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發布(bù)時間:2025-12-18 14:05:57 浏(liu)覽次數(shu):
1 前(qián)言
“國六(liù)”排放标(biao)準即将(jiāng)正式實(shi)施,汽車(chē)輕量化(huà)的發展(zhan)越來越(yue)緊迫,傳(chuan)統鋼材(cai)已經不(bú)能滿足(zú)汽車的(de)質量要(yao)求,各種(zhong)輕量化(huà)材料在(zài)汽車中(zhōng)所占比(bi)例逐漸(jiàn)增長。随(sui)着現代(dai)汽車對(dui)強度和(he)輕量化(huà)要求不(bú)斷提高(gao),輕量化(huà)材料的(de)研發🔆和(hé)選用顯(xian)得至關(guan)重♌要,本(běn)文通過(guo)分析輕(qīng)量化材(cai)料的應(yīng)用途徑(jìng)及現狀(zhuàng),闡述了(le)輕量化(huà)材料發(fa)展所面(miàn)臨的挑(tiao)戰,并提(tí)出了解(jiě)決方案(àn)。
有(you)研究驗(yan)證了,汽(qì)車每減(jiǎn)輕0.1t,最多(duo)可節約(yuē)燃油0.6L/100km,并(bìng)且💃可減(jiǎn)👣少CO2排放(fàng)11g/100km[1],大量的(de)研究都(dōu)證明汽(qi)車輕量(liàng)化對于(yú)⭐降低燃(rán)油汽車(chē)油耗、滿(mǎn)足節能(neng)環保要(yào)求有很(hen)重要的(de)作用。
徐(xu)建全等(deng)[2]對純電(diàn)動汽車(chē)的輕量(liàng)化效果(guo)進行分(fen)析,證明(ming)了輕量(liang)化不僅(jǐn)可以節(jie)約能源(yuán),還可以(yǐ)在電池(chi)🐆容量相(xiang)同的條(tiáo)件下增(zeng)加汽車(che)的續航(hang)裏程,延(yán)長電池(chi)壽命。由(yóu)此可♍見(jian),電動👅汽(qi)車的輕(qing)量化在(zai)提高電(diàn)動汽車(che)性能方(fāng)面也有(you)很重要(yao)的作用(yong)。此外💘,減(jiǎn)少汽車(che)🚶♀️的質量(liàng)還可以(yǐ)減輕懸(xuan)挂系統(tǒng)的負擔(dān),減小汽(qì)車慣性(xing)[3],對車輛(liang)起到保(bǎo)護作用(yòng)。
3 輕量化(hua)材料的(de)應用
如(ru)圖1所示(shì),福特的(de)新輕型(xing)汽車通(tōng)過使用(yòng)碳纖維(wéi)油底殼(ke)、鋁制🏃🏻連(lián)杆、尼龍(lóng)複合材(cái)料儀表(biao)盤、聚碳(tàn)酸酯後(hou)車窗✉️、碳(tàn)纖維車(chē)輪毂等(děng),使車重(zhong)減少了(le)25%。下面将(jiāng)對目前(qian)常用🤟的(de)輕量化(huà)材料進(jìn)行介紹(shào)。
圖1 汽車(chē)輕量化(hua)的途徑(jing)
3.1 有色合(he)金材料(liào)
3.1.1 鋁合金(jin)的應用(yong)
鋁合金(jīn)早在1899年(nian)便在汽(qi)車中應(yīng)用,到了(le)20世紀90年(nián)代以🌈讴(ou)歌👄NSX爲首(shou)的超級(jí)跑車在(zài)汽車制(zhi)造中使(shi)用鋁。全(quan)球第一(yi)輛具有(you)全🙇🏻鋁車(chē)身的汽(qi)車是奧(ao)迪于1994年(nian)開發的(de)🔴,如圖2所(suo)示,其AFS白(bai)車身所(suo)用材料(liào)幾乎全(quan)⭐是鋁材(cai),比上一(yī)代白車(chē)🧑🏾🤝🧑🏼身減重(zhòng)近35kg。
