第一篇：油罐車的罐體輕量化技術(shù)的應(yīng)用（共）

油罐車的罐體輕量化技術(shù)的應(yīng)用

包海濤 范欽滿 王軍

淮陰工學(xué)院交通工程系

江蘇淮安 223003

摘要：簡要介紹了目前汽車輕量化技術(shù)的背景和意義，闡述了油罐車罐體實(shí)施輕量化的基本要求和途徑，最后通過實(shí)例說明油罐車罐體輕量化研究是可行的，為油罐車輕量化的研究提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：油罐車 罐體 輕量化

1研究的背景和意義

所謂汽車輕量化，就是采用科學(xué)方法和手段對汽車產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在確保汽車綜合性能指標(biāo)的前提下，通過使用新型材料，盡可能降低汽車產(chǎn)品自身重量，達(dá)到減重、降耗、環(huán)保、安全的綜合目標(biāo)。研究表明，汽車所用燃料約60%消耗于汽車自重，汽車的質(zhì)量每減輕100 kg，每公里的燃油消耗將減少0.4 L～0.8 L，CO2排放量也將減少。燃油效率提高，意味著降低汽車的耗油量和排污量，改善人類生存環(huán)境。同時(shí)汽車輕量化也提高了車輛性能，在同樣的輸出功率下，較輕的車對于發(fā)動機(jī)來說就是較輕的負(fù)載，汽車的操控穩(wěn)定性也有所提高。所以減少汽車車體重量對降低發(fā)動機(jī)的功耗和減少汽車總重量具有雙重的效應(yīng)。

國家標(biāo)準(zhǔn)對汽車的設(shè)計(jì)進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，特別是軸荷和總質(zhì)量的限制。對于油罐車而言，罐體自重占整車重量比例較大，減輕罐體的重量已成為企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。由于鋁的比重約為鋼的1/3，鋁合金被公認(rèn)是汽車輕量化的理想材料。近年來，在歐美發(fā)達(dá)國家，使用鋁合金制作的液罐車已非常普遍。而在我國通常使用鋼板制作罐體。由于鋼罐體自重很大，無形中加大了燃油的消耗，使得運(yùn)輸成本大大提高。鋁合金除了重量輕之外，它還具有優(yōu)良的抗腐蝕性。與同樣用鋼做成的部件相比，用鋁及鋁合金制成的部件再利用價(jià)值更高。95%的鋁合金都能實(shí)現(xiàn)再利用。如果使用鋁合金制作油罐車的罐體，可大大降低車輛的自重，節(jié)約燃油，減少能源的浪費(fèi)。2 實(shí)現(xiàn)油罐車罐體輕量化的途徑

實(shí)現(xiàn)油罐車罐體輕量化的途徑一般有兩種：一是從結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)入手，通過有限元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)法對現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)罐體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在保證承載能力和可靠性的前提下減輕其質(zhì)量；二是從材料入手，通過采用輕材料或現(xiàn)代復(fù)合材料等低密度材料替代現(xiàn)有的鋼材料，達(dá)到罐體輕量化的目的。2.1 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代汽車制造工業(yè)中，CAD/CAE/CAM技術(shù)涵蓋了汽車設(shè)計(jì)和制造的各個(gè)環(huán)節(jié)。運(yùn)用該技術(shù)可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)車身的結(jié)構(gòu)和布局設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對汽車零部件的整體化和輕質(zhì)化，實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計(jì)、制造。近幾年來，我國在壓力容器新產(chǎn)品的開發(fā)中已成功地應(yīng)用了ANSYS有限元分析軟件。

實(shí)現(xiàn)汽車輕量化合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常有三種方法：一是通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小車身骨架、車身鋼板的質(zhì)量，優(yōu)化后對車身強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，確保汽車在滿足性能要求的前提下降低自重；二是通過結(jié)構(gòu)的小型化，促進(jìn)汽車輕量化，主要通過其主要功能部件在同等使用性能不變的情況下，縮小結(jié)構(gòu)尺寸；三是采取運(yùn)動結(jié)構(gòu)方式的變化來達(dá)到目的，如采取發(fā)動機(jī)前置、前輪驅(qū)動等使結(jié)構(gòu)更緊湊，采取發(fā)動機(jī)后置、后輪驅(qū)動使整車或局部結(jié)構(gòu)變小。2.2 輕質(zhì)材料

目前國內(nèi)外汽車應(yīng)用較多的輕質(zhì)材料有鋁合金、鎂合金、高強(qiáng)度鋼、塑料及復(fù)合材料等。

研發(fā)輕質(zhì)高強(qiáng)度汽車用鋼材，已經(jīng)成為降低汽車車身自重，減少汽車耗能和尾氣排放有效的根本性控制方式。

鋁是最早用于汽車制造的輕質(zhì)金屬材料，也是結(jié)構(gòu)材料中最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用、最具競爭力的汽車用輕金屬材料。從生產(chǎn)成本、零件質(zhì)量、材料利用率等方面，鋁合金具有多種優(yōu)勢，如密度較小，用其替代傳統(tǒng)鋼鐵，可減小整車重量的30%～40%。回收率高，僅次于鋼鐵，目前可達(dá)87%，符合環(huán)保要求。它還具有優(yōu)良的抗腐蝕性、壓力加工和鑄造加工性，也為專用汽車生產(chǎn)企業(yè)所認(rèn)可。

綜上所述，采用輕質(zhì)材料輕量化的效果明顯，減重幅度較大，但具有研發(fā)成本高，工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)；而采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成本低、容易實(shí)現(xiàn)，但輕量化的效果一般不顯著。應(yīng)用實(shí)例

我校與某公司合作開發(fā)出新油罐車，通過對油罐車的罐體選用鋁合金輕質(zhì)材料，使用ANSYS軟件進(jìn)行分析，滿足強(qiáng)度和剛度要求。在罐體產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)開發(fā)中，主要考慮二方面：罐體外殼能承受一定外壓，通過調(diào)整加強(qiáng)圈的數(shù)量和尺寸，減小壁厚；容器的設(shè)計(jì)，在防波板的結(jié)構(gòu)、安裝的位置及改變材料等方面進(jìn)行優(yōu)化。

該車達(dá)到的主要性能指標(biāo)：鋁合金油罐車在能實(shí)現(xiàn)輕量化的基礎(chǔ)上，油罐的防腐性能與不銹鋼罐相當(dāng)，罐身的強(qiáng)度在優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上滿足要求。通過可靠性道路試驗(yàn)和罐體密封性試驗(yàn)。鋁合金油罐車，應(yīng)用鋁合金來制作罐體，不僅大大減輕整車質(zhì)量，原來采用鋼制作的罐體重量為8 850 kg，現(xiàn)在用鋁合金制作的罐體只有7 570 kg。這樣每行駛百公里可節(jié)約燃油4 L以上。在提高汽車動力性的同時(shí)，污染物排放比原來減少10%以上。該技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先，與歐美國家技術(shù)持平。該車售價(jià)為26萬，第一批50輛該車已完成出口。

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作者簡介：包海濤，男，1969年生，講師，車輛工程專業(yè)碩士研究生，主要從事機(jī)械基礎(chǔ)、流體力學(xué)和車輛設(shè)計(jì)等方面的研究?；痦?xiàng)目：淮安市科技局項(xiàng)目（HAG06006）

第二篇：輕量化在汽車上的應(yīng)用

輕量化在汽車上的應(yīng)用

一、輕量化”是新能源汽車發(fā)展方向之一

■ 輕量化是新能源汽車發(fā)展方向

汽車輕量化設(shè)計(jì)，不僅帶來油耗降低，更能促進(jìn)綜合性能的全面提升。科技部部長萬鋼強(qiáng)調(diào)了“輕量化”是中國電動汽車的發(fā)展方向之一。

德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)與能源部委托德國工程師協(xié)會（VDI）編制的2015年《德國輕量化現(xiàn)狀盤點(diǎn)》研究報(bào)告中指出，輕量化對汽車制造業(yè)等許多行業(yè)意義深遠(yuǎn)，它決定了德國工業(yè)在未來的全球市場中是否能以創(chuàng)新、高能效和資源節(jié)約型的產(chǎn)品取得統(tǒng)治地位。

研究表明，在市區(qū)的運(yùn)行工況下，平均車重1600kg的電動車如果減重20%，能量消耗可以減少15%。如果采用增加電池來增加行駛里程，成本往往會非常高。

有關(guān)專家認(rèn)為，在電池技術(shù)短期內(nèi)難有重大突破的情況下，電動汽車迫切需要采用輕量化技術(shù)來降低重量，以減輕電池增重的壓力。

■ 新能源汽車輕量化設(shè)計(jì)有多種趨勢

新能源汽車企業(yè)正在做輕量化設(shè)計(jì)，北汽、長安走在前列，奇瑞、江淮、吉利等也都非常重視。目前正在探討新能源汽車輕量化的路線，比如，整車包括車身輕量化、全新架構(gòu)底盤輕量化、電池系統(tǒng)輕量化以及車身內(nèi)外飾與電子電器等；材料方面包括復(fù)合材料及成形工藝、輕質(zhì)鋁合金及成形工藝、高強(qiáng)度鋼及成形工藝、輕質(zhì)鎂合金及成形工藝等。

未來新能源汽車輕量化將車身高強(qiáng)鋼化和全鋁車身兩條路線并行，2020年先進(jìn)高強(qiáng)鋼比例達(dá)到國際先進(jìn)水平和應(yīng)用全鋁車身。

汽車車身輕量化的發(fā)展趨勢是混合多材料設(shè)計(jì)。碳纖維混合材料車身不僅能夠承重，而且更安全。至于目前存在的成本高問題，碳纖維成本居高不下，主要是工藝成本高，未來批量生產(chǎn)，成本有望下降。

