汽车轻量化：何以轻？以何轻？！

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在这个技术革新飞速的时代，构想的发生很少不成能，汽车的更新换代与我们的生活息息相关，汽车轻量化也在慢慢实现。汽车轻量化是指保证汽车强度战争安性能不受影响的情况下，经过先辈的设想方式、表面和结构改良、零部件替换或利用新材料最大限度的减轻整车重量，从而尽能够的进步汽车的动力性能，削减燃料消耗，下降排放净化。

何以轻

节能减排政策鞭策汽车轻量化

按照天下气象构造(WMO)公布公报，2015年全球二氧化碳均匀浓度初次达400ppm，而产业反动前该数值仅为280ppm。二氧化碳作为首要的温室效应气体，其首要来历是人类活动，而在各项人类活动中，交通工具二氧化碳排放量占据了五分之一。




图1 各项人类活动二氧化碳排放量占比

别的从重要的大气净化物PM2.5来历来看，上海市PM2.5来历中当地净化排放进献占64%-84%，均匀约为74%左右；当地排放源中，活动源占29.2%，产业生产占28.9%，燃煤占13.5%，扬尘占13.4%，还有农业生产、生物资熄灭、民用生活面源及自然源等其他源类占15.0%。活动源指的是车辆排放，扬尘的来历之一则是汽车路面行驶。

从1992年制定的欧一，到2014年公布的欧六，排放标准越发严厉。中国排放标准是基于欧洲标准制定的，由于国内汽车产业起步较晚，起头阶段较为宽松，近几年起头慢慢向欧洲标准跟进。达不到排放标准的产物将不得出售。




图2 列国历年排放标准

再来看列国的油耗计划，这张图是每千米二氧化碳排放量，以汽车内燃机均匀熄灭效力计较，和百千米油耗换算比为22.5:1，即到2020年我国汽车百千米均匀油耗将降至5.3L以下。




图3 列国历年油耗计划

在不影响汽车性能的情况下下降油耗的方式首要有以下三种：（1）提升内燃机热效力；（2）下降汽车行驶进程中的风阻；（3）车身轻量化。

涡轮增压技术大幅进步了内燃机效力，但越接近卡诺定律所规定热效力极限，追求技术上的冲破也就越困难，短期难有可以大幅提升内燃机熄灭效力的技术革新。一辆汽车以80km/h的速度行驶时，约有60%的阻力源于风阻，所以每个车型面世前都要经过工程师数百次点窜设想和上千小时的风洞实验，空气动力学性能几近被压榨到了极限。而进入到21世纪以来，新材料不竭面世和材料加工成型工艺的成长使得汽车轻量化成为了能够。

占有关研讨，一般情况下车重每减轻1kg，则1L的汽油可以使汽车多行驶0.011km。于此同时，汽车减重不但削减了油耗，也削减了二氧化碳排放量，车重如能削减一半，二氧化碳排放量就能削减13%。同时也削减了如氮化物、硫化物等其他有害物资的排放量。




图4 油耗与汽车质量 图5 排放量与汽车质量

以何轻

量产车轻量化的条件是建立在汽车的整体品格、性能和造价稳定甚至优化的根本之上的，所以即使减配可以有用减轻车重并进步车辆性能，也不能作为汽车轻量化的有用手段，而是要经过材料、工艺和结构的重新设想，来实现整车减重的方针。

设想才能提升和制造工艺进步

汽车分歧部位在行驶进程中的受力战争安要求分歧，工程师针对分歧部位停止钢材差别化的挑选，在力学性能要求高的部位选用高强度钢，而非加厚板材，在其他部位选用本钱较低的钢材起到根基的结构和覆盖功用。这样即有用控制了本钱，又减轻了车重。现在汽车生产用钢凡是被分为5-6个品级，分歧品级的搭配利用能使白车身减重25%，而白车身又占据了整车质量的1/4，仅仅该部分的优化潜力便可达上百千克。

金属成型方式首要分为铸造和铸造两种，铸造件轻易发生沙眼、气孔等缺点，而铸造件可使材料晶格排列整洁，晶粒细化，构造更致密，所以一般情况下铸造件力学性能要优于铸造件。但汽车零部件品种繁多，有些零部件外形复杂，受限于那时的技术水平，难以采用铸造工艺。随着金属加工成型工艺水平进步，复杂外形零部件也起头利用铸造工艺。更好地力学性能也就意味着更薄的结构和更轻的重量。以铝合金轮毂为例，要到达不异的力学性能，一组铸造轮毂要比铸造轮毂多出20%的重量。




图6 铸造件与铸造件对照图

焊接是车身装配进程中的一道首要工序，车身底板、车架、车顶、车门等部分城市采用焊接工艺。传统电阻焊是经过电流构成的电阻热融化焊件打仗面，经过压力使焊件毗连的方式，其技术特点决议了电阻焊在用于板材毗连时需留有翻边。而新的激光焊工艺可以经过激光束间接融化需焊接部位，省去了翻边，减轻了重量的同时也使外形更美妙，使车体密封性更好。




图7 激光焊与电阻焊对照图

别的借助CAD、CAE等软件和有限元模拟，汽车工程师可以方便的在计较机中对汽车停止设想和模拟，不必反复造样车拿去撞，然后回炉重新设想，大幅进步了设想效力，也便于设想师发现更多可以采纳蜂窝、镂空等轻量化设想的部位。

新材料的渗透

汽车轻量化的升级进程中，车体材料履历了钢材到镁、铝合金再到碳纤维的演变进程，越好的材料越轻质高强。但车身轻量化并不是新材料对原有材料的简单替换进程，简而言之，汽车生产厂商是要盈利的，本钱和性能的权衡也就成了量产车设想的主旋律。

一种材料假如能大范围的利用在量产车上，一定有生产范围化、品格稳定、本钱可控，加工性能优越的特点。铝合金和镁合金具有密度低、抗冲击性能好、加工性能良好等特点，起头慢慢替换汽车用钢材。以车身底盘零部件为例，铝合金利用在前后转向节中可使重量减轻40%，而镁合金用于车轮毂则可减重30%。




图8 单车用铝量图9单车用镁量

当前汽车用材中钢铁比重较大，其中绝大大都钢制零部件都可用铝、镁合金取代，包括策动机、轮毂、热交换器、车身、转向轴、变速器支架、悬架等。今朝铝合金在变速箱、轮毂、热交换器范畴渗透率较高，部分整车厂如捷豹等已经起头尝试多量量生产全铝车身，减重结果明显。而镁合金性能上虽然更优于铝合金，但由于其本钱和概况处置工艺的复杂性，在汽车中利用仍遭到极大限制。但随着各界在镁合金利用推行上不竭的尽力，未来汽车用镁量年均增加率将跨越20%。

以碳纤维和玻璃纤维作为增强体的复合材料凭仗其高强度、高弹性模量和远低于钢材和铝材的重量成为未来最理想的汽车轻量化材料。其比重不敷钢材的1/4，唯一铝合金的1/2，而抗拉强度却能到达钢材的7-9倍。今朝推行车用碳纤维最积极的厂商莫过于宝马，守旧估量它的车用碳纤维产能占全球总产能50%以上，在宝马

7系(参数|图片)、

i3(参数|图片)等车型上均能看到其身影。但由于其生产工艺尚不成熟，本钱太高，今朝在量产车中的利用还处于初步阶段，但相信未几后，这项利用一定会迈向成熟，提高推行。