圖2 Audi A8 D3車(chē)身
2000年奧(ào)迪公司(sī)推出的(de)奧迪A2,首(shou)次實現(xiàn)了全鋁(lü)車身技(ji)術💛在🌈微(wēi)型轎車(chē)上的應(yīng)用,其ASF車(chē)身是A8之(zhi)後的第(di)二代鋁(lü)制空間(jiān)🌈車架,具(jù)有‼️質量(liang)輕、強度(du)大的優(you)點。此外(wai)還有特(tè)斯拉、路(lu)虎、捷豹(bao)等國外(wai)品牌在(zài)汽車中(zhong)大量使(shi)用鋁合(hé)金⭐,獲得(de)了良好(hao)的減重(zhòng)效果,如(rú)2019年上市(shi)的新😄款(kuǎn)特斯拉(la)Model S通過大(da)量應用(yòng)⚽鋁合金(jīn),減輕💋了(le)整車質(zhi)量,使其(qí)最長續(xu)航裏程(cheng)可達660km。我(wo)國也逐(zhú)漸将全(quan)鋁車身(shēn)應用于(yú)新❤️能源(yuan)汽車的(de)制造,2016年(nián)南甯💁市(shi)有18輛全(quán)鋁車身(shen)新能源(yuan)公交車(che)投入使(shǐ)用。除全(quán)鋁車身(shen)外,用鋁(lǚ)導💚線大(dà)規模代(dai)替銅導(dǎo)線,可将(jiāng)導線質(zhi)量降低(di)60%以上,并(bing)㊙️且減少(shao)成本40%~50%[4]。鋁(lü)具有良(liang)好的延(yan)展性,使(shǐ)其🌈能有(you)效緩👄解(jiě)汽車碰(pèng)撞時帶(dai)來的沖(chòng)擊,所以(yǐ)鋁合金(jin)保險杠(gang)的耐撞(zhuang)性優于(yu)鋼制保(bao)險杠🌈。
據(ju)相關統(tǒng)計表明(ming)[5],全球平(píng)均用鋁(lü)量逐年(nian)攀升,預(yu)計到2050年(nian)平均汽(qi)車用鋁(lü)量将達(dá)到240kg/輛,目(mu)前中國(guó)汽車平(ping)均用鋁(lü)量約爲(wei)153kg/輛,是2050年(nian)平均用(yòng)鋁的64%,不(bu)論是與(yǔ)發達國(guo)家平🏒均(jun)用鋁水(shuǐ)平還是(shì)我國長(zhǎng)期的發(fa)展目标(biao)都有很(hen)大差距(jù),因此,鋁(lü)合金在(zài)汽🆚車上(shàng)的使用(yong)仍有很(hen)大的提(ti)升空間(jiān)。
鋁合金(jin)雖然具(ju)有輕量(liàng)化、成型(xíng)性高的(de)特點,但(dàn)其應用(yong)也🔞受到(dào)一些限(xian)制。首先(xiān),鋁合金(jin)的高強(qiang)度是比(bǐ)強💚度,即(ji)強度與(yǔ)密度的(de)比值,但(dàn)相比于(yú)傳統的(de)鋼材,鋁(lǚ)😄及鋁合(hé)金的強(qiáng)度和硬(ying)度都比(bǐ)較低,在(zài)保證汽(qì)車的安(ān)全性上(shang)具有一(yi)定♊挑戰(zhan)。其次✨,鋁(lü)及鋁合(he)金的産(chǎn)量相比(bi)于傳統(tong)鋼材也(ye)有很大(dà)差距,并(bing)且暫時(shi)沒有超(chao)過鋼材(cai)的可能(néng)。最後,鋁(lü)的價格(ge)比傳統(tong)鋼材高(gao)☀️,而且鋁(lü)材在汽(qi)車行業(yè)應用的(de)興起有(yǒu)可🏃♀️能造(zào)成鋁價(jià)的進一(yī)步上升(sheng),在一定(dìng)程度上(shang)也會影(yǐng)響鋁材(cái)的應用(yong)‼️。
3.1.2 鎂合金(jīn)的應用(yong)
