汽车轻量化的发展现状及未来

关于汽车轻量化的发展现状及未来2汽车轻量化的意义节能减排是汽车工业发展的必然趋势

20世纪70年代的两次石油危机,促进汽车工业提高了燃油经济性。80年代中期以后，保护人类居住和赖以生存的环境又一次推动汽车工业提高燃油经济性和排放。

第2页,共37页，2024年2月25日，星期天3汽车轻量化的意义这些数据表明:汽车工业节能减排对于一个国家的能源供应和环境保护都具有重要的意义。

1990年以来中国石油消费的供应能源

汽车燃油在我国石油消费中的的增长情况第3页,共37页，2024年2月25日，星期天4汽车轻量化的概念汽车轻量化不能以简单的减重多少来衡量，必须与所设计车身的尺寸和功能相结合对于已有的功能可满足要求的汽车，轻量化的设计是降低重量而保持原功能不变，其轻量化的效果是直接的减重；现有功能尚不能全部满足要求或需要提升的汽车，轻量化设计是完善功能而保持质量不变；既要提高改进性能，同时也使汽车减重。

汽车轻量化设计实际上是功能改进，质量降低，结构优化和合理价格的结合。第4页,共37页，2024年2月25日，星期天5汽车轻量化的意义轻量化是实现节能减排的有效手段

研究表明,约75%的油耗与整车质量有关,降低汽车质量就可有效降低油耗以及排放。目前,大量研究表明,汽车质量每下降10%，油耗下降8%,排放下降4%。美国在欧洲全顺车的实验表明,在满足欧Ⅳ标准条件下,每百公里油耗Y与自重X满足以下关系Y=0.003X+3.3434(1)

对商用车的研究表明,汽车质量每减少1000kg,油耗可降低6%～7%。油耗的下降,意味着CO2,氮氧化物(NOx)等有害气体排放量的下降。据报道,在美国汽车质量如果减少25%,燃油消耗按减少13%计,一年可节省2.7亿桶石油,每消耗1L燃油,将产生CO22～2.5kg。因此燃油消耗的降低,就意味着温室气体和其他有害气体排放的下降。第5页,共37页，2024年2月25日，星期天6汽车轻量化的意义除空气动力学阻力之外,车子运动的各类阻力都和车子质量呈线性关系

各类车型的燃油效率与车身自重的关系

汽车自身质量对燃油消耗的影响诸多乘用车，车重减少100kg,每升油多行驶1km第6页,共37页，2024年2月25日，星期天7国内外汽车轻量化的发展现状国际汽车轻量化发展现状国内汽车轻量化发展现状第7页,共37页，2024年2月25日，星期天8国际汽车轻量化发展现状

自上世纪70年代以来，随着材料技术和制造技术的进步，汽车自身重量在逐年减少，以美国为例，上世纪80年代初，中型轿车的平均质量为1520KG；90年代初下降至1475KG；90年代末下降至1230KG；1985~1995年期间，轿车质量平均每年减少0.9%。20世纪末和本世纪初世界各国先后出现过百公里油耗3L的汽车，这类汽车的质量基本处在750~850KG之间，比现今同类车轻50%。1998年德国大众推出路波3LTDI，汽车自身质量只有800KG。奥迪公司开发全铝型轿车AuDiA2,汽车自身质量只有895~990KG。商用车的自身质量也在减少，以意大利依柯维商用车为例，2004年其驾驶室的质量已降为960KG，减少40%。第8页,共37页，2024年2月25日，星期天9国际汽车轻量化发展现状

美国总统奥巴马2009年5月公布了一项汽车节能减排计划，目标是到2016年，美国国内生产的客车和轻型卡车百公里耗油不超过6.62L，CO2排放量也比现有车辆减少1/3。这项计划2012年开始实施，将使美国在2012～2016年减少使用原油18亿桶，温室气体排放量将减少9亿吨。

欧洲和日本不仅在降耗减排方面推行了相关政策，而且对废旧车辆回收也作出了严格规定。如日本2001年规划由抛弃型进入循环型的社会发展模式，推行全回收或零废弃的观念。其实，2001年以前，日本已有相关法令推行绿色设计及绿色采购。第9页,共37页，2024年2月25日，星期天10*超级燃油效率概念车，燃油效率为2.7L/100k（CO271g/km）