汽車對材料的成本要求很高，因此碳纖維在汽車輕量化中的應(yīng)用，首先要解決成本問題。

■ 仍有問題急需解決

相比傳統(tǒng)汽車，新能源汽車車身結(jié)構(gòu)不一樣，高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金在新能源汽車上應(yīng)用較多。由于新能源汽車是未來發(fā)展趨勢，國家十分重視其輕量化。

與傳統(tǒng)節(jié)能汽車的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有所區(qū)別的是，新能源汽車的輕量化技術(shù)手段、電動汽車整車重量、續(xù)航能力與重量設(shè)計(jì)都需要重新研究。需根據(jù)不同車型，設(shè)計(jì)輕量化方案，這是企業(yè)所面臨的重要挑戰(zhàn)之一。

碳纖維復(fù)合材料NVH（減振降噪）水平如何提高是輕量化設(shè)計(jì)過程中所面臨的挑戰(zhàn)和問題。隨著輕量化技術(shù)應(yīng)用越來越多，多材料的輕量化技術(shù)路徑成為必然的趨勢，因而連接技術(shù)也成為輕量化技術(shù)應(yīng)用過程中的重點(diǎn)技術(shù)。

新能源汽車輕量化設(shè)計(jì)需要開發(fā)高集成度的電動一體化底盤產(chǎn)品技術(shù)，高度集成電池系統(tǒng)、高效高集成電驅(qū)動總成、主動懸架系統(tǒng)、線控轉(zhuǎn)向/制動系統(tǒng)、集成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整車操縱穩(wěn)定性、電池組安全防護(hù)、底盤系統(tǒng)的輕量化研究應(yīng)用。新能源汽車企業(yè)也需要系統(tǒng)規(guī)劃，圍繞整車輕量化開展整車輕量化目標(biāo)制定，分解和組織行業(yè)資源針對輕量化應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。

二、專用汽車輕量化制作采用鋁合金材料的優(yōu)勢

目前在專用汽車上應(yīng)用較多的輕量化材料有鋁合金、鎂合金、高強(qiáng)度鋼、塑料及復(fù)合材料等。各大汽車公司都已經(jīng)將采用這些輕量化材料的多少作為衡量汽車生產(chǎn)技術(shù)和新材料開發(fā)水平是否領(lǐng)先的重要標(biāo)志。

鋁合金：與鋼相比，鋁合金具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、易于加工等特點(diǎn)，但成本較高，是近20年來在載貨汽車上使用最多的輕量化材料。

鎂合金：與鋼鐵相比，鎂合金密度小，易于加工，壓鑄經(jīng)濟(jì)，其最大的特點(diǎn)是阻尼減振性和抗凹性好。鎂合金在上世紀(jì)40年代就被一些公司采用。鎂合金在應(yīng)用上比鋁合金發(fā)展慢，主要原因是其鑄造性差、后處理工藝復(fù)雜、成本較高。當(dāng)前世界上每輛汽車的鎂合金平均用量僅2.4KG。隨著研制材料技術(shù)水平的提高，其應(yīng)用速度不斷加快。

塑料及復(fù)合材料：汽車塑料制品一般分為內(nèi)飾件、外飾件和功能件等，目前世界主要汽車用塑料件的內(nèi)飾化已基本完成。玻璃纖維增強(qiáng)塑料等新產(chǎn)品已隨著新技術(shù)的成熟而逐步擴(kuò)大應(yīng)用，主要用于車身內(nèi)裝件和功能件。

高鋼度鋼：在輕量化材料中，與鋁合金、塑料相比，高強(qiáng)度鋼具有以下特點(diǎn)。價(jià)格低，基本上可以利用原有生產(chǎn)線；其彈性模量高、剛性好、耐沖擊性好及較高的疲勞強(qiáng)度，有些高強(qiáng)度鋼的抗拉強(qiáng)度為普通鋼的2～3倍；耐腐性差。

相比之下，鋁合金在專用汽車輕量化新材料中更加具有以下優(yōu)勢：

1、整備質(zhì)量低。鋁的密度低，只有2.7g/cm3，是同體積鋼的1/3重量。鋁合金材料在運(yùn)輸車上的應(yīng)用，極大的減輕了其自重。如御捷馬公司生產(chǎn)的13m鉚接式鋁合金廂式半掛車，與同類鋼制材料半掛車相比自重減輕約3t，一個(gè)45m3的鋁制半掛罐車，其自重可以減輕5t多。

2、耐腐蝕、壽命長。鋁合金具有較好的耐腐蝕性。用鋁合金制造的(廂)罐體，內(nèi)部不需要涂任何防護(hù)層就可以運(yùn)輸各種液體和貨物，從而保證了油品的清潔，減少了對貨物的污染。根據(jù)歐美國家的經(jīng)驗(yàn)，一般鋁合金運(yùn)輸車輛的壽命周期一般在1520年，比普通鋼制車輛壽命長510年。同時(shí)，由于鋁合金耐腐蝕性好，可長期保持表面美觀，車輛實(shí)際使用和維護(hù)成本較低。而普通鋼制材料車輛特別是拉煤半掛車，新車投入使用不久，就會出現(xiàn)銹蝕“溜黃湯”現(xiàn)象，每年審驗(yàn)時(shí)都要做噴漆整容處理，增加了使用維護(hù)成本，還給環(huán)境造成一定的污染。

3、燃油經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)歐洲鋁業(yè)協(xié)會有關(guān)的研究報(bào)告，車輛每輕100kg，百公里油耗可降低0.6L，每節(jié)約1L燃油可減少CO2排放2.3kg。如果一部運(yùn)輸車減重3t，年行駛12萬km，按一半的空載里程計(jì)算，每年可節(jié)省燃油10800L，可減少CO2排放量24.84t，充分顯現(xiàn)出對能源的節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的優(yōu)勢。

4、有效承載增加經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)我國頒發(fā)的道路安全法規(guī)定，交通運(yùn)輸車輛車貨總質(zhì)量不得超過55t。為了取得更好的經(jīng)濟(jì)效益，車輛輕量化，增加有效承載能力尤其重要。假如一輛運(yùn)輸車輛將自身減輕的3t重量，有效的轉(zhuǎn)化為增加了3t貨物，每年還是按12萬km計(jì)算，按噸公里運(yùn)輸成本0.5元，可為用戶增加收入90000元/年，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

5、回收價(jià)值高。由于鋁合金具有較高的耐腐蝕性，在車輛達(dá)到強(qiáng)制報(bào)廢年限，車體并沒有很大的損傷，車體回收價(jià)值是原鋁的85%以上。也就是說，一輛鋁合金罐式運(yùn)輸車如果用鋁材料5t，車輛報(bào)廢回收至少可達(dá)8萬元，具有較高的再利用附加值。而普通鋼制運(yùn)輸車，車輛強(qiáng)制報(bào)廢后，由于材料的耐腐蝕程度差，其車輛殘值和再利用價(jià)值很低。

6、加工工藝成熟。鋁合金也是除鋼鐵之外第二大廣泛應(yīng)用的金屬，加工工藝已經(jīng)日趨成熟。MIG、TIG、電阻焊等焊接方法都可以用來焊接鋁合金。同時(shí)，鋁合金也可以進(jìn)行彎曲、沖壓和深拉加工。易于鉚接工藝手段加工，強(qiáng)度和承載能力優(yōu)于碳鋼材料。

二、鋁合金專用汽車產(chǎn)品系列及其特點(diǎn)

鋁合金專用汽車產(chǎn)品主要有：鋁合金廂式運(yùn)輸半掛車、鋁合金翼開啟廂式運(yùn)輸車、鋁合金化工罐式車及冷藏保溫車等系列產(chǎn)品。鋁合金專用汽車造型美觀，耐腐蝕，壽命長。

1、鉚接鋁合金廂式車產(chǎn)品特點(diǎn)。無縱梁承載式車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；采用鉚接工藝制作；廂體選用鋁合金板材，耐腐蝕，壽命長；頂板為半透明玻璃鋼板；采用空氣懸架和無內(nèi)胎輪胎。

2、鋁合金廂式車產(chǎn)品設(shè)計(jì)特點(diǎn)。上、下邊梁：采用高強(qiáng)度鋁合金擠壓成型材料。車身及外蒙皮：均采用鋁合金材料，外蒙皮選用高強(qiáng)度預(yù)涂漆鋁合金板，省去了現(xiàn)場的噴漆工序，有效的保護(hù)了現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境和員工的身體健康。車頂：頂弓為鋁合金或高強(qiáng)度熱鍍鋅型材，設(shè)計(jì)為封閉結(jié)構(gòu)，具有防下沉特性；頂蒙皮為整張半透明玻璃板，便于廂內(nèi)采光，節(jié)約能源。行走部分：選用空氣懸架，無內(nèi)胎真空胎，運(yùn)輸過程中可以有效的降低對貨物、輪胎、公路路面和車輛部件的損傷。整車：充分體現(xiàn)了重量輕、節(jié)能環(huán)保、材料可回收在利用的優(yōu)勢。

3、鋁合金翼開啟廂式車產(chǎn)品特點(diǎn)。側(cè)欄板為鋁合金型材，插鉚接工藝制作；側(cè)翼選用鋁合金瓦楞板；側(cè)翼可開啟約90°，裝卸效率高；手動或遙控液壓控制，操作方便。

4、鋁合金罐式運(yùn)輸車產(chǎn)品特點(diǎn)。擁有國內(nèi)先進(jìn)的罐體成型工藝裝備和焊接生產(chǎn)線，選用優(yōu)質(zhì)鋁合金材料焊接而成。罐體全部采用高強(qiáng)度鋁合金板焊接而成；罐體附件均使用鋁合金材料；整備質(zhì)量低，比同類罐車輕約2t；耐腐蝕，壽命長；罐體內(nèi)部清潔度高。