鎂合金(jin)在汽車(chē)上的應(yīng)用最早(zǎo)可追溯(sù)到1930年的(de)德國,其(qi)用量僅(jǐn)有73.8kg。1938年大(da)衆生産(chǎn)的“大衆(zhōng)1型”轎車(che)使用了(le)壓鑄鎂(mei)合金制(zhi)造傳動(dong)系統的(de)零部件(jiàn)[6]。鎂合金(jin)汽車座(zuò)椅也是(shì)較早的(de)鎂合金(jīn)汽車零(líng)部件之(zhī)一,鎂合(hé)金的座(zuò)椅靠背(bèi)和座框(kuàng)相🚶♀️比于(yú)鋼制座(zuo)椅可以(yi)分别減(jiǎn)重⛹🏻♀️47.7%和44.2%。在(zài)乘用車(chē)中,福特(tè)探險者(zhe)的第三(sān)排座椅(yǐ)靠背就(jiù)應用了(le)壓鑄鎂(měi)合金零(líng)部件。除(chú)了座椅(yǐ)骨架之(zhi)外,座椅(yi)的支撐(chēng)❗支架也(yě)可以使(shi)用鎂合(he)金,可以(yǐ)在滿足(zu)座椅🔅高(gāo)度需求(qiu)的同時(shí)減重,座(zuo)椅舒适(shì)性也可(kě)以相應(ying)提升。
得(de)益于其(qí)良好的(de)電磁屏(píng)蔽性能(neng)和高比(bǐ)強度、高(gāo)阻尼能(neng)力,鎂合(he)金在很(hen)多領域(yu)都體現(xian)出比鋁(lǚ)和鋼更(gèng)好的使(shi)用性能(néng),在汽車(che)領🈲域的(de)應用也(ye)越來越(yuè)廣泛,如(ru)方向盤(pan)、汽缸蓋(gài)、發動機(jī)缸體、門(men)框、進氣(qi)歧管以(yǐ)及各零(ling)部件安(ān)裝所需(xu)的螺釘(dìng),都可以(yi)使用鎂(měi)合金進(jin)行制造(zao)。
現在,我(wo)國汽車(chē)的用鎂(mei)量爲1.5kg/輛(liang),而北美(mei)爲3.8kg/輛,日(ri)本爲♉9.3kg/輛(liang)🏃🏻♂️,雖然與(yǔ)🌈這兩個(ge)國家有(yǒu)一定差(cha)距,但根(gen)據《節能(néng)與新能(néng)源汽車(chē)技術路(lù)線圖》,到(dao)2025年我國(guo)每輛車(chē)使用鎂(měi)合金要(yao)達到25kg,并(bing)逐步縮(suō)小與發(fā)達國家(jiā)的差距(jù)。
雖然鎂(měi)具有很(hěn)多優點(dian),但其價(jia)格是鋁(lǚ)的2~3倍,鋼(gāng)鐵的㊙️4倍(bèi)左右⭐,比(bi)較昂貴(gui),随着技(ji)術的發(fā)展,低成(chéng)本鎂合(hé)金會逐(zhu)漸研發(fa)使用[7]。此(cǐ)外,随着(zhe)鎂合金(jin)回收再(zai)利用技(ji)術的發(fā)展以及(jí)環保要(yào)求的提(tí)♊高,鎂在(zài)㊙️汽車領(ling)域的發(fa)展形勢(shì)🔞值得被(bei)特殊關(guan)注。
钛有(you)三大優(yōu)點,分别(bie)是“輕”、“高(gao)強”、“不鏽(xiu)”。作爲輕(qing)金屬材(cái)料在🔴汽(qì)車行業(ye)受到很(hen)多研究(jiū)者的關(guān)注[8]。
全钛(tài)汽車最(zui)早是由(you)美國通(tong)用公司(sī)在1956年研(yan)發成功(gong)的“火鳥(niao)Ⅱ”型汽車(che),但由于(yu)钛及钛(tài)合金價(jià)格昂貴(gui),所以在(zai)汽🔞車領(lǐng)域的應(ying)用⛹🏻♀️一直(zhí)受限。20世(shi)紀50年代(dài)日本開(kāi)始研制(zhì)钛及钛(tài)合金的(de)汽車零(líng)件,20世紀(jì)60年代,钛(tai)被應用(yòng)于賽車(chē)發動機(ji),直到20世(shì)紀末钛(tai)及钛合(hé)金♌才随(suí)着豪☎️華(huá)轎車的(de)發展得(de)到大量(liang)應用[16],之(zhi)後随着(zhe)低成本(běn)钛合金(jīn)的出現(xian)和發展(zhan),钛合金(jīn)開始廣(guang)泛應用(yong)于普通(tōng)♋汽車的(de)制🈲造中(zhōng)。
