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汽车轻量化设计Automobile lightening design for energy conservation and environmental protection课程名称：汽车节能与减排技术汽车轻量化设计与节能环保摘要：综述了汽车轻量化与节能环保的关系、轻量化的途径、轻量化面临的问题、轻量化的发展方向，强调了使用新型材料是实现汽车轻量化的有效措施之一。关键词：汽车轻量化；新材料；节能；环保Automobile lightening design for energy conservation and environmental protectionAbstract: The relationship between automobile lightening and energy conservation and environmental protection, the approaches and development direction of automobile lightening and the problems facing are summarized. The application of new type materials is considered to be the main approaches to achieve the automobile lightening.Keywords: automobile lightening; new type materials; energy conservation; environmental protection前言随着世界能源紧缺和环境污染问题日益加剧，对汽车的节能环保要求也越来越高。汽车轻量化成为汽车产业的发展方向之一，也是一个汽车厂商和国家技术先进程度的重要标志。轻量化早就成为我国汽车制造业的发展主题，在学习和时间科学发展观、强调汽车产业可持续发展的年代，面对节能环保要求和原材料价格上涨压力，加速汽车轻量化进程就越发显得迫在眉睫。汽车轻量化对节能减排的效果直接而显著，据国际权威部门统计，汽车燃料约60%消耗于汽车自重，汽车质量每减轻10%,可降低油耗6%8%。目前，考虑到汽车巨大的产量和保有量，这将大大降低能耗总量和环境压力。除此之外，汽车轻量化也有利于汽车的操控稳定性能的提升，减小振动，冲击和降低噪音，提高零部件的耐用性和安全性能。汽车轻量化实现途径和关键技术主要有以下几个方面：一是轻质材料的应用；二是结构轻量化设计与优化；三是新型制造工艺技术的使用。构成汽车的2万多个零件中，约86%是金属材料，且钢铁占了约80%，这表明通过材料的轻量化来减轻汽车自重有着巨大的潜力。汽车轻量化与节能环保汽车行驶时，汽车运动阻力所消耗的功率有滚动阻力功率、爬坡阻力功率、空气阻力功率和加速度阻力功率。用汽车功率平衡方程式表示：式(1)Pew=1TGfua3600+Giua3600+CDAua376140+mua3600dudt=mua3600Tfg+ig+dudt+CDAua76140T(1)式中，m为汽车质量；Ua为汽车速度；T为传动效果；f为滚动阻力系数；g为重力加速度；i为坡度；为旋转质量换算系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积。从式中可知，空气阻力主要与车身的形状、迎风面积等有关，并与速度的三次方成正比，但它与整车的总质量无关。而滚动阻力、爬坡阻力和加速阻力均与整车质量成正比。所以减轻自身质量，就减轻了整车总质量，从而就正比例地减少了上述3种阻力，也降低了能量消耗。世界铝业协会的报告指出，轿车质量每减少10%，燃油消耗可降低6%8%。对总质量1620t的载货汽车，每减重1000kg则可以降低油耗6%7%。油耗的降低，意味着汽车的排污量的降低。因此，减轻汽车的自重，对于电动汽车而言，是节能的最有效措施之一；而对于燃油汽车来说，是节能环保的最有效措施之一。轻质新材料的应用与汽车自重下降相对应的轻质材料所占的比例不断上升，高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料和复合材料的应用越加广泛。为了减轻车重，制造商正在限制钢材的使用，尽力寻求适合特定零部件的替代材料，汽车已成了复合材料的混合体。1 高强度钢车身与底盘轻量化的有效手段是采用具有高碰撞安全性的高强度材料，高强度钢对汽车轻量化的发展起着举足轻重的作用。当钢板厚度分别减小0.05mm、0.10mm和0.15mm时，车身的重量分别减轻6%、12%、18%。采用高强度钢板还可提高汽车车体的抗凹陷性、耐久强度和变形冲击强度。目前全球各国正在尽力开发各种高强度钢板、超高强度钢板，并加快其在汽车轻量化的应用步伐。如荣获国产中高级轿车“节能之王”的马自达睿翼，其高刚性轻量化车身采用了抗拉强度为590Mpa高强度钢板，以及780Mpa、980Mpa和1480Mpa超高强度钢板制成，使该车在国产2.0L、2.5L车型整备质量为最低，综合油耗也是同类车型中最少。2 铝合金铝合金的比重仅为钢的1/3，与其他材料相比，轻量化效果好、成本较低、耐腐蚀性、可回收利用，被广泛应用于发动机、传动系统、车身和底盘部件。