5、冷藏保溫車產(chǎn)品特點(diǎn)。廂體采用德國技術(shù)和生產(chǎn)工藝，選用高性能硬質(zhì)聚氨酯保溫板，經(jīng)過復(fù)合熱壓成型，板內(nèi)無任何金屬骨架，整體強(qiáng)度高、保溫性能好。廂體包邊、頂角均采用用鋁合金型材；廂內(nèi)可選裝鋁合金導(dǎo)軌和通風(fēng)槽；整備質(zhì)量輕，48英尺冷藏半掛車比同類產(chǎn)品輕2.8t。輕型冷藏車和微型保溫車則作為短途分配性運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ叨玫娇焖俚陌l(fā)展。廂體結(jié)構(gòu)向合理化方向發(fā)展，新材料將會不斷的被利用。主要是聚氨酯發(fā)泡材料和鋁板，體現(xiàn)了冷藏保溫汽車所用材料的輕量化。

以上鋁合金運(yùn)輸車輛，從產(chǎn)品的制造結(jié)構(gòu)形式來分，主要分為鉚接式和焊接式兩大類。一是鉚接式：以廂式車為主，包括翼開啟廂式車、鋁合金廂式半掛車等。此類車輛根據(jù)車型的不同，所采用鋁合金材料的比例也不盡相同，低的30%～40%，高的可達(dá)70%～80%。二是焊接式：以罐式車、半掛車為主，包括單車罐、半掛罐車、普通半掛車等。此類車輛制作主要以焊接形式為主，所采用鋁合金材料的比例較高，部分產(chǎn)品所用原材料中鋁合金所占比例可達(dá)90%以上。

雖然目前鋁合金罐車進(jìn)入市場的數(shù)量還不是太多，但已初步得到了用戶的接受，部分企業(yè)還拿到了國內(nèi)外客戶的小批量訂單。從目前罐式車的需求形勢看，鋁合金罐式車正在逐步得到用戶的接受和認(rèn)可，預(yù)計(jì)幾年內(nèi)，將會呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢，也會展現(xiàn)出有著較大的發(fā)展空間。

三、推廣使用鋁合金專用汽車意義重大

專用汽車輕量化對節(jié)能減排意義重大。從能源角度講，汽車燃油消耗在我國石油消耗中所占比例日益增大，有資料顯示，目前我國進(jìn)口的原油的近30%被汽車消耗掉，而今后汽車消耗原油量的比例將升至50%。汽車燃油消耗量增多主要有以下兩方面的原因：一是我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，帶動了汽車消費(fèi)和保有量的大幅攀升；二是由于我國汽車技術(shù)水平相對落后，單車燃油消耗明顯高于國外，目前生產(chǎn)汽車的平均耗油量大約為國外汽車高20%～30%，而擺在我們面前的現(xiàn)實(shí)部題是，我國石油資源和產(chǎn)量有限，無法滿足國內(nèi)的能源消耗，近幾年我國石油進(jìn)口量逐年增多，對外依存度已超過40%，因此提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，從總體上控制汽車的燃油消耗，保護(hù)國家資源具有很重要的意義。

根據(jù)國外的有關(guān)資料，車輛減輕自重10%，可降低油耗5%～8%，對于載貨車來說，減輕自重還提高了有效載荷的質(zhì)量，即增加了裝載利用系數(shù)，可提高運(yùn)輸效率，在降低運(yùn)輸成本，這相對來說也是降低了燃油費(fèi)用。推廣汽車輕量化是我國汽車工業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急，對解決我國能源短缺，道路超載、運(yùn)輸效率低下具有很重要的意義。

汽車輕量化實(shí)質(zhì)上就是零部件輕量化。采用鍛造鋁合金車輪，可以很大程度減輕車的自重。比如，一輛拖掛40噸的重卡和半掛車運(yùn)輸系統(tǒng)，一共有22個(gè)車輪，加上前后備胎共有24個(gè)。以目前我們經(jīng)常用的鋼質(zhì)車輪計(jì)算，如果換成鍛造鋁合金車輪，重量可減輕近600kg。不僅如此，由于鋁合金材料具有散熱好和防止輪胎橡膠老化的特點(diǎn)，裝上鍛造鋁合金車輪的卡車、客車、掛車可節(jié)省26%的輪胎消耗。由此可見，節(jié)能減排的效果多么明顯。

近幾年，鋁合金罐車已呈現(xiàn)出一定的發(fā)展勢頭。國內(nèi)部分改裝企業(yè)采用鋁合金材料，研發(fā)了不同車型和不同用途的鋁合金罐式專用車。車型包括利用二類底盤改裝的單車鋁合金罐體、半鋁和全鋁半掛罐車等。基本用途涵蓋了加油車、運(yùn)油車、化工液體運(yùn)輸車和散裝物料運(yùn)輸車等車型。

專用汽車制造材料輕量化是當(dāng)今汽車技術(shù)發(fā)展的方向世界各國的汽車企業(yè)圍繞節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保、降低成本以及提高動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性和舒適性等等基本性能，開展了新技術(shù)、新材料、新工藝、新產(chǎn)品的研究開發(fā)工作，其核心就是汽車輕量化。其主要意義表現(xiàn)在：一是降低燃燒消耗，增加汽車有效載荷，節(jié)省牽引動力，降低汽車運(yùn)行費(fèi)用。二是減少車輛對道路的損失，減少道路維護(hù)工作量。三是提高車輛的啟動加速度及制動減速度，提高汽車的運(yùn)行速度及曲線通過速度。

隨著全球能源和環(huán)境壓力的不斷加大，追求汽車輕量化將成為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，鋁鎂合金將是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的首選材料。歐美等發(fā)達(dá)國家鋁制專用車的開發(fā)和應(yīng)用已有30多年的歷史，目前鋁制運(yùn)輸掛車的普及率已經(jīng)達(dá)70%。其他專用車輛，如工程車、載貨車等也較普遍的采用鋁鎂合金材料，技術(shù)已經(jīng)成熟，并向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、多樣化發(fā)展。

盡管近十年來，我國鋁合金專用車得到不斷的發(fā)展，但總體上仍尚處于起步階段。目前，我國半掛車(廂式半掛車、倉柵半掛車、平板半掛車)社會保有量約300萬多輛，專用車企業(yè)雖有部分品種的鋁合金專用車進(jìn)入市場，也得到了市場的接受，其鋁合金運(yùn)輸車產(chǎn)品的市場份額仍然非常小。鋁合金專用車在歐美發(fā)達(dá)國家已相當(dāng)普及，但在我國鋁制專用車之所以產(chǎn)銷量小，發(fā)展緩慢，制約的主要因素有以下幾個(gè)方面。

(1)成本高、價(jià)格高。以13m 3軸倉柵半掛車為例對比分析，普通鋼制材料的半掛車價(jià)格約為8萬～9萬元，而鋁合金材料的整車價(jià)格約為19萬～20萬元，兩者相差10多萬元，差距較大，用戶接受起來有一定的難度。

(2)運(yùn)輸市場的不確定性。近幾年，隨著國家對超限超載車輛治理的不斷加強(qiáng)，超載現(xiàn)象已明顯好轉(zhuǎn)，但超載現(xiàn)象仍時(shí)常存在，加之用戶對新材料、新產(chǎn)品的接受需要一個(gè)過程，對采用鋁合金材料的運(yùn)輸車輛的強(qiáng)度和承載能力存在疑問和顧慮。

(3)產(chǎn)業(yè)政策的影響。由于鋁合金專用車和普通鋼制專用車在市場價(jià)格上差異較大，鋁合金運(yùn)輸車輛要想求得快速發(fā)展，需要國家產(chǎn)業(yè)政策的扶持。據(jù)說國家已在研究和制定輕量化運(yùn)輸車輛的產(chǎn)業(yè)扶持政策，這對專用車行業(yè)將是個(gè)利好消息。

四、鋁合金專用車具有非常廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景

今后一個(gè)時(shí)期，科技進(jìn)步更將日新月異，生產(chǎn)要素流動和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的速度將趨于良性循環(huán)，國內(nèi)國際兩個(gè)市場、兩種資源的相互補(bǔ)充，將為新材料、新產(chǎn)品的發(fā)展提供有利的內(nèi)外部環(huán)境。國內(nèi)市場隨著國民經(jīng)濟(jì)總量構(gòu)成變化，市場對專用汽車品種的需求格局將相應(yīng)改變。

目前，我國每年新增和更新半掛車數(shù)量30萬輛，假設(shè)其中50%為鋁制半掛車，每輛車平均用鋁3t，再加上相關(guān)的掛車鋁制配件，僅此一項(xiàng)每年的用鋁量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過50萬t，必將拉動鋁加工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。由此可以看出，今后專用車制造業(yè)將成為拉動鋁材料產(chǎn)業(yè)不可缺少的支柱性行業(yè)。

當(dāng)前，世界汽車工業(yè)正面臨越來越嚴(yán)峻的三大課題：能源、環(huán)保和安全。減輕汽車自重以降低能耗，減少環(huán)境污染，提高汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約有限資源已成為各大汽車廠最為關(guān)注的焦點(diǎn)。新型鋁合金專用汽車將具有強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。

