轻量化汽车的技术发展与未来

轻量化汽车的技术发展与未来

发展铝车身的战略意义1.安全、节能、液压等综合材料的使用目前，世界汽车业处于材料革命的前沿。轻量化已经成为世界各国汽车制造商最新核心竞争力的体现,是全球制造技术第四次革命的代表之一。轿车车身轻量化是节能汽车的第一关键领域,轿车车身质量约占整车的40%,约60%的油耗是用在车身质量上的,车身的轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用。轻量化正成为21世纪全球汽车技术的前沿和热点。与10年前相比,国外汽车自重平均减轻20%~26%。如,美国1976年每车用铝合金仅39kg,1982年达到62kg,1998年上升至100kg,2010年再上升至145kg。而欧洲2010年达到146kg。在最近投放的一些先进车型中,钢铁材料的比例降低。例如奥迪A2钢材的比例仅为34%,轻质材料则高达52%;日本本田NSX全车用铝材达到31.3%。欧洲铝协(EAA)预测,2015年欧洲小汽车用铝量将增至300kg/辆,比2010年增长三倍多;而福特提出要在2020年前实现铝合金和钢在车身上的用量大致相等的目标。据杜克公司(Duker)调查,2009年有67款汽车(欧洲49款、日本18款)的铝合金用量达到182kg/辆。2002年,全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成形部件,车身零件数量从50个减至29个,车身框架完全闭合。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%,还使车重减少50%。英国捷豹XK更是将铝合金技术与轻量化优势发挥到极致,不仅车身零件总数从5189个降至2761个,车身刚性也提高了48%。2.汽车排放量迅速攀升,汽车外来参数迅速增加(1)我国原油进口依赖度持续攀升我国原油进口依赖度从2001年的30%攀升到2011年的56%,首次超过美国居世界第一。据预测,2020年和2030年原油进口依赖度将分别达到64%和74%。同时,2009年中国车用汽油消费量6260万t,占汽油总量的87%。(2)为应对日益严峻的环境压力,汽车排放标准迅速提高2009年,中国政府在联合国气候变化峰会上承诺,争取到2020年单位GDPCO2排放比2005年下降40%~45%。而交通运输是温室气体排放的主要领域之一,实行机动车排放总量控制,是履行国际承诺的重要行动。但我国2011年氮氧化物排放量不降反升5.73%,使得“十二五”头年的排放总量减排计划没有实现,特别是京津冀、长三角、珠三角区域的问题非常严重。为此,汽车排放标准迅速提高。我国2008年实施了汽车尾气国Ⅲ排放法规,2011年出台了国Ⅳ排放法规,预计今年出台国Ⅴ排放标准,而国Ⅵ排放标准也在制定中。(3)我国汽车保有量、人均拥有量迅速攀升2011年中国汽车保有量突破1亿辆(10578万辆),增长16.4%。据预测,2020年将达到2亿辆。汽车重量每减轻10%,最多可实现节油8%。据报道,美国汽车质量如果减少25%,燃油消耗减少13%,按美国目前汽车保有量2.5亿辆计,一年可节省27亿桶石油。同时,我国人均汽车拥有量迅速向世界平均水平靠近。2007年中国汽车千人保有量只有34辆,2011年迅速上升至78辆,据预测,2020年将攀升至170辆,超过世界千人保有量120辆的平均值。3.汽车油路能耗2010年4月,美国公布了新的汽车燃油经济性标准,其中规定,截至2016年,汽车百公里平均油耗要达到6.6L/100km,到2025年达到4.18L/100km;欧洲2015年要求下降到4.47L/100km;日本2015年要求下降到5.70L/100km(见图1)。我国汽车现行平均油耗为8.06L/100km,要求2015年乘用车平均耗油降至6.9L/100km,节能型乘用车油耗降至5.9L/100km以下。到2020年再降至5.0L/100km,节能型乘用车降至4.5L/100km以下;商用车新车耗油量接近国际先进水平。这就是说,八年内,节能型乘用车油耗要下降约一半。为了达到这个目标,一方面要大力发展节能发动机和变速器,另一方面是发展汽车轻量化技术。4.汽车用铝回收汽车铝合金密度小,仅为钢铁材料1/3左右;强度高,具有一定的延展性、可塑性、加工工艺性能,可铸造、锻造、焊接、轧制、冲压成形;具有良好的抗蚀性,可以生成致密的氧化膜,即使在酸性介质中也具有良好的耐蚀性;具有高弹性变形性能,碰撞吸能效果好。铝又是绿色环保材料,可循环回收。国家发改委、科技部和环保总局明确提出,从2010年起,汽车生产厂商要承担汽车回收的责任。到2017年,我国所有国产及进口汽车的可回收利用率将达到95%左右。新规定将极大推动铝在汽车行业的应用。汽车用铝的90%可以循环利用。