輕量化部件在汽車改裝中的應(yīng)用分析

陳 珍，李 銳

（1.湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 十堰 442000；2.東風(fēng)越野車有限公司，湖北 十堰 442000）

前言

輕部件在汽車上的安裝改造，就是在保證汽車的堅固穩(wěn)定性能和安全性能的前提下，最大限度地降低汽車的整體裝備質(zhì)量。進(jìn)一步地提高汽車的牽引和制動的能量，減少燃料消耗，降低排氣污染，同時針對環(huán)保和節(jié)能方面，汽車零部件輕量化無疑是新時代汽車行業(yè)發(fā)展的必由之路。

1 適合做汽車輕量化部件的材料的選擇分析

1.1 復(fù)合材料—碳纖維

復(fù)合材料碳纖維的應(yīng)用將成為未來車身輕量化的主要材料，主要用于車身結(jié)構(gòu)件。此前，碳纖維通常運(yùn)用在精密度航空航天領(lǐng)域。根據(jù)天上交通工具對于安全性和堅固性的高要求：碳纖維質(zhì)量輕，硬度強(qiáng)，抗擊打能力高，耐腐蝕等優(yōu)秀于傳統(tǒng)材料的特點顯現(xiàn)在人們的眼前[1]。例如碳纖維比較鋼材料來說就減重了60%，雖然比干鋼輕，但是強(qiáng)度卻是鋼材料的8倍，在保證足夠安全的前提下，降低了燃油率，平衡了新能源汽車中電池所帶來的重量，為節(jié)能減排提供了新思路。2015～2016年，德國是目前全球汽車輕量化材料使用比例最高的國家。碳纖維不僅可以進(jìn)一步降低低鋼碳在汽車車身中的使用比例到原本的一半的20%，提升高強(qiáng)度鋼的占比至45%。因此碳纖維未來發(fā)展空間巨大。

雖然生產(chǎn)成本相對較高，但這是在新型輕量化能源和技術(shù)并沒有普及，技術(shù)還未達(dá)到成熟的狀態(tài)下，汽車整體材料用料中占比僅有4%。據(jù)了解，2020年以后，碳纖維復(fù)合材料的成本將會有所下調(diào)，為汽車部件輕量化進(jìn)一步發(fā)展提供了原材料和良好思路[2]。

1.2 復(fù)合材料—玻纖維

玻纖復(fù)合材料是改性增強(qiáng)材料，簡單理解就是將整塊的玻璃進(jìn)行研磨，研磨成極細(xì)膩的狀態(tài)，在尼龍樹脂中加入一計量的玻璃纖維進(jìn)行增強(qiáng)。與普通的純尼龍相比，玻纖維的鋼性，耐疲勞強(qiáng)度和承受高溫的強(qiáng)度更大，密度小，易成型，抗震等突出的物理性質(zhì)，使之因此被廣泛的應(yīng)用于航空航天等高精密的科學(xué)太空領(lǐng)域。也因為成本低價格便宜這樣接地氣的特點漸漸進(jìn)入普通人家的生活，已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)向汽車機(jī)械等領(lǐng)域。同時，作為新型的汽車輕量化材料，玻纖維的價格成本要比太纖維便宜很多，玻纖維更適合制成汽車非結(jié)構(gòu)件，例如很多國外知名汽車生產(chǎn)商已經(jīng)將汽車前端模塊，車門模塊，電池托架，儀表盤，保險杠梁等汽車零部件進(jìn)行玻纖維輕量化替代處理[3]。由此可見，我國玻纖維材料很有發(fā)展空間。

2 用輕量化部件改裝汽車的優(yōu)點

2.1 輕便美觀，減少磨損

對于21世紀(jì)的汽車來講，并不僅僅是一個簡單的代步工具。汽車也許承載著更加重大的意義，它可以被看作是一個人社會地位的象征，也可以被看作是一個家庭的成員。所以汽車所承擔(dān)的角色變得更加復(fù)雜。除了追求性能的同時，輕便美觀成為消費(fèi)者在購買汽車時是很看重的一個因素，有時甚至?xí)驗槠嚨耐庠谑嫘拿烙^而降低對于性能的標(biāo)準(zhǔn)。

而上文所提到的輕量化部件材料——玻纖維就可以在保證汽車基礎(chǔ)性能的同時，升級汽車的外觀。因為玻纖維密度小，易成形，可以替代汽車現(xiàn)有的非結(jié)構(gòu)部件。例如用輕量化復(fù)合材料制成的保險杠梁使得其承擔(dān)安全性能的同時，使其同時更加輕便美觀，減小磨損，這對于愛車人士來說是一件十分令人振奮的消息。因此，輕量化汽車零部件十分必要。

2.2 安全性與舒適性

首先，汽車車身輕量化可以將車體整體的中心向下偏移，使汽車底盤更穩(wěn)，大幅度提升了汽車操縱的穩(wěn)定性，使車輛運(yùn)轉(zhuǎn)更加安全，穩(wěn)定。通過碳纖維復(fù)合材料的替代使用，對于碰撞摩擦產(chǎn)生的能量進(jìn)行的吸收率是其他普通傳統(tǒng)運(yùn)用金屬的三四倍，可以降低產(chǎn)熱，從而保證汽車爆炸方面的安全進(jìn)一步完善和增強(qiáng)。同時，碳纖維復(fù)合材料以及玻纖維復(fù)合材料都具有相較傳統(tǒng)運(yùn)用金屬更高的疲勞強(qiáng)度，可達(dá)60～80%，使汽車運(yùn)用時效方面更具持久性和實效性。在汽車啟動時，不可避免的振動及摩擦在碳纖維的作用下振動阻尼可以有效減緩振動幅度并且減少振動時長，因此對于整車NVH的減少可增強(qiáng)行駛舒適性。