有研究(jiū)證實,20kg的(de)鋼制汽(qì)車動力(li)閥零件(jiàn)與0.8kg的钛(tài)合金零(ling)🤟件具有(yǒu)相同的(de)效果,但(dan)其質量(liàng)減低了(le)96%。用钛合(he)金🐪制作(zuo)🔴汽車發(fa)動機氣(qi)門可😄以(yi)減重30%~40%并(bìng)提高最(zuì)高轉速(su)[7]。對于減(jian)♉震系統(tǒng),有研究(jiū)表明用(yòng)钛合金(jīn)彈簧完(wan)全代替(tì)原來的(de)鋼彈簧(huang)在諸多(duo)方面來(lái)說都是(shì)可行的(de),可🔱使重(zhong)量減輕(qing)🤞43.3%。
钛及钛(tài)合金在(zai)排氣系(xi)統中比(bi)較常用(yong),用钛制(zhi)消音器(qi)代替不(bú)鏽鋼消(xiao)音器可(kě)以減重(zhong)40%左右,雪(xue)佛蘭克(ke)爾維特(tè)Z06成功實(shí)現此替(ti)🏃♂️代,保⚽證(zheng)在系統(tǒng)強度不(bú)變的情(qing)況下,使(shǐ)質量更(gèng)輕,車速(su)更快且(qie)節約燃(ran)🈲料[7]。還有(you)研究表(biao)明,若将(jiang)某1500kg的中(zhōng)型轎車(chē)中所🌈有(yǒu)傳統零(ling)件替換(huàn)成💋钛合(hé)金零件(jian),整車質(zhi)量将減(jiǎn)少500kg左右(yòu),這🍉也就(jiù)可以大(da)幅降低(dī)油耗。
目(mù)前我國(guo)已擁有(you)生産钛(tài)及钛合(he)金的能(néng)力,但由(you)于钛合(he)金價格(gé)高,對工(gōng)藝參數(shù)敏感,所(suo)以钛合(he)金在汽(qi)車零部(bù)件中的(de)👅應用一(yi)直受到(dao)限制。钛(tai)合金流(liú)動性🔞差(chà),鑄件中(zhong)易形成(chéng)鑄造缺(que)陷,因此(ci)對钛合(he)金鑄造(zao)、加工所(suo)需設備(bèi)和條件(jiàn)⛷️的要求(qiú)較高,這(zhè)是钛合(hé)金零部(bu)件不受(shòu)汽車🌐廠(chǎng)商青睐(lài)的重要(yào)原因之(zhi)一。随着(zhe)我國科(kē)技水平(píng)的迅速(su)提升,钛(tài)及钛合(he)金的研(yán)發飽受(shòu)關注,必(bi)使钛合(he)金朝着(zhe)低成本(běn),高質量(liàng)發展。而(ér)且柳寶(bǎo)元[9]通過(guo)實驗證(zhèng)明,钛合(he)金粉末(mò)的力學(xue)性能與(yu)粉末循(xún)環次數(shu)沒有任(rèn)何明顯(xian)的關系(xi),從側面(miàn)佐證了(le)钛🔅合金(jīn)材料的(de)回收利(li)用是可(kě)以實現(xian)的,并💛且(qie)循環利(lì)用次數(shù)不會顯(xiǎn)著影響(xiang)钛合💃🏻金(jīn)材料的(de)性能。未(wei)來,钛及(ji)钛合金(jin)在汽車(che)領域的(de)廣泛利(li)🐆用值得(dé)期待。
3.2 高(gāo)強度鋼(gang)的應用(yong)
國際鋼(gang)鐵協會(hui)汽車鋼(gāng)聯盟在(zài)1994年開展(zhǎn)的ULSAB計劃(hua),1997年開展(zhan)的ULSAC、ULSAS計劃(huà)和1998年的(de)ULSAB-AVC計劃,都(dou)實現了(le)用先進(jìn)高強度(dù)鋼代替(ti)普通🈲低(dī)碳🌐鋼,在(zai)不增加(jia)成本的(de)基礎上(shang)爲車身(shen)減重。