采用回收铝生产的汽车零件耗能,是用原铝耗能的1/6~1/7。另据计算,汽车使用期内,多用1kg铝,轿车、载重汽车、公交客车分别减少CO2排放20kg、28kg和45kg。同时,我国铝资源丰富,产量占全球1/3。近年,汽车用铝材需求巨大,如图2所示。中国汽车的铝合金车身应采用“三委合作”战略和“节能环保车”战略1.汽车零部件铝合成体系经过几十年发展,我国汽车铝合金零部件发展较快。特别是用于发动机、传动机构、转向系统、制动器、行走系零部件及各种附件等的铝铸件比较发达;铝合金轮毂成为出口第一的汽车零部件。但是作为铝合金应用主体的铝合金车身,开发滞后,与国际差距巨大,正在成为国内近年热点。2.完善我国汽车制造发展的中长期发展规划(1)必须尽快改变汽车铝合金板材依赖进口局面由于依赖进口,目前汽车铝材价格昂贵,汽车覆盖件6011、6016铝合金板3.8万元/t,而钢板仅0.8万元/t。国家《新材料“十二五”规划》提出,发展汽车用6016、6022、6111铝合金板材,实现厚度0.7~2.0mm、宽幅1600~2300mm汽车铝合金板的产业化。只有完成这个规划,才能实现我国汽车材料向铝合金转型。(2)加快研发铝合金制造技术及装备,形成铝合金车身制造的“四大工艺”。(3)全球汽车业正处于材料革命的前夜铝合金汽车属于新材料产业,又涉及节能和新能源汽车的发展。其发展,须采用“顶层设计,系统规划”原则。首先,制定我国汽车材料替换的中长期发展规划。在各国轿车发展中、长期计划中,以中型轿车为例,美国规定整车质量为1000kg以下,西欧规定为800kg以下;研讨铝合金汽车制造技术与装备的内涵和技术内容,科学部署科技发展计划;探讨汽车领域的可能应用,规划材料、工艺及装备协同发展,尽早奠定产业化基础。《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》的发布,大大加快了铝合金的应用。预计至2020年,新能源、新材料、新能源汽车等新兴产业成为国民经济先导产业,年均增长率保持在20%以上。建议将重大铝合金汽车制造技术与装备列入国家重大科技专项,国家重大科技支撑项目;将重大铝合金汽车制造装备列入国家《重大技术装备自主创新指导目录》;建立汽车铝合金制造技术国家实验室;建立汽车铝合金制造技术创新平台。3.将现代汽车作为产品,发展“红旗中国”由于电动汽车续航能力不足,近年国内车企纷纷开发铝合金车身以减轻质量。其中上海汽车公司研发的铝合金电动汽车质量达到1100kg,东风汽车计划年产5万辆铝合金电动汽车尤为引人注目。国际经验表明,节能汽车特别是高级轿车是铝合金汽车的主体。目前,德国奥迪公司已将A8技术扩展至大众公司的全系列高端轿车,包括保时捷轿车;2012年捷豹轿车销售量上升90%,主要是轻量化的轿车。2012年9月,机械科学研究院组团参加了在英国举办的低碳车辆国际会议,看到的高端轿车已经全部采用铝合金。我国发展铝合金汽车,也应该将自主品牌高级轿车作为铝合金车身主要发展目标。特别是作为中国政府用车的红旗轿车,开发节能减排的新一代轻量化红旗高级轿车,具有重要经济和政治示范意义。如果“十三五”末期能够建立年产20万台全铝轿车生产线,按照平均每辆汽车减重300kg,寿命周期内可以节省3000L汽油;每使用1kg铝,轿车寿命期内减少20kg尾气计算,则可节省燃油43万t,减少CO2排放120万t,相当于180万亩森林一年的CO2吸收量。同时,应注重铝合金半挂车开发。目前中国半挂车保有量约300万辆,虽然仅占汽车总保有量约3%,但其燃油消耗量却占到汽车总消耗量的25%以上。如果中国铝制挂车应用比例达到发达国家目前70%的水平(210万辆),则年可节约燃油900万t以上,减少CO2排放量约2717万t,并为交通运输行业带来2000亿元以上的节油和增收双向效益。中国汽车制造的技术路线1.全铝+过滤材料的链条式长丝结构汽车车身轻量化是一个系统工程,实现汽车车身轻量化有两个途径:一是材料减重,二是结构减重。必须采取材料替换与结构改进相结合的方法,才能在保证车身强度、刚度、模态、疲劳、碰撞安全性、抗振抗冲击性能满足设计与使用要求的前提下,最大限度地减轻汽车整体质量。铝车身基本形式是由多种复杂断面铝合金挤压型材构成空间框架,压铸铝件作为空间框架节点的联接,车身覆盖件由铝合金板冲压加工制造,部分承重覆盖件的加强板也采用挤压铝型材,覆盖件与框架的连接是通过冲压铆钉铆接完成,形成结构性很强的整体。全铝车身框架结构(ASF)是奥迪公司的一项核心技术(见图3),在这一领域他们进行了长达20年的研究和开发。其车身框架由铸造和液压成型的铝材组合而成,包括22%的挤压成形铝合金件、35%的铝合金铸造件、35%的铝合金板材,其中车身框架的链接件多为铝合金铸件。实现了结构设计和制造技术的一体化。而由于主管科技创新的部门分割,不能够同时支持硬件和软件创新,目前