汽車輕量化正是節(jié)約能源的最有效途徑，汽車輕量化的主要途徑有：(1)優(yōu)化車型結(jié)構(gòu)，提升整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低耗材用量。(2)采用輕質(zhì)材料，如鋁合金、陶瓷、塑料、碳纖維復(fù)合材料等。(3)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如采用有限元分析、局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)等。(4)采用承載式車身，減薄車身板料厚度等。其中，當(dāng)前汽車輕量化采取主要措施之一就是材料輕質(zhì)化，而鋁鎂合金的大量使用，又是實(shí)現(xiàn)車輛輕量化最有效的途徑。

根據(jù)歐美專用車市場發(fā)展歷史經(jīng)驗(yàn)來看，鋁合金運(yùn)輸車將是今后中國運(yùn)輸車輛發(fā)展的必然趨勢。國內(nèi)鋁合金專用汽車今后將向以下幾個(gè)方面發(fā)展：

1、全鋁化。運(yùn)輸車輛整體全鋁化，主要車身和廂(罐)體采用鋁合金的比例將達(dá)到90%以上，鋁制車輛配件的比例也將不斷提高，如半掛車的鋁合金底盤、輪輞、支腿等。

2、多品種、多車型。鋁制車輛的車型、品種將不斷豐富，首先將涵蓋罐式車、廂式車系列，并逐步向工程車、載貨車、特種車等產(chǎn)品延伸。

3、專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。鋁合金運(yùn)輸車輛的生產(chǎn)廠家在今后一個(gè)時(shí)期將會逐漸增多，在市場逐步穩(wěn)定后，將逐步形成一批專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)，其車型也將向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化方向發(fā)展，并最終形成以專業(yè)化生產(chǎn)廠家為中心的產(chǎn)業(yè)基地。

三、如何實(shí)現(xiàn)汽車50%的輕量化

1.提高鋼板的強(qiáng)度

為了減輕車身質(zhì)量，首先提高現(xiàn)有材料的強(qiáng)度，然后才能減少其使用量，其中之一的措施是提高車身骨架中的高強(qiáng)度鋼板的強(qiáng)度。在高強(qiáng)度鋼板中，目前車身骨架中使用最多的是冷沖壓加工的440MPa級和590MPa級鋼板。也有少部分廠家使用780MPa級和980MPa級高強(qiáng)度鋼板。如果采用冷沖壓方式，使用了1.2GPa級鋼板；如果采用熱沖壓和冷拉延方式，使用了1.5GPa級的鋼板。

日產(chǎn)汽車公司的戰(zhàn)略曾經(jīng)指出“盡可能地使用鋼鐵件”，于是在北美銷售的Infiniti Q50(日本名稱為skyline)大部分使用了高強(qiáng)度鋼板，見圖1。為了保護(hù)碰撞時(shí)乘客的安全，高強(qiáng)度鋼板主要應(yīng)用于中間支柱、側(cè)頂蓋等，它們都是1.2GPa級的冷沖壓件，見圖2，并且達(dá)到了與980MPa級鋼板同等水平的加工性(延展性)，目前已經(jīng)在中間支柱那樣的車身骨架中得以實(shí)現(xiàn)。此外，Q50車還在車身骨架中的其它部位使用了780～980MPa級、440～590MPa級高強(qiáng)度鋼板，與過去相比，車身質(zhì)量減輕了11kg。

圖1 日產(chǎn)Infiniti Q50

圖2 高強(qiáng)度鋼板的使用部位 某鋼鐵公司的技術(shù)人員說：“把現(xiàn)在的熱沖壓加工的1.5GPa鋼板變成冷沖壓加工將是未來的目標(biāo)”。面向2025年，據(jù)說在2022～2023年期間可以實(shí)現(xiàn)1.5GPa級冷沖壓模式，2025年以后實(shí)現(xiàn)1.8GPa熱沖壓加工模式。

2.鐵和鋁合金的復(fù)合使用

僅靠提高鋼鐵的強(qiáng)度，車身輕量化已達(dá)到了極限。未來考慮鐵和鋁合金的同時(shí)合理應(yīng)用(也就是多種材料的同時(shí)運(yùn)用)。德國戴姆勒汽車公司的新車型“奔馳C級”，白車身表面積中約48%(換算成質(zhì)量約24%)使用了鋁合金。前后面罩、翼子板、車門和頂蓋都是鋁合金件，而車身骨架采用熱沖壓和冷沖壓加工的高強(qiáng)度鋼板或者冷沖壓加工的普通鋼板，見圖3。

圖3 C級車鋁合金使用部位

對于C級車來說，強(qiáng)度要求高的骨架需要使用高強(qiáng)度鋼板，除外板外，其它部位使用鋁合金。如果使用鋁合金，其位置必須遠(yuǎn)離汽車的重心，或者是車體的上部使用。

這種高強(qiáng)度鋼板和鋁合金的復(fù)合使用將在2020年以后得以實(shí)現(xiàn)，主要應(yīng)用于C級中型車和D級以上大型車。豐田汽車公司2017年以后，計(jì)劃在“凌志”車上使用鋁合金。某有色金屬公司的技術(shù)人員說：“2025年前車身上部將全部使用鋁合金材料”。

2025年以后，一部分平臺也將使用鋁合金。雖然車身骨架一般都使用高強(qiáng)度鋼板，但是為了吸收碰撞能量，平臺的前后部位也將使用鋁合金。

3.使用熱可塑CFRP(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)

盡管同時(shí)復(fù)合使用了鋼鐵和鋁合金，但是車身的進(jìn)一步輕量化還是有極限的。如果輕量化30%，通過復(fù)合使用鐵和鋁合金可以實(shí)現(xiàn)；如果輕量化50%，必須使用更輕的高強(qiáng)度材料，只有復(fù)合使用鐵、鋁合金和CFRP才能實(shí)現(xiàn)。

德國寶馬汽車公司2014年4月在日本發(fā)布了一款電動汽車i3，售價(jià)500萬日元，首次采用了CFRP，主要應(yīng)用部位在車身上部，稱為“生活模塊”；鋁合金主要應(yīng)用于車身下部，稱為“驅(qū)動模塊”，見圖4。

圖4 寶馬汽車公司i3車體構(gòu)造

通過鋁合金和CFRP的有效組合，與同級別的汽油車相比，減輕質(zhì)量大約140kg。據(jù)說，2020年以后500萬日元級別的車將采用CFRP。

但是，要想把CFRP做成零部件，i3車盡管使用了RTM(樹脂傳遞模塑成型)技術(shù)，成形時(shí)間也需要花5分鐘以上。目的是把熱固化性好的環(huán)氧樹脂應(yīng)用于樹脂粘結(jié)劑中去。要想在量產(chǎn)車中運(yùn)用，成形時(shí)間必須控制在1分鐘左右。

為了使CFRP部件在1分鐘內(nèi)完全成形，必須在粘結(jié)劑樹脂中使用熱可塑性樹脂。帝人公司與通用汽車公司共同開發(fā)了熱可塑性CFRP，并把該CFRP用于試制的汽車骨架上，見圖5。粘結(jié)劑樹脂中含有PA(聚酰胺)和PP(聚丙烯)樹脂。

圖5 熱可塑性CFRP試制車

關(guān)于1分鐘可使熱可塑性CFRP成形的技術(shù)，以東京大學(xué)項(xiàng)目組為主也展開了研究；與此同時(shí)，在日本NEDO(新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu))的推進(jìn)項(xiàng)目中，成立了以三菱纖維公司和東洋紡織組為主的項(xiàng)目組和以東萊(TORAY)公司為主的項(xiàng)目組，正在開發(fā)連續(xù)與非連續(xù)的碳纖維毛坯。

名古屋大學(xué)針對經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)部的研究項(xiàng)目，成立了“國際復(fù)合材料研究中心”，以2020年進(jìn)入實(shí)際運(yùn)用為目標(biāo)展開研究。熱可塑性CFRP可以運(yùn)用于貨箱隔板、地板、側(cè)圍板和發(fā)動機(jī)等結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的部件中，據(jù)說2020年以后這些部件將被實(shí)際運(yùn)用。

4.生產(chǎn)線下線涂裝

CFRP以外的樹脂部件以輕型車和微型車為主正在普及使用。大發(fā)汽車公司2014年6月發(fā)布的新車型COPEN的車身外板由13個(gè)樹脂部件構(gòu)成，其中，頂蓋和后車窗除外，其它的11個(gè)部件可以更換，見圖6。這些部件都是下線后涂裝的，然后用螺栓固定在車體上。

圖6 COPEN車樹脂外板件

馬自達(dá)汽車公司與三菱化學(xué)公司共同開發(fā)了生物工程塑料，不需要涂裝就可以用于外裝部件上。生物材料的自然著色效果超過了涂裝之后的ABS傳統(tǒng)樹脂的質(zhì)感(可以深層次調(diào)色，并且光滑性如鏡面一樣)，見圖7。該公司采用該樹脂制作的內(nèi)裝和外裝部件將在2015年發(fā)布的新款運(yùn)動跑車(ROADSTER)中采用，隨后依次在量產(chǎn)車上采用。

圖7 由生物材料制作的樹脂中間支柱

2020年以后如果普及使用下線涂裝樹脂和本身不需要涂裝的樹脂的話，外板涂裝工藝就會從汽車裝配線上消失。另外，2025年如果實(shí)現(xiàn)了汽車無人駕駛的話，由于首先解決了汽車之間不會碰撞的問題，所以車身骨架結(jié)構(gòu)將變得更加簡單。

四、國產(chǎn)載重卡車輕量化發(fā)展趨勢淺析

卡車行業(yè)因?yàn)榛旌蟿恿?、電動和燃料電池等新能源汽車技術(shù)的應(yīng)用困難重重和前景不明，故輕量化成為目前重卡行業(yè)節(jié)能減排最現(xiàn)實(shí)而又最有效的技術(shù)措施。

隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快，低碳生活的逐步樹立和深入人心，節(jié)能減排、綠色環(huán)保政策法規(guī)的逐步建立和實(shí)施,資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會建設(shè)步伐的加快，汽車節(jié)能已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一項(xiàng)關(guān)鍵性研究課題，具體表現(xiàn)在國內(nèi)物流整體向“高效率、高科技、高環(huán)保”方向發(fā)展。

汽車輕量化是社會整體水平提升、運(yùn)輸效率提升的體現(xiàn)。減輕汽車自身重量是提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性、降低汽車CO2排放的有效措施之一。尤其在卡車行業(yè)因?yàn)榛旌蟿恿?、電動和燃料電池等新能源汽車技術(shù)的應(yīng)用困難重重和前景不明，故輕量化成為目前重卡行業(yè)節(jié)能減排最現(xiàn)實(shí)而又最有效的技術(shù)措施。

實(shí)現(xiàn)卡車的輕量化是一個(gè)優(yōu)化車輛設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)工程，它涉及整車、發(fā)動機(jī)、懸架等各個(gè)領(lǐng)域，甚至包括新材料以及新技術(shù)的應(yīng)用。從基礎(chǔ)設(shè)計(jì)上通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)及合理使用新材料、新技術(shù)，在不降低承載能力前提下實(shí)現(xiàn)的整體輕量化。

汽車車身約占汽車總重量的30%，空載情況下，約70%的油耗用在車身重量上。汽車重量每降低100公斤，每百公里就可節(jié)油0.6～1.0升。若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高8%～10%；若滾動阻力減少10%，燃油效率可提高5%；若車橋、變速器等裝置的傳動效率提高10%，燃油效率可提高7%。因此，在中國式計(jì)重收費(fèi)和“亂收費(fèi)亂罰款超載治理”情況下，一輛輕量化卡車對于整車的燃油經(jīng)濟(jì)性、車輛控制穩(wěn)定性、碰撞安全性都有實(shí)際重要性，載貨車卡車輕量化已經(jīng)形成發(fā)展大趨勢。

然而在此情況下，對有些卡車生產(chǎn)企業(yè)來說，所謂“輕量化”還是個(gè)偷換概念過程，如在技術(shù)還達(dá)不到要求的情況下，通過減少鋼板厚度、減少配件數(shù)量等等偷工減料，表面看是實(shí)現(xiàn)了輕量化，但卻越過了安全底線，更何談輕量化。與此同時(shí)，在亂罰款亂收費(fèi)治理超載問題得不到解決的情況下，載貨車的輕量化必定要走入誤區(qū)。在市場競爭因素的綜合作用下，誰能夠在保障質(zhì)量的前提下有效地降低卡車自重，實(shí)現(xiàn)輕量化，將是未來各大車企搶奪市場的制高點(diǎn)。

現(xiàn)從各卡車廠商推出的新產(chǎn)品來看，復(fù)合材料在整車所用材料中的比例逐漸提高，大量使用復(fù)合材料是必然的趨勢。在實(shí)現(xiàn)輕量化的設(shè)計(jì)途徑上，一是優(yōu)化車輛結(jié)構(gòu)，二是在優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上應(yīng)用新材料。前者屬于低級階段，后者屬于高級階段。自重成為選車的主要的因素。即使價(jià)格稍高，自重輕的卡車也會成為客戶的首選。因?yàn)樽灾剌p的卡車不僅拉得多跑得快還省油，所以更受歡迎。

一、輕型卡車輕量化發(fā)展趨勢

我國輕卡在產(chǎn)品 技術(shù)方面發(fā)展的趨勢主要在以下幾個(gè)方面：第一，節(jié)能技術(shù)，用車經(jīng)濟(jì)性是客戶和國家最直接可獲利和可感知的性能；第二，安全性，包括主動安全和被動安全，這是必過的門檻；第三，低公害，包括排放標(biāo)準(zhǔn)要求的不斷提高，減振降噪等，也是必須過的門檻；第四，功能性，包括容載量，動力性，可靠性、耐久性，駕駛、裝卸、維修方便性，乘坐舒適性，這些都是競爭的因素；第五，電子控制、車聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的應(yīng)用；第六輕卡制造技術(shù)發(fā)展的主要趨勢為新材料應(yīng)用、新工藝、新流程、新裝備、新工具等。

此外，從近三年可以看出：輕卡的增量結(jié)構(gòu)將會發(fā)生明顯變化，輕卡正向高技術(shù)方向發(fā)展，新材料、輕量化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)智能化、舒適化、功能多元化、乘用車化和人性化方向發(fā)展，主要體現(xiàn)為低噪聲、安全可靠、皮實(shí)耐用、維修便捷、節(jié)能低排放、多功能以及新能源的使用。從輕卡產(chǎn)品發(fā)展趨勢上看：

1、在動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，已普遍采用增壓中冷裝置與高壓共軌，優(yōu)化改善了燃燒性能，使發(fā)動機(jī)的性能與燃料經(jīng)濟(jì)性得到很大的提高，這提高了發(fā)動機(jī)與整車的匹配性，使得車輛的動力輸出更為強(qiáng)勁、加速性好，又符合了國家的對柴油機(jī)型發(fā)動機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)。動力公司如康明斯、索菲姆、菲亞特、曼恩、納威斯達(dá)等發(fā)動機(jī)，均采用電控渦輪增壓高壓共軌發(fā)動機(jī)、燃油與燃燒優(yōu)化、智能電控、排放處理、濾清系統(tǒng)五大等核心領(lǐng)先技術(shù)。

此外，重型發(fā)動機(jī)延伸至中輕卡，如中國重汽集團(tuán)杭發(fā)公司首臺MC05發(fā)動機(jī)直列四缸、水冷、四沖程、增壓中冷、高壓共軌發(fā)動機(jī)。動力系統(tǒng)采用電控渦輪增壓成趨勢，是自主動力最強(qiáng)、重量最輕、體積最小的發(fā)動機(jī)，可滿足國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)具備升級到歐Ⅴ、歐Ⅵ排放潛力的發(fā)動機(jī)，成為市場競爭的利器。如奇瑞開瑞綠卡搭載全新設(shè)計(jì)輕質(zhì)量缸體、缸蓋的美國康明斯ISF2.8發(fā)動機(jī)，沒有缸套，最終形成的總成干重僅為214kg，并配上全鋁合金殼體的德國ZF變速箱，不僅重量輕，而且強(qiáng)度非常高。

2、駕駛室造型設(shè)計(jì)上，輕卡窄體、中體、寬體及雙排、排半、單排駕駛室更趨勢于乘用車化前臉造型更趨向于立體動感凌厲，整體顯得更加大氣厚重。前大燈組更加飽滿犀利，吸納歐美鋼性線條元素，轉(zhuǎn)角處保持日系車圓潤飽滿基因。緩沖裝置采用乘用車型或分?jǐn)嗍轿芫彌_保險(xiǎn)杠。此外，整車可翻轉(zhuǎn)液壓駕駛室懸置、隔音、隔熱減震材料等細(xì)節(jié)品質(zhì)上，都提供了堪比轎車的品質(zhì)呈現(xiàn)。

3、功能性設(shè)計(jì)上，集成電子油門、助力轉(zhuǎn)向、離合助力、電動空調(diào)、電動車窗等轎車化舒適配置，靠攏乘用車標(biāo)準(zhǔn)。如液壓減震座椅、定速巡航等多項(xiàng)轎車化配置。ABS制動防抱死系統(tǒng)，感載比例閥加排氣蝶閥制動為標(biāo)準(zhǔn)配置設(shè)計(jì)，其優(yōu)化獨(dú)立儲氣單元，包括干燥器，四回路保護(hù)閥，螺旋冷卻管，多彩色管路等系統(tǒng)。

4、車身車架設(shè)計(jì)上，在車型設(shè)計(jì)上，寬（窄）體駕駛室、長（短）軸矩、長（短）車身、加強(qiáng)型底盤、大動力、高速重載與車聯(lián)網(wǎng)等，已經(jīng)成為輕卡研發(fā)的大趨勢與未來市場的主流產(chǎn)品。采用高強(qiáng)度的鉚接大梁和抗腐蝕車架等等，這些新設(shè)計(jì)可以有效增強(qiáng)車輛的輕量化和高速行駛中的穩(wěn)定性與安全性。此外，摒棄傳統(tǒng)的鋼板材質(zhì)，采用全新設(shè)計(jì)的竹膠板與鋼制外板相螺接的新式鋼制/膠木結(jié)構(gòu)貨箱，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)也確保了承載力。

二、中重型卡車輕量化發(fā)展趨勢

1、采用單層車架大梁相比鋼板彈簧，車架的重量更大，有效減輕車架重量，將會大大的減輕整車的整備質(zhì)量。隨著設(shè)計(jì)水平、制造工藝的提高，材料性能的提高，單層車架在標(biāo)準(zhǔn)載荷的工況下是完全可以勝任的。

2、采用變截面少片簧結(jié)構(gòu)板簧變截面少片簧是由幾片縱向方向上變截面的板簧組成的，不但可以減輕重量，還可以通過減少板簧間的摩擦而提高駕乘的舒適性、延長使用壽命。另外采用橡膠懸掛或者空氣懸掛也可以減輕懸掛系統(tǒng)的重量。

3、使用復(fù)合材料駕駛室是采用復(fù)合材料最多的總成，尤其是外覆蓋件：前面板、包角板、翼子板、保險(xiǎn)杠，甚至頂蓋，都使用了大量的復(fù)合材料。這樣一方面有效的減輕了整車重量，另外一方面由于復(fù)合材料成形性好，造型結(jié)構(gòu)上較金屬沖壓件可以更復(fù)雜、更加美觀、尺寸更加精確。目前國產(chǎn)重卡仍偏好全鋼結(jié)構(gòu)的駕駛室結(jié)構(gòu)，這主要和中國重卡的惡劣工作環(huán)境有關(guān)。從近年來各重卡廠商推出的新產(chǎn)品來看，復(fù)合材料在整車所用材料中的比例逐漸提高，大量使用復(fù)合材料已成為一種必然發(fā)展趨勢。

