好汽車輕量化材料的研究工作。當(dāng)前，我國針對汽車輕量化材料的研究相對較少，在發(fā)展上還存在很多不足，這就需要汽車行業(yè)積極抓住全球化發(fā)展機(jī)遇，加大改革力度，促使汽車的制造向著環(huán)保型以及輕量型方向發(fā)展，全面推進(jìn)汽車輕量化的工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

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[2]趙靜，富麗，張祖祎.汽車輕量化用復(fù)合材料的淺析[J].居業(yè)，2019，11（9）：1-2，4.

[3]張鑫，趙曉昱，蘭祥，等.汽車用碳纖維復(fù)合材料前防撞梁的輕量化與優(yōu)化設(shè)計[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2019，27（8）：98-103.

[4]高永迪.試論鋁合金材料在未來汽車輕量化中的應(yīng)用與發(fā)展[J].世界有色金屬，2019，29（21）：174，176.

[5]劉志偉，孟洲漁，周小梅，等.汽車輕量化背景下節(jié)能環(huán)保新材料的選用[J].天津科技，2019，46（8）：22-24.

[6]馬琳，耿雷.國外汽車輕量化材料應(yīng)用經(jīng)驗借鑒[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2019，19（6）：28-31.