主要汽车生产国轻量化与改善燃油效率值的策略

第10页,共37页，2024年2月25日，星期天11国际汽车轻量化发展现状

国际钢铁协会首先开展了超轻钢汽车车身UISAB项目，参加该项目的有来自5大洲18个国家的35家钢铁企业。该项目于1994年启动，1998年结束，主要目标是减小车身质量、提高结构强度、提高安全性、简化制造工艺及降低生产成本。

与UISAB相关的项目还有UISAC和UISAS两项目，前者是将高强度钢应用在汽车车身覆盖件上，后者是采用高强度和超高强度材料以及一些先进的制造技术来生产轻量、廉价和性能良好的悬架系统，目标是通过采用新的钢材及设计，将悬架质量减小20%。

国际钢协1998年3月开始在全球实施UISAB-AVC计划，该项目是从整体上研究开发新一代钢铁材料汽车结构（车身、覆盖件、悬架系统、发动机支架及所有与结构、安全相关的部件）。

世界各大铝业公司也结成了汽车铝材联盟，如美国汽车材料合作伙伴（USAMP）。

第11页,共37页，2024年2月25日，星期天12国内汽车轻量化发展现状

近年来,我国在汽车轻量化技术方面取得了不少成果。“九五”和“十五”期间,一批汽车新材料项目被列为国家“863”、“973”高新技术项目和国家科技攻关重大项目。促进了汽车轻量化技术的进步。

“九五”期间,我国进行了铝合金材料和铸件生产成套工艺技术的开发研究,开发出了多种铸造合金和高性能轴瓦材料：耐热铝合金、高强高韧铝合金、铝基复合材料等新材料的研究取得了较大进展。半固态成型、快速凝固等先进成型技术研究与应用也取得了突破。一汽等几大汽车生产厂家都有自己的铝合金铸造生产线；湖南大学也正在进行汽车大型铝合金结构件整体铸造成形技术和关键设备的研究；重庆汽车研究所、西南铝、东北大学和一汽都进行了铝合金板材的成形性研究。第12页,共37页，2024年2月25日，星期天13国内汽车轻量化发展现状

“十五”期间，我国将镁合金应用与开发列为材料领域重点项目,一汽、东风、长安等汽车企业建立了压铸镁合金生产线重庆汽车研究所在镁合金零件的性能测试、疲劳试验、计算机模拟等方面做了大量的工作：上海交大、湖南大学、重庆大学等高校就镁合金的强韧化、耐蚀性、阻燃性和抗高温蠕变性等开展了较深入的研究。

目前,国内汽车轻量化材料正在加速发展,车用高性能钢板、镁合金已在汽车上有所应用。如上海大众桑塔纳轿车变速器壳体采用镁合金。上世纪80年代,重庆汽车研究所就开展了双相钢研究；一汽轿车、奇瑞汽车公司也在轿车车身上进行了高强度钢板的初步应用试验。第13页,共37页，2024年2月25日，星期天14国内汽车轻量化发展现状

在汽车结构优化设计方面,国内已从主要依靠经验设计逐渐发展到应用有限元等现代设计方法进行静强度计算和分析阶段。目前出现了一批拥有自主知识产权的汽车车身模具开发技术，如湖南大学与上汽通用五菱在薄板冲压工艺与模具设计理论方面开展了较深入的研究；北京航空航天大学开发了CAD系统CAXA。并已经开展了客车轻量化技术的研究，利用有限元法和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计。以减少车身骨架、发动机和车身蒙皮的重量等。

目前，我国汽车轻量化技术无论在理论研究方面还是在实际应用方面与国外均有较大差距。没有明确定位、合理分工。基础研究和技术开发研究的有机衔接不够。企业规模小而分散。轻量化技术开发能力薄弱，研发人才短缺，工艺水平落后等问题都是我们不足的地方，需要我们一一去解决。第14页,共37页，2024年2月25日，星期天15汽车轻量化的主要途径新材料在汽车上的应用CAD/CAE在汽车结构设计上的应用结构小型化承载式车身在汽车上的应用先进特种成形工艺的应用第15页,共37页，2024年2月25日，星期天16轻金属在汽车上的应用

铝、镁、钛合金材料是所有现用金属材料中密度较低的轻金属材料(镁合金约1.74g/cm3,铝合金约2.7g/cm3，钛合金约4.51g/cm3。而钢的密度约7.8g/cm3），因而成为汽车减轻自重，提高节能性和环保性的首选材料。第16页,共37页，2024年2月25日，星期天17（1）苛刻的安全法规要求用提高汽车主动安全性和被动安全性的眼光来完善汽车的安全设计；（2）选用轻金属材料是节油和降低排放的重要方法；（3）选用轻金属材料是提高汽车动力性、舒适性和提高竞争力的方向选用轻金属材料的重要意义世界几种典型轿车用材比例%