4、使用鋁合金材料鋁合金比鋼材密度小，因此在一些復(fù)合材料無法替代的部位，使用鋁合金材料，包括鈑金件和鑄造件。鋁合金鈑金件最有代表性的就是油箱，油箱采用鋁合金材料，不但自重減輕，而且油箱內(nèi)不易生銹，免除定期清洗的麻煩。車身也可以采用鋁合金代替冷軋鋼板。輪輞、發(fā)動機(jī)機(jī)體、變速器機(jī)體等，也可以大量采用鋁合金鑄造，可以在保證有足夠強(qiáng)度、剛度的同時(shí)，最大限度的減輕重量。

5、使用高強(qiáng)度鋼材使用高強(qiáng)度鋼板，可以減薄鋼板厚度，從而減輕重量。歐美重卡，重卡使用的鋼材幾乎100%是高強(qiáng)鋼。以前國產(chǎn)重卡采用高強(qiáng)度鋼板的比例較少，最近幾年逐漸廣泛使用，甚至自卸車的車廂都開始使用高強(qiáng)度鋼板，以提高廂體強(qiáng)度、減輕自重。

6、使用拼焊板駕駛室由鋼板沖壓焊接而成，由于各部位的結(jié)構(gòu)和受力情況不同，因此不同部位的鈑金件也會采用不同牌號的鋼板，一輛重卡的駕駛室可能采用幾十種不同牌號、不同厚度的鋼板。然而隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過模擬實(shí)驗(yàn)和分析，可以計(jì)算出同一個(gè)鈑金件的不同部位的受力情況，為了減輕一些零件局部的不必要厚度，激光拼焊技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。激光拼焊技術(shù)是將經(jīng)不同表面處理、不同鋼種、不同厚度的兩塊或多塊鋼板通過激光焊接方法，自由組合成為一塊鋼板。

7、采用鑄造件。傳統(tǒng)的沖焊結(jié)構(gòu)零件，由于材料和制造工藝的限制，各部位只能是等厚度的，為了確保零件的整體強(qiáng)度和剛度，沖焊件往往都比較厚重。結(jié)構(gòu)件可以通過有限元軟件進(jìn)行CAE分析，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)各部位的受力情況設(shè)計(jì)成復(fù)雜的變厚度、變截面的結(jié)構(gòu)，在保證有足夠強(qiáng)度的前提下最大限度的削減不必要的局部厚度，從而大大減輕零件重量。

8、采用真空輪胎和超寬輪胎。采用真空胎和超寬輪胎也能在一定程度上降低自重。與傳統(tǒng)輪胎相比，真空胎不但減少了內(nèi)胎，輪輞的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)減少了，整車全部換成真空胎，行駛阻力小，能夠在一定程度上降低油耗。重卡的驅(qū)動輪一般都用雙輪胎，如果改為超寬單輪胎，不但能夠減少輪胎數(shù)量，還能減少輪輞的數(shù)量。另外超寬單輪胎的接地面積不比雙輪胎小，除了能夠降低自重外，還可以提高行駛穩(wěn)定性、避免雙輪胎的“吃胎”現(xiàn)象。此外，真空胎在輪胎穿孔的情況下，胎壓不會急劇下降，完全能繼續(xù)行駛，大大提高了高速行駛的安全性，而新式鋼制/膠木結(jié)構(gòu)貨箱具有耐磨、耐腐蝕、減震和抗震功能，對于外來碰撞所造成的變形能自動修復(fù)，運(yùn)送精密儀器和易碎貨物更安全。

9、整合零件功能、減少零件數(shù)量整合所有零件功能、將多個(gè)零部件集成，實(shí)現(xiàn)零部件的多功能，減少零件數(shù)量，使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，也可以在一定程度上減輕整車重量。例如：將油箱和工作臺踏板結(jié)合，將油箱與SCR的尿素罐結(jié)合等。

五、實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的途徑

今天汽車賴以“生存”的汽油燃料提取自石油，它的儲量正在日益減少，但人們也未必會因此在燃油上花費(fèi)高價(jià)，因?yàn)榈?025年，汽車的平均燃效將達(dá)到50英里/加侖。

不過，汽車本身的油耗并不會自動下降，這都是靠著工程師開發(fā)的新技術(shù)而實(shí)現(xiàn)。那么，提升汽車燃效或者說降低油耗的方式有哪些？目前看來，輕量化是最有效的手段之一，據(jù)悉，汽車每減輕10%的重量將降低油耗6-7%。

汽車行業(yè)在輕量化技術(shù)上的進(jìn)展也是有目共睹，從30年前一輛普通轎車的4500磅（2041千克）的平均重量降低至現(xiàn)在的3000磅（1361千克）左右?！拜p量化”只是一個(gè)寬泛的概念，它設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)、材料、布局等等方面，本文將總結(jié)5項(xiàng)能夠讓汽車變得更輕的技術(shù)。

1、輪轂電機(jī)

汽車中最占重量的是什么部件？毋庸置疑，顯然是發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)缸體、活塞、曲軸等各種組件均由剛強(qiáng)度材料制成。它們需要經(jīng)受住發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)的高壓與高溫。而其缺陷在于這些組件的重量非常大，一輛普通乘用車的發(fā)動機(jī)至少重幾百磅。

當(dāng)汽車行駛時(shí)，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動能量由變速箱傳遞兩個(gè)或四個(gè)車輪上，實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程則還需要傳動軸以及更多的零部件，同樣會增加汽車的重量。

而若采用輪轂電機(jī)的布局，則可以省去動力總成中的大部分組件，例如發(fā)動機(jī)與變速箱。輪轂電機(jī)直接安裝在車輪內(nèi)部。米其林和汽車公司Venturi在2010年合作推出了一款VenturiVolage概念車，其中就采用了輪轂電機(jī)方案，米其林將其稱為主動輪系統(tǒng)（Active Wheel System）。該系統(tǒng)的強(qiáng)大之處在于，車輪內(nèi)不僅有電機(jī)，甚至連電子制動系統(tǒng)、主動懸架系統(tǒng)也都包含在內(nèi)。

2、塑料材質(zhì)

塑料在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見?，F(xiàn)在，研究者正在通過各種方法令塑料的應(yīng)用變得更廣泛，同時(shí)使其強(qiáng)度變得更高以在更極端的環(huán)境下適用。美國Polimotor研制的塑料發(fā)動機(jī)材質(zhì)比傳統(tǒng)全金屬發(fā)動機(jī)重量要輕30%。

除了發(fā)動機(jī)以外，我們還能在汽車內(nèi)飾中見到它，例如車內(nèi)飾板、中控臺面板甚至是車外的前后保險(xiǎn)杠、側(cè)裙、側(cè)視鏡外罩等。

全世界每年約有250萬噸的塑料水瓶被遺棄，現(xiàn)代QarmaQ概念車的車身則是從這些廢棄塑料瓶中進(jìn)行提取而得。將來某一天，當(dāng)你看到一輛由塑料制成的汽車時(shí)請不要驚訝。

3、碳纖維

碳纖維對于汽車行業(yè)來說并不陌生，它一開始應(yīng)用于航天飛機(jī)中，接著在賽車中應(yīng)用，令他們再賽道上擁有更靈活的身姿。而現(xiàn)在，我們在一些高端汽車中也已經(jīng)能見到它們的身影，例如寶馬i3。

這類材料的強(qiáng)度與鋼材相同，但重量僅為其一半，為鋁材的70%。其結(jié)構(gòu)與玻璃纖維類似，但強(qiáng)度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后者。

那么為何我們目前僅能在極少數(shù)的車中看到這類材料呢？原因是成本過高，具體表現(xiàn)為生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)工藝復(fù)雜。

雷克薩斯、寶馬、三菱等眾多車企如今都在進(jìn)行廣泛的研究，試圖找出降低碳纖維生產(chǎn)成本的方法，使其能夠真正令汽車受益。寶馬集團(tuán)多年前就在其車輛上應(yīng)用了復(fù)合材料和碳纖維織物。M系列車型的屋頂采用了赫氏公司的HexForce? NC2?碳纖維增強(qiáng)材料，擁有無卷曲產(chǎn)品專利制造技術(shù)，該技術(shù)使用單向帶滿足產(chǎn)品所需的強(qiáng)度和剛度。雷克薩斯的工程師將來自豐田汽車公司的傳統(tǒng)編織方式轉(zhuǎn)變?yōu)榫艿娜S碳纖維編織法，既有利于更精確的質(zhì)量控制，又為此項(xiàng)工程技術(shù)在未來產(chǎn)品中的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4、小型化汽車電池

對于混合動力甚至純電動車來說，有什么辦法能夠?qū)ζ溥M(jìn)行減重呢？許多車企的做法是從提供驅(qū)動能量的電池著手。最早的時(shí)候，人們利用鉛酸電池為電動車供電，原因在于它的電極材料容易獲得，制造簡便。隨著技術(shù)進(jìn)步，鎳氫電池誕生，它相比鉛酸電池來的更輕，并且容量也更大，在混動車中有廣泛應(yīng)用。

而隨著燃效與環(huán)保法規(guī)收緊，車企希望通過電動車來達(dá)到最新的標(biāo)準(zhǔn)，那么，即便鎳氫電池的大容量也已無法達(dá)標(biāo)。鎳氫電池的能量密度與相對應(yīng)重量的石化燃料能量密度無法比擬。