铝合金分为铸件、锻件、板材和轧制件。戴姆勒Maybach和奔驰S级轿车V12发动机采用铝合金缸体后，缸体重量仅38kg。奥迪1.8L涡轮增压汽油机将灰铸铁缸体改成铝镁合金后，发动机整机质量从145kg降为122kg。采用全铝空间框架（ASF）结构的奥迪A8重量比同等车型钢制车身轻50%，其静态扭转刚度提升了60%。汽车工业使用的铝合金每年以6%的速度递增，欧洲制造的轿车平均车重1100kg，其中用铝85kg。预见未来10年，汽车重量中铝合金所占比例将比现在高一倍。3 镁合金镁合金比重为1.8，比铝还轻1/3，强度和刚性也较好，作为轻量化材料一直备受业界的关注。近年来，镁合金在座椅和仪表板骨架等大部件已进入实用化阶段。在镁合金中添加Ca和稀土元素，提高其耐热性，目前已开始应用在机油盘壳和变速器壳体上。除镁合金铸造工业外，锻造、挤压、轧制和焊接新工艺也处在研发中，研究成果将展出不穷。4 工程塑料塑料具有密度小、成型性好，耐腐蚀、防振、隔音隔热等特性，同时又具有金属钢板不具备的外观色泽和触感。近年来，其在汽车中用量迅速上升。工程塑料的应用已从汽车外饰件、内饰件扩展到包括发动机和底盘在内的结构件，仪表、电子电气和冷却系统，以及车身覆盖件等诸多零部件，并形成五大类，品种已超过1000个汽车材料体系。工程塑料的用量已成为衡量现代工业发展的重要标志之一。发达国家每辆汽车的工程塑料用量已达300kg（占整车质量为20%）。随着汽车轻量化技术的发展，预计到2030年，将达500kg。丰田的1ZZ-FE发动机，经极为严格的轻量化设计，包括采用塑料进气歧管等各种轻量化零件，发动机仅重96kg，丰田称它为全球同排量发动机中最轻一款。5 复合材料由于汽车轻量化对节能减排的卓越贡献，由此引发了各种轻量化材料的开发和应用的推陈出新。其中树脂基复合材料和碳素纤维增强复合材料的应用已成研发热点。6 树脂基复合材料树脂基复合材料具有投资成本低、设计自由度大、轻质高强度、耐腐蚀等特点。特别在小批量生产的车型领域已成为欧美汽车产商开发新车型的首选材料。目前，树脂基复合材料作为汽车车身的覆盖件在设计和制造工艺等方面均已成熟，并已向内饰件、结构件方向发展。7 碳素纤维复合材料碳素纤维复合材料（CFRPCarbon Fibre Reinforced Plastics）作为21世纪的新材料，因其高强度、高弹性模量和低比重性能，适用于制造车身、底盘等主要结构件的轻质材料。用CFRP制造的车身和底盘可减重40-60%，相当于钢结构重量1/3-1/6。当前，由于CFRP成本过高，仅在F1赛车、高级轿车和小批量车型上有所应用。如丰田1/X混合动力车车身骨架采用了CFRP，保险杠、前后挡泥板、散热器支架以及燃油箱均采用树脂材料，使车重降为700kg，创2.7L/100km超低油耗纪录。CFRP还因其环保、耐磨等特点也应用于制动盘上，如法拉利F430装备的碳纤维陶瓷制动盘。英国Kahm公司使用CFRP制造RX-X高级轿车专用车轮，仅重6kg。德国车轮制造专家Wheel and More 推出的碳纤维车轮系列，比同尺寸的铝车轮还轻30%。马自达RX-8传动轴也采用碳纤维材料制成，既保证了强度，也降低了重量。汽车轻量化面临的问题汽车轻量化面临的主要问题有2个：新材料成本与车辆的安全。对大量轿车碰撞事故的统计数据进行分析，结果表明，1、2两辆车正面碰撞后的乘员死亡比例R1/R2与车辆的自身质量存在如下经验关系 R1/R2 = (m2/m1)3.58 (2)式中，R1、R2分别为车1、车2的死亡人数，m1、m2分别为车1、车2的质量。由（2）式可知，两辆车正面碰撞后，轻车的死亡人数远多于重车的死亡人数。当轻车质量小于重车10%、20%时，其死亡人数将分别高于重车的45.8%和122%，可见轻量化会使汽车的安全性能大大下降。为了显著提高车辆的安全性，轿车车身采用了动静态屈服强度比高的高强度钢、冲击能量吸收率高的轻合金以及结构泡沫等新材料。结构泡沫是一种泡沫材料，常用聚氨酯、环氧树脂和尼龙/玻璃纤维复合材料等作基材。目前结构泡沫材料被作为加强内衬，广泛用于轿车车架中的某些关键部位。实验表明，结构泡沫可显著增加车身的刚度，能吸收更多的冲击能量。轻量化的发展趋势汽车轻量化目前一般是通过合理的结构设计和发动机、变速器、悬架、车身及其他附件等使用轻质材料的方式来实现。目前最为普遍的是使用高强度钢来作为汽车轻量化的措施。研究表明，采用高强度钢板在相同强度设计条件下可以减少板厚及重量，同时还提高了汽车车体的抗凹陷性、耐久强度和冲击安全性。未来，碳纤维材料或将引领汽车“瘦身革命”.为达到极致轻量化，不少汽车厂家在汽车的制造和改装过程中开始尝试大量应用碳纤维增强复合材料。其实，碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，抗拉强度却达到钢的7-9倍，以其制造的汽车可以节约燃油30%。碳纤维最初只应用于军事、航空航天等高科技领域，随着近年来碳纤维行业的逐步发展，才慢慢向汽车以及其他民用领域扩展。目前，阻碍碳纤维在汽车领域商品化的关键因素是制造成本。不过，随着碳纤维行业的不断成熟与发展，以及节能减排和汽车轻量化大方向的指引，碳纤维材料或成汽车界“瘦身革命”的领导者。可以预见，碳纤维轻量车身必将掀起一股新的变革潮流，一个新的市场突破点正在形成。轻量化技术无论对传统汽车，还是新能源车都是一项基础的共性技术，它不但关系汽车安全、节