2.3 降低運(yùn)行阻力，減少牽引和制動需要的能量

汽車發(fā)動并快速運(yùn)行受到多方面因素影響。簡單來說，汽車運(yùn)行是發(fā)動機(jī)做功將產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成動能，克服與地面形成產(chǎn)生的摩擦力，多余的熱能以熱量的形式轉(zhuǎn)換。而要想節(jié)能減排，一方面要從汽車自身做功的功率來說，另一方面要從降低運(yùn)行主力來說。首先就是要提高制動做功的效率。這一點并不在今天輕量化汽車零部件的討論范圍之內(nèi)，因為這樣的新型解決措施不致力于提高動力，而在于減少阻力。

那么從另一方面來看，輕量化汽車零部件可以降低減少汽車自身重量。這作為物質(zhì)自身的屬性，質(zhì)量越大，所需讓其運(yùn)動的力就越大，同時，質(zhì)量越大，慣性越大，所以說用輕便的復(fù)合材料進(jìn)行替換。不僅可以減少自身重力帶來的更大的摩擦阻力，還可以同時減小車身慣性，保障安全，那么減小阻力，哪怕在不提高做工效率的情況下，也可以降低整體需要的能量，從而做到節(jié)能減排。

2.4 節(jié)能減排，降低污染

當(dāng)前我國機(jī)動車污染物排放量已超4 500萬噸。根據(jù)習(xí)近平總書記提出的科技強(qiáng)國，堅持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，節(jié)能環(huán)保已然成為全國乃至全世界的重要課題。因此，加速尋找道輕便、安全、穩(wěn)定、普遍的輕量化材料進(jìn)行更新?lián)Q代已經(jīng)迫在眉睫。

根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，每輛汽車每減輕自身重量的10%，燃油消耗可節(jié)省7%，如果用碳纖維股復(fù)合材料代替鋼材料，車體的重量就可減輕300 kg，燃油效率提高原來的36%，二氧化碳排放量也隨之減少。若減重20%～30%，每車每年二氧化碳的排放量就可以減少0.5噸，這樣一來，不僅降低了使用能量的成本，也可以使環(huán)境更加綠色環(huán)保，真正做到綠水青山就是金山銀山的長遠(yuǎn)發(fā)展理念。要發(fā)展，要向著更好的享受資源方向發(fā)展，更要向著長遠(yuǎn)持久的方向發(fā)展。而汽車部件輕量化就是必由之路。

3 輕量化汽車部件的改進(jìn)與發(fā)展

3.1 資源開發(fā)

碳纖維可以通過高分子有機(jī)纖維的固相碳化或者低分子烴類的氣相熱分解來制取。重點在于儀器的精確率，實際操作其實并沒有特別困難[4]。玻纖維也是普通的玻璃進(jìn)行水域加熱制成的。所以說這兩種具有代表意義并且相對來說應(yīng)用廣泛，具有大量開發(fā)的可實施性。

3.2 利用率

對于上文提到的新型輕量化汽車零部件的復(fù)合材料，碳纖維和玻纖維之前很長一段時間都被更多的應(yīng)用在極為精準(zhǔn)，要求極高的航空航天領(lǐng)域。從全國汽車制造材料應(yīng)用統(tǒng)計來看，2016年的復(fù)合材料總體占比不到10%，但是到了2017年，復(fù)合材料整體占比就有了明顯提升。可見不論是從更加安全舒適的角度來看，或者節(jié)能減排的方面來講，輕量化汽車零部件都是我們國家正在致力的任務(wù)和工作，因為這些復(fù)合原料的獲取方式還有待進(jìn)一步開發(fā)利用，現(xiàn)在我們也只是處于新型材料的初步發(fā)展階段，但是穩(wěn)步提升的利用率讓我們看到了輕量化汽車零部件發(fā)展的光明前景。

3.3 國際趨勢

作為歐洲汽車大國，傳統(tǒng)的汽車制造高水平國家，從近幾年的數(shù)據(jù)來看，輕量化汽車零部件的運(yùn)用可以看出，越來越多的替代了原來傳統(tǒng)的鋼材的使用。而同時作為汽車生產(chǎn)以及出口強(qiáng)國的日本也在近幾年，生產(chǎn)汽車總量中，發(fā)現(xiàn)了輕量化復(fù)合原料的身影，而且使用率也在逐年增加。所以說，為了節(jié)能減排，節(jié)約資源，堅持可持續(xù)發(fā)展，并且保證安全性和舒適性的各項要求，國際大趨勢已經(jīng)開始向著輕量化復(fù)合原料替代傳統(tǒng)鋼材料進(jìn)行轉(zhuǎn)型。不單單是我們國家，很多先進(jìn)的國家都正處于初步的探索階段，還需要不斷在摸索中完善。

4 結(jié)語

隨著世界科技的不斷進(jìn)步，人們越來越多的不僅僅停留在一味地追求發(fā)展，不論是20世紀(jì)的英國工業(yè)革命給人們帶來的經(jīng)驗教訓(xùn)還是近年來中國尋求發(fā)展時對地球造成的危害和創(chuàng)傷，都讓人們更深刻地感受到，要發(fā)展，而且要長久持續(xù)的健康發(fā)展。對于輕量化汽車部件的應(yīng)用來看，這是一個必然的發(fā)展趨勢。上文提到的資源來源，應(yīng)用優(yōu)勢和發(fā)展前景，詳盡地闡述了輕量化汽車部件的重要意義，我們在意識到這個問題之后，將會不斷地在發(fā)展中進(jìn)步，用探索推動更良性的發(fā)展。