在(zài)我國,2001年(nian)奇瑞汽(qì)車公司(si)與寶鋼(gāng)的合作(zuo),實現了(le)在試制(zhì)樣車✊上(shang)😍使用46%的(de)高強度(du)鋼闆,對(duì)減重起(qi)到了很(hěn)大的作(zuò)用。2003年,重(zhong)汽将🏃🏻高(gao)強度鋼(gāng)廣泛應(ying)用于車(che)架的輕(qīng)量化發(fa)展,成功(gōng)研制了(le)高強度(du)鋼單層(céng)梁車架(jia),并實現(xiàn)量産。
圖3 新一(yī)代高強(qiang)度鋼在(zài)車身上(shàng)的應用(yòng)[3]
高強度(dù)鋼作爲(wèi)目前汽(qì)車的主(zhu)要輕量(liàng)化材料(liao),其強塑(su)🈲積(強👌度(du)與📐塑性(xing)的乘積(jī))不能完(wan)美配合(he),是所面(miàn)臨的一(yi)大難題(tí),強度越(yuè)高,塑🤩韌(rèn)性越差(cha),當抗拉(la)強度超(chāo)過1400MPa時,高(gao)強度鋼(gang)極易發(fa)生疲勞(lao)破壞[10]。2010年(nián),我國成(cheng)功研⭐發(fa)第3代先(xian)進汽車(chē)用鋼,主(zhu)要包🐇括(kuò)Q&P鋼、中Mn-TRIP鋼(gang)以及無(wú)碳㊙️化物(wù)貝氏體(ti)鋼,相比(bǐ)于前兩(liang)代汽車(chē)鋼⭕,第3代(dai)汽車鋼(gang)具有高(gao)強度、輕(qing)量化、低(dī)成本的(de)優點,而(er)且在塑(sù)性和韌(rèn)性方面(mian)均有一(yi)定的提(ti)升[11],從而(ér)受到諸(zhu)多關注(zhù),目前我(wo)對國第(dì)3代汽車(chē)用高強(qiáng)度鋼的(de)研究處(chù)于世界(jiè)🚶♀️前列。
高(gao)強度鋼(gang)與鎂合(hé)金、钛合(he)金應用(yòng)中高成(cheng)本的困(kun)擾不🏒同(tong),高強度(dù)鋼面臨(lin)的問題(tí)是具有(yǒu)高強塑(su)積的汽(qi)車鋼闆(pan)新材料(liao)、新工藝(yi)的📱研發(fā),以及在(zài)高強鋼(gang)加工過(guo)程中的(de)問題,如(ru)回彈。回(hui)彈量随(suí)初始屈(qu)服強度(du)的增大(da)而增大(dà),這将影(yǐng)響高強(qiang)度鋼的(de)成形質(zhì)量,增加(jia)加工難(nan)度。爲克(ke)服回彈(dan)現象,保(bǎo)證汽車(che)車身及(ji)零部♉件(jian)形狀精(jing)度,還需(xū)要不斷(duan)進行回(hui)彈控制(zhi)技術的(de)研🏒究[12]。
3.3 塑(sù)料和複(fu)合材料(liao)的應用(yong)
汽車塑(sù)料化是(shi)當今汽(qì)車制造(zào)的一大(dà)趨勢。車(che)用塑料(liào)♋質量輕(qing)、強度高(gāo),隻有普(pu)通鋼材(cái)重量的(de)15%~20%,比木材(cai)更輕,對(duì)汽車輕(qīng)量⛱️化有(yǒu)極大的(de)促進作(zuo)用。
20世紀(jì)70年代,塑(su)料使用(yong)量占汽(qì)車總質(zhi)量的比(bi)例爲2%~3%,到(dào)20世紀90年(nián)代提💃🏻升(sheng)至7%~9%。2007年,一(yī)款由法(fa)國研發(fa)人員研(yán)發的♻️名(míng)爲“歡樂(lè)‼️敞篷🈲”的(de)全塑料(liao)🔅汽車在(zài)英國上(shang)市,整車(chē)隻有370kg,僅(jǐn)爲普通(tōng)汽車的(de)三分之(zhī)一。不久(jiu)前🔞日本(ben)的旭化(huà)成公司(si)新開發(fā)了一種(zhǒng)聚酰胺(an)泡沫塑(sù)料,這種(zhǒng)泡沫塑(su)料具有(yǒu)極🚩好的(de)耐熱性(xìng)、耐油性(xìng)、剛性🔴和(hé)降噪質(zhi)量✨,在汽(qi)車的内(nèi)飾、車頂(ding)、發動機(jī)、座椅和(hé)地闆結(jie)構中都(dou)可以應(yīng)用,在減(jian)重降噪(zào)方面有(yǒu)很好的(de)效果。