此時(shí)鋰電池的身影逐漸映入工程師的眼簾，其由于高能量密度的特性被視為更有潛力的電池種類。不過其缺點(diǎn)在于，長時(shí)間暴露在高溫下容易起火甚至爆炸。雖然發(fā)生此類情景的概率不高，但在汽車這類產(chǎn)品中，一次起火事故足以阻礙其發(fā)展。

美國麻省理工學(xué)院的研究者正在試圖通過替換電極材料來提升鋰電池的穩(wěn)定性。從目前看來，鋰電池仍會在很長一段時(shí)間內(nèi)作為電動車的首選動力源。

5、線控系統(tǒng)

提到電氣化車輛（electric vehicle），人們自然而然就會想到依靠電機(jī)驅(qū)動車輪。而電氣化車輛的另一層含義在于傳統(tǒng)車內(nèi)機(jī)械系統(tǒng)被電子線束系統(tǒng)所替代，電子線束系統(tǒng)比傳統(tǒng)機(jī)械部件要輕的多。汽車行業(yè)提出的“x-by-wire”指的就是線控傳動、線控制動、線控轉(zhuǎn)向等系統(tǒng)的總稱。除了能夠減輕重量之外，線控系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于可以提升操控精確度。

線控技術(shù)最先用于戰(zhàn)斗機(jī)，一度成為了F16戰(zhàn)斗機(jī)的標(biāo)配。隨后逐漸沿用至商用飛機(jī)，最后也出現(xiàn)在了汽車上。

線控系統(tǒng)占據(jù)車內(nèi)的空間更小，意味著設(shè)計(jì)是有更多的設(shè)計(jì)自由度，車艙內(nèi)的空間也能更寬裕。

然而，并不是每個(gè)人都喜歡電氣化程度更高的系統(tǒng)，他們擔(dān)心汽車會像今天的電腦一樣發(fā)生軟件錯(cuò)誤。實(shí)際上，這樣的擔(dān)心是多余的，因?yàn)榧幢闶菣C(jī)械系統(tǒng)，它同樣有其特定的問題，例如磨損、腐蝕、斷裂等等。隨著時(shí)間的推移與應(yīng)用率的提高，人們最終會接受這項(xiàng)目前來說還有些“不靠譜”的技術(shù)。

六、現(xiàn)在是發(fā)展汽車輕量化最好時(shí)代 需要車企共同努力 從汽車設(shè)計(jì)本身而言，無論是設(shè)計(jì)、材料、工藝還是制造環(huán)節(jié)，都在強(qiáng)調(diào)輕量化，現(xiàn)在是發(fā)展輕量化最好的時(shí)代。汽車輕量化是汽車全產(chǎn)業(yè)鏈共同的事情，需要汽車企業(yè)努力，還需要行業(yè)聯(lián)盟和政府的支持。

不久前，我國的千噸級T700碳纖維試生產(chǎn)線開始運(yùn)轉(zhuǎn)，長期以來高度依賴進(jìn)口的高性能碳纖維在我國實(shí)現(xiàn)了自主化制備，其產(chǎn)品不僅有望替代進(jìn)口，而且生產(chǎn)成本具有國際競爭力，大規(guī)模國內(nèi)商業(yè)運(yùn)用在即。如此，包括碳纖維在內(nèi)的高性能纖維對汽車等運(yùn)輸工具的減排降耗的貢獻(xiàn)或許將得以實(shí)現(xiàn)。

近年來，各大車企爭相布局新能源汽車，行業(yè)競爭日益激烈。而對汽車實(shí)現(xiàn)輕量化，將有助于部分企業(yè)取得先發(fā)優(yōu)勢。要實(shí)現(xiàn)輕量化，高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料、復(fù)合材料等都是目前比較好的選擇，而作為節(jié)能和新能源汽車的核心技術(shù)，每項(xiàng)材料又各有優(yōu)勢與技術(shù)難點(diǎn)。

輕量化最好的發(fā)展時(shí)代

從汽車設(shè)計(jì)本身而言，無論是設(shè)計(jì)、材料、工藝還是制造環(huán)節(jié)，都在強(qiáng)調(diào)輕量化，現(xiàn)在是發(fā)展輕量化最好的時(shí)代。輕量化在這個(gè)時(shí)代提出來，有很多根本性的原因。經(jīng)過100多年的發(fā)展，汽車行業(yè)面臨的問題和挑戰(zhàn)非常多，包括動力性能、經(jīng)濟(jì)性、油耗、環(huán)保等問題，而輕量化好像“萬金油”，其優(yōu)點(diǎn)能夠覆蓋到汽車凸顯的這些問題。

在現(xiàn)有蓄電池性能無法取得根本性突破的前提下，僅有的改善車輛續(xù)航里程的手段，只能是減重。

最近一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明，如果一臺總重量為1550千克的新能源汽車?yán)m(xù)航里程為186公里，若將其非蓄能部件盡可能輕量化，能將總重量減少到1011千克，其續(xù)航里程可直接提高到275.5公里，已經(jīng)較為令人滿意。

2011～2015年歐洲車身會議的數(shù)據(jù)顯示，車輛的輕量化系數(shù)由2011年的3.29下降到了2015年的2.33。5年時(shí)間輕量化系數(shù)降低了30%，說明汽車輕量化已經(jīng)得到很大的提升和改善，而且輕量化已經(jīng)成為汽車主機(jī)廠迫切的需求。

汽車追求輕量化不僅僅是為了減重，更為了考慮產(chǎn)品的功能和成本，輕量化跟成本、性能開發(fā)是一樣的，離不開這些屬性的關(guān)聯(lián)，輕量化要綜合考慮。

這體現(xiàn)在除了新材料本身的生產(chǎn)，使用過程也要考慮新的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化汽車制造工藝。新材料的使用目的除了減重，還要保障汽車其他性能的優(yōu)化。

如果把高強(qiáng)鋼等級提升了，材料變得很薄，使用時(shí)模態(tài)就變差了，只有通過改變結(jié)構(gòu)截面才能滿足要求。

不只是減重

輕量化單靠這樣簡單的評價(jià)肯定是不夠的。將油耗、動力性能加入綜合競爭力評價(jià)后，你就發(fā)現(xiàn)絕對重量輕不意味著這輛車更有競爭力。這也是目前如果把輕量化作為一個(gè)系統(tǒng)工程來開發(fā)所面臨的問題，因?yàn)檩p量化沒辦法獨(dú)立出來考慮，這是目前最大的挑戰(zhàn)。

作為由眾多零部件組成的器械，汽車的NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）都有專門的團(tuán)隊(duì)來研究。要把輕量化做得更好、更完善，就要將其作為汽車的性能開發(fā)結(jié)構(gòu)來對待。這樣輕量化的標(biāo)準(zhǔn)就成為不是我要減重多少，而是在車型開發(fā)、應(yīng)用的時(shí)候要考慮這個(gè)車的重量能做到什么狀態(tài)，同時(shí)滿足汽車的其他性能要求。

要確定輕量化達(dá)到的目標(biāo)很難。整車重量目標(biāo)制定很關(guān)鍵，一般分為以下幾種：體積密度法、尺寸推算法、統(tǒng)計(jì)分析法、競爭力分析法、挑戰(zhàn)法和油耗反推法。

目標(biāo)確立之后，就是將輕量化開發(fā)作為一項(xiàng)屬性開發(fā)，強(qiáng)調(diào)的是正向開發(fā)的思路。輕量化正向開發(fā)主要包括兩條線，第一條線是重量管理，另外就是技術(shù)開發(fā)。只有兩條線結(jié)合在一起做，車型開發(fā)的輕量化才能做得更加理想。如果將兩條線的職能分開的話，你會發(fā)現(xiàn)這個(gè)工作推進(jìn)起來非常困難。

輕量化涉及面太廣了。從嚴(yán)格意義上來說輕量化跟整車所有零部件，甚至一顆螺絲釘都有關(guān)聯(lián)性，所以輕量化不僅涉及技術(shù)的問題，還有各個(gè)部門之間理念認(rèn)同等非技術(shù)的問題。

要把輕量化這個(gè)工作在車型開發(fā)中做好，就必須有全流程管理的理念，而不是簡單地制定一個(gè)目標(biāo)、提幾個(gè)方案就解決問題了。

全產(chǎn)業(yè)鏈共同的事

隨著科技的發(fā)展，輕量化材料和技術(shù)層出不窮。

有業(yè)內(nèi)人士指出，現(xiàn)在有鎂合金、碳纖維，未來還會有新的輕量化材料，但不論出現(xiàn)什么材料，這些輕量化材料都不會是孤軍奮戰(zhàn)，必然是以組合的形式出現(xiàn)，因?yàn)槠囄磥淼陌l(fā)展趨勢是多種材料混合使用。

實(shí)際上輕量化開發(fā)最離不開的核心，就是先進(jìn)輕量化技術(shù)的開發(fā)。但是先進(jìn)輕量化技術(shù)開發(fā)面臨的問題——成本風(fēng)險(xiǎn)、周期風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)——就像任何新的技術(shù)應(yīng)用所面臨的巨大風(fēng)險(xiǎn)一樣。

一個(gè)新的技術(shù)開發(fā)后直接在車型上應(yīng)用是我們所希望的。但是實(shí)際上，往往有很多技術(shù)開發(fā)完全依賴于車型來做的話，就很難做得下去。這需要汽車生產(chǎn)商要有獨(dú)立的平臺做輕量化的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用。

