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汽车轻量化论述

2017-02-22 admin

1.前言

近年来,汽车需求量的不断增长使得能源紧张和环境污染的问题日益突出,世界主要汽车生产国纷纷加快部署,将发展新能源汽车作为国家战略,大力发展和推广应用汽车节能技术。我国国务院于2012年6月印发了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012~2020年)》(国发[2012]22号)以促使缓解燃油供求矛盾、减少尾气排放,改善大气环境。其中明确了“以纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向,当前重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化,推广普及非插电式混合动力汽车、节能内燃机汽车,提升我国汽车产业整体技术水平”的技术路线,以达到技术水平大幅提高,新能源汽车、动力电池及关键零部件技术整体上达到国际先进水平,掌握混合动力、先进内燃机、高效变速器、汽车电子和轻量化材料等汽车节能关键核心技术,形成一批具有较强竞争力的节能与新能源汽车企业的目的。【1】

2.汽车轻量化的意义及要求

     据统计,2011年世界汽车产量达80,271,475辆,其中中国汽车产量达18,418,876辆,按每辆车平均排放200g/km,每年行驶3万公里,2011年世界汽车共排放4.8亿吨CO2 。据预测,至2016年世界汽车年产量将增加到1亿1千5百万台,而增加部分的一半将来自中国【2】。中国汽车的节能减排水平将对世界汽车排放总量产生重大影响。

有研究表明,汽车自重每减少10% ,燃油经济性改善 6-8%,排放量将降低5-6%,而燃油消耗每降低1L,CO2 排放量将降低2.45k【3】。由此可见汽车轻量化是实现节能减排的重要手段。

汽车的轻量化是指在保证汽车整车质量和性能不受影响的前提下,最大限度地减轻各零部件的质量,在降低燃油消耗、减少排放污染的同时,满足高输出功率、低噪声、低振动、良好的操纵性,以及高可靠性等综合指标。【4】

3.轻量化的现状

我国自主品牌轿车自重较国外同类产品重约8%-10% ,而在重量相当的情况下,自主品牌轿车安全性较国外同类差2~3 个等级。而商用车与进口汽车在轻量化方面差距更大:商用车自重较国外同类产品高约 10%~15%。据发改委汽车中长期对策研究中心的数据测算,我国平均单车年消耗石油2.5t,而美国为 1.6t,日本为 1.0t,欧洲为 1.1t。

鉴于国内汽车轻量化技术与世界水平的较大差距,主要汽车生产国轻量化与改善燃油效率值的策略以及汽车轻量化的发展趋势,中国汽车工程学会、中国第一汽车集团公司等单位于2007年12月成立汽车轻量化技术创新战略联盟,以期望达到车型轻量化、同时提高安全性能的目的。

汽车轻量化主要从三个方面来实现:1使用高性能轻质的新型材料,2采用现代先进的制造技术,3优化车身结构和零部件结构。

第一种方法使用多种轻质材料用于汽车制造工业,其中高强度钢的使用起到了显著效果,镁铝合金正逐步应用,同时塑料材料复合材料的应用也正在进行中。第二种方法先进制造工艺的应用则包括热压成型技术、激光拼焊板技术、RTM树脂传递模塑成型工艺等。第三种方法主要利用有限元法和优化设计进行结构分析和结构优化,以减轻车身结构和零部件结构质量。当然,以上三种轻量化措施并不是相互独立相互分离的,其实它们相互交织相互渗透,只有当所有轻量化措施有机结合才能获得最优效果。

作为汽车轻量化关键实施方法之一材料,宝钢、太钢已分别试生产出强塑积为20、30 GPa%的第三代高强度钢,目前国外在先进高强度钢和超高强度钢的工艺性能对产品性能的影响方面做了深入研究;在变形铝合金方面,国外着重研究预退火铝板的可成形性分析预测和高强度铝活塞材料的应用问题;在铸造铝合金方面,国外半固态铝合金已获得应用,新型变质过共晶铝硅合金也已用于制造轿车发动机无缸套过共晶铝硅合金气缸体上;长玻纤增强PP釜内合金的进气歧管也已开发成功,其他扩大应用工作也在展开,值得注意的是,碳纤维增强塑料在汽车上的应用已经开始.2010年欧洲车身会议上丰田公司介绍的Lexus跑车的CFRP客舱,其碳纤维增加塑料的用量占到白车身质量的65%)。

特殊组织相变控制的铸造技术已成功用于试制美国军用20、25英寸的车轮,并通过美方检验;碳纤维增强塑料加工方法的适应性,日本开发了可快速且低成本制造CFRP的技术,RTM(树脂传递模塑)成型工艺,RTM工艺可使高强度高刚性的热塑性CFRP快速成型。

2008年,梅赛德斯C级轿车四缸柴油发动机采用塑料油底壳(PA66 GF35),相比原始的铝合金油底壳,塑料油底壳有效的减重1.1㎏(减重60%),并且由于塑料模具的较低价格,以及无金属的后续加工,有效的使成本降低30%-40%。

2011年法兰克福车展上戴姆勒与巴斯夫共同展出概念车“SmartForvision”,此车采用全塑料轮毂,此种轮毂单件重6㎏,相较传统轮毂能有效减重3㎏,而车轮属于非簧上旋转质量,其减重效果可达18㎏。

4.我国汽车轻量化主要问题

    我国汽车轻量化技术在理论技术以及实际应用方面均存在较大差异,轻量化技术的发展也面临各种问题:首先,轻量化给供应商、主机厂的利益驱动不足,大部分变更除了CAE分析还需要大量的实验来验证其可靠性,而部分主机厂又不能提供有效的指导,同时轻量化不仅前期投入较大而且过程比较漫长,见效慢,使得部分厂家不愿意投入大量资金做前期研究,抱着有成熟应用跟风即可的心态;其次,轻量化技术需要运用多学科交叉融合所形成的综合性、系统性知识体系,它涉及众多学科的研究领域,而目前国内各研发机构往往只注重于单个技术的研发,很少开展各技术间的交叉、融合。

5.结束语

    作为有效的节能减排手段,汽车轻量化技术已经成为汽车工业发展的重要研究课题之一,轻质材料、优化设计和新制造技术等几方面,都有巨大的潜力有待发掘。

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