複(fú)合材料(liào)具有比(bǐ)強度和(hé)比模量(liang)高、密度(dù)小,質量(liang)輕、強度(dù)高、安全(quan)等級高(gao)等優點(diǎn),是汽車(chē)輕量化(hua)的理想(xiǎng)❗材料。碳(tan)纖維複(fú)合材料(liào)可以使(shi)車身、底(di)盤減重(zhong)50%以上。用(yong)碳纖維(wéi)複合材(cai)料所制(zhì)的闆簧(huang)與傳⛱️統(tong)材料相(xiàng)比減重(zhòng)76%,使用碳(tan)纖維發(fā)動機罩(zhào)可使發(fā)動機減(jian)重6kg以上(shàng)[13]。以寶馬(mǎ)i8車身結(jie)構爲例(lì),它在車(chē)身底盤(pan)(Drive)采用的(de)是金屬(shu)結構,但(dan)在乘員(yuan)艙(Life)使用(yong)了CFRP碳纖(xiān)維增強(qiang)複合材(cái)料,兼顧(gù)了強💋度(du)與輕量(liàng)化。
目前(qian)碳纖維(wei)複合材(cai)料的應(ying)用面臨(lin)兩大障(zhàng)礙,其一(yī)是制造(zào)成本♋,例(li)如以碳(tàn)纖維爲(wei)框架的(de)座椅成(cheng)本是鋼(gang)材框架(jià)的6倍之(zhī)高,使其(qí)無法大(da)量應用(yong)于汽車(che);其二是(shi)時間成(cheng)本,用鋼(gang)隻需1分(fen)鍾的就(jiu)能制造(zào)完成的(de)💰零件用(yong)碳㊙️纖維(wei)需要5分(fèn)鍾,若進(jìn)行大量(liàng)生💃🏻産耗(hao)費的👈時(shi)間則會(huì)成倍增(zēng)長,這無(wú)疑又增(zeng)加了🐪碳(tan)纖維複(fu)合材料(liào)的應用(yòng)難🐆度。
從(cóng)2017年發布(bu)的《節能(néng)與新能(neng)源汽車(che)技術路(lù)線圖》的(de)要求🛀🏻來(lai)🤞看,到2030年(nián),碳纖維(wei)的使用(yòng)量要達(da)到汽車(chē)總重的(de)5%,并且碳(tàn)纖維的(de)🍉成本也(yě)需要大(da)幅度降(jiang)低。
3.4 精細(xi)陶瓷的(de)應用
4 結論(lùn)
汽車輕(qīng)量化的(de)材料随(suí)着科技(ji)的進步(bu)呈現出(chu)多元化(hua)🈲的發☀️展(zhan)趨勢,在(zai)質量、強(qiáng)度和剛(gang)度要求(qiú)不斷提(tí)高的前(qian)提下汽(qì)車🌈輕量(liang)化的道(dào)路充滿(mǎn)機遇和(hé)挑戰。輕(qīng)量化材(cai)料在汽(qì)車上的(de)使用會(huì)🔞趨向于(yú)通過多(duo)種材📱料(liao)的組合(he)來彌補(bu)使用單(dan)一材料(liao)帶來的(de)㊙️缺陷。改(gǎi)善🏃🏻♂️材料(liao)的性能(néng),降低材(cai)料的成(chéng)本以及(jí)提高材(cái)料的回(huí)🔱收利用(yòng)率必将(jiang)爲各種(zhǒng)汽車輕(qing)⭐量化材(cai)料的發(fā)🍉展提供(gong)無限可(ke)能。
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