因此，轻金属替代钢铁材料是汽车发展的重要方向。世界各大汽车公司都争相开发轻金属材料。第17页,共37页，2024年2月25日，星期天18铝及铝合金的特点比强度高弹性好导热性好易加工回收率高耐蚀性好耐磨密度小ρ=2.7g/cm3铝及铝合金第18页,共37页，2024年2月25日，星期天19

德国奥迪A8型高级轿车的整个车身均采用铝材制造，框架采用立体框架式结构，覆盖件为铝板冲压而成。这种铝车身与钢车身相比，质量减轻30-50%，油耗减低5-8%。奥迪2011款（全铝车身框架）

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德国大众先进的6.0LW12发动机采用的基本上都是铝镁合金，奥迪A8L6.0quattro轿车上因采用W12发动机，整车重量随之被降低到1980kg，低于所有其他车型。而W12引擎450马力、560Nm的强劲动力，使其单位马力需加速的重量仅为4.7kg，堪与高性能跑车相媲美。大众最先进的6.0LW12发动机第20页,共37页，2024年2月25日，星期天21北极星系列引擎是通用旗下除了LS引擎系列外最顶级的发动机，它是美国首款顶置凸轮轴的V8铝合金的引擎。它的汽缸套由全铝合金压铸而成。目前广泛应用于凯迪拉克上的4.6升发动机最大功率320马力，最大扭矩427Nm。而应用于高性能V系列的机械增压款更可高达476马力/606Nm。北极星V8发动机第21页,共37页，2024年2月25日，星期天22镁及镁合金的特点易加工资源丰富开采技术成熟回收率高、回收无污染比强度、比刚度高阻尼减震性能高镁及其合金第22页,共37页，2024年2月25日，星期天23

镁合金减速器外壳采用压铸的方法制造，具有重量轻，噪音低的优点。镁合金减速器外壳第23页,共37页，2024年2月25日，星期天24

轮毂刹车踏板支架第24页,共37页，2024年2月25日，星期天25钛合金

铝和不锈钢在近200℃会失去原有的力学性能，而钛合金在500℃左右仍能保持良好的力学性能；

在车用轻金属材料中，钛的强度可以达到与合金钢相当的高强度1500MPa，大大高于铝、镁合金；

钛合金具有优异的耐蚀性能，可在恶劣的工作环境下使用

因此钛合金将是替代钢铁的轻量化和高性能的材料，是最具有潜力的汽车用材料。第25页,共37页，2024年2月25日，星期天26钛及钛合金的特点密度小、比强度大可绿色回收易加工与钢材同样的设备工艺记忆功能用于车身方便复原屈强比值大高、低温力学性能好耐蚀性强不受路面盐类及废气的影响钛及其合金第26页,共37页，2024年2月25日，星期天27钛合金的应用在汽车上，钛可用于制造发动机气门、承座、气门弹簧、连杆、紧固件等

钛合金汽车连杆除了减轻重量外，还可提高使用性能，抗振、节约燃油。一般用于高档车中。兰博基尼-Diablo、法拉力-F355

、-360M

，-550M

、还有保时捷-911GT3等都采用钛合金来制造连杆。第27页,共37页，2024年2月25日，星期天28钛合金的应用

钛合金具有良好的高温力学性能和抗腐蚀性能，不亚于甚至超过了不锈钢的指标，所以，很适用于排气系统。而且其它轻合金元素无法用于排气系统，如果要在排气系统中减轻汽车重量，钛及其合金是唯一能够替代钢的新型轻质材料。目前钛合金排气系统主要应用于赛车、改装车或高档轿车中。钛合金排气系统第28页,共37页，2024年2月25日，星期天29钛合金应用障碍

价格昂贵是阻碍钛在汽车上应用的主要因素，钛制造厂商也正努力进行多方面降低成本的工作，相信在不远的将来会取得显著的成效。第29页,共37页，2024年2月25日，星期天30非金属材料的应用汽车中主要的非金属部件第30页,共37页，2024年2月25日，星期天31非金属材料的应用陶瓷材料其它纤维增强材料非金属材料橡胶材料工程塑料蜂窝夹层材料第31页,