從技術(shù)上來說，輕量化材料面臨如何彌補(bǔ)技術(shù)、生產(chǎn)缺陷的難題。比如能夠完全實(shí)現(xiàn)減重和性能雙重目標(biāo)的鎂合金，卻在價(jià)格、便利生產(chǎn)、耐腐蝕等方面都比不過高強(qiáng)度鋼。

從環(huán)保角度講，如何實(shí)現(xiàn)更有效地回收利用，更好地滿足環(huán)保要求也很重要。盡管國內(nèi)許多企業(yè)已經(jīng)研發(fā)出性能優(yōu)異的新材料汽車，但是要想向市場推廣，進(jìn)入商業(yè)化，還需要進(jìn)一步建立維修、回收和循環(huán)使用技術(shù)體系。

汽車輕量化是汽車全產(chǎn)業(yè)鏈共同的事情，需要汽車企業(yè)努力，還需要行業(yè)聯(lián)盟和政府的支持。對企業(yè)來說，雖然一些新技術(shù)在前期研究時(shí)投資巨大，但這種投資是必要的，因?yàn)橛辛讼冗M(jìn)的技術(shù)儲備，一旦時(shí)機(jī)來臨，就可掌握先機(jī)。

第三篇：鋁合金材料的應(yīng)用與交通工具的輕量化

鋁合金材料的應(yīng)用與交通工具的輕量化

杜明義

（東北輕合金有限責(zé)任公司,黑龍江,哈爾濱）

摘要：本文通過鋁合金在汽車行業(yè)上的應(yīng)用，深入分析了交通工具的輕量化發(fā)展趨勢，揭示了鋁合金材料在交通運(yùn)輸領(lǐng)域良好的應(yīng)用前景與應(yīng)用空間。關(guān)鍵詞：鋁合金、輕量化

Application of aluminum alloy material and lightweight of the vehicle

DU Ming-yi(Northeast Light Alloy Co.,LTD, Harbin)Abstract: This paper introduced application of aluminum alloy material in the automobile industry.Analysed the development trend of vehicle lightweight deeply.Opening out favorable application foreground and application space of aluminum alloy material in the traffic and transportation field.Key: Aluminum alloy、lightweight

輕量化的研究是現(xiàn)代車身設(shè)計(jì)的一大主流。當(dāng)前，節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適、智能和網(wǎng)絡(luò)是汽車技術(shù)發(fā)展的趨勢，尤其是節(jié)能和環(huán)保更是關(guān)系人類可持續(xù)發(fā)展的重大問題。因此，降低燃油消耗、減少向大氣排出CO2和有害氣體及顆粒已成為汽車界主要的研究課題。減少汽車自身質(zhì)量既汽車輕量化是汽車降低燃油消耗及減少排放的最有效措施之一。目前，汽車輕量化的途徑有兩種，一是優(yōu)化汽車框架結(jié)構(gòu)；一個(gè)是在車身制造上采用輕質(zhì)材料。而目前車身制造上常采用的輕質(zhì)材料為鋁合金材料。

目前，世界交通運(yùn)輸業(yè)用鋁為產(chǎn)量的26%，而我國僅為5.7%。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們越來越追求生活質(zhì)量的提高，對交通工具的需求越來越大。因此，鋁合金材料在交通運(yùn)輸業(yè)上的發(fā)展空間還很大。而且，鋁合金是最常見的汽車用輕金屬，在汽車上使用較早，相對比較成熟。現(xiàn)代轎車發(fā)動機(jī)活塞幾乎都用鑄鋁，這是因?yàn)榛钊鳛橹饕耐鶑?fù)運(yùn)動件要靠減重來減小慣性，減輕曲軸配重，提高效率，并需要材料有良好的導(dǎo)熱性，較小的熱膨脹系數(shù)，以及在350℃左右有較好的力學(xué)性能，而鑄鋁能符合這些要求。同時(shí)由于活塞、連桿采用了鑄鋁件，減輕了重量，從而減少發(fā)動機(jī)的振動，降低了噪聲，使發(fā)動機(jī)的油耗下降，這也符合了汽車的發(fā)展趨勢。

汽車車身約占汽車總重量的30%，對汽車本身來說，約70%的油耗是用在車身質(zhì)量上的，所以汽車車身鋁化對減輕汽車重量，提高整車燃料經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。奧迪汽車公司最早于1980年在Audi80和Audi 100上采用了鋁車門，然后不斷擴(kuò)大應(yīng)用。1994年奧迪斥資800萬歐元建立的鋁材中心（1994-2002），兩年前被更名為“奧迪鋁材及輕量設(shè)計(jì)中心”。1994年開發(fā)了第一代Audi A8全鋁空間框架結(jié)構(gòu)（ASF）,ASF車身超過了現(xiàn)代轎車鋼板車身的強(qiáng)度和安全水平，但汽車自身重量減輕了大約40%。隨后于1999年在這里誕生的奧迪A2,成為首批采用該技術(shù)的量產(chǎn)車。2002年，奧迪鋁材及輕量設(shè)計(jì)中心又見證了第二代奧迪A8 的誕生。

在此期間，美鋁還開發(fā)了全新的汽車生產(chǎn)技術(shù)。如今，鋁制車身制造的自動化操作程度已達(dá)80%，趕上了傳統(tǒng)鋼制車身生產(chǎn)的自動化水平。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，這些令人振奮的全新發(fā)展動向表明了奧迪打算將鋁材料更廣泛地運(yùn)用于量產(chǎn)車的決心。此外，奧迪與美鋁一直保持著良好的合作關(guān)系，雙方合作的目標(biāo)是共同開發(fā)一款全新的可以量產(chǎn)的全鋁制車身汽車。

美鋁為全球汽車制造商提供品種繁多、性能優(yōu)異的汽車部件和總成，包括車身覆蓋件的鋁板、壓鑄輪轂、配電系統(tǒng)、底盤和懸架部件，以及保險(xiǎn)桿、發(fā)動機(jī)支架、傳動軸、車頂系統(tǒng)等總成。包括奧迪A8的第二代ASF框架結(jié)構(gòu)、寶馬5和7系列的鋁制懸架、日產(chǎn)Altima的發(fā)動機(jī)罩和輪轂、法拉利612-Scaglietti的全鋁車體結(jié)構(gòu)和捷豹XJ采用的真空壓鑄技術(shù)，美鋁的產(chǎn)品和解決方案使這些車型向著更輕量化，更技術(shù)化的方向發(fā)展。

目前，鋁合金材料在現(xiàn)代汽車輕量已經(jīng)顯示出非常重要的重用。制約鋁合金在汽車上大量應(yīng)用的主要原因之一是其價(jià)格比剛材高，為了促進(jìn)鋁在汽車上的應(yīng)用，必須降低材料成本。除開發(fā)低成本的鋁合金和先進(jìn)的鋁合金成型工藝外，回收再生技術(shù)可進(jìn)一步降低鋁的成本。擴(kuò)大鋁合金應(yīng)用的另一個(gè)研究方向是開發(fā)新的各種連接技術(shù)，今后發(fā)展的多材料結(jié)構(gòu)轎車要求連接兩種不同類型的材料（如鑄鐵-鋁、鋼-鋁、鋁-鎂等），對這些聯(lián)接技術(shù)以及對材料和零件防腐蝕的表面處理技術(shù)是今后擴(kuò)大鋁在汽車上應(yīng)用的重要課題

汽車廣泛應(yīng)用的鋁制輪轂就是鋁合金在汽車上應(yīng)用中的一個(gè)例子，鋁合金輪轂的優(yōu)點(diǎn)是：

1、省油

平均每個(gè)鋁合金輪轂比相同尺寸的鋼輪轂輕2kg，一臺轎車用5個(gè)便省了10kg重量。根據(jù)日本實(shí)驗(yàn)，5座的轎車重量每減輕1kg，一年約節(jié)省20L汽油。而美國汽車工程師學(xué)會發(fā)表的研究報(bào)告指出，鋁合金輪轂雖然比一般鋼輪轂貴，但每輛汽車跑到2萬km是，其所節(jié)省的燃料費(fèi)便足夠抵回成本。

2、增加發(fā)動機(jī)壽命

根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷與功率曲線圖，當(dāng)負(fù)荷增大至某一程度后，其功率反呈降低，此邊際將就表示此時(shí)每1單位負(fù)荷，發(fā)動機(jī)將更吃力（特別耗油），發(fā)動機(jī)負(fù)荷減輕，自然減少故障，延長壽命。

3、散熱好 鋁合金的熱傳導(dǎo)系數(shù)為鋼的3倍。散熱效果好，長途高速行駛之時(shí)，也能使輪胎保持在適當(dāng)?shù)臏囟?，使剎車鼓及輪胎不易老化，增加壽命，降低爆胎的機(jī)會。

4、真圓度好

精度高達(dá)0.05mm，運(yùn)轉(zhuǎn)平衡性能好，有利于消除一般車身超長及方向盤抖動現(xiàn)象。

5、堅(jiān)固耐用

鋁合金輪轂之耐沖擊力、抗張力及熱力等各項(xiàng)強(qiáng)度較鋼輪轂要高。這也是鋁合金在國防工業(yè)、航空工業(yè)扮演重要角色的原因之一。

6、美觀

一般鋼輪轂因生產(chǎn)所限，形式單調(diào)呆板，缺乏變化；鋁合金輪轂則有各式各樣的設(shè)計(jì)，加上光澤、顏色效果好，從而提高了汽車的價(jià)值與美德。

綜上所述，鋁合金在汽車行業(yè)上的應(yīng)用前景是很好的，但是值得我們注意的是，據(jù)波音公司稱在夢幻飛機(jī)的用材中鋁材僅占飛機(jī)自身質(zhì)量的20%，碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料卻占到50%強(qiáng)。這是迄今為止鋁材用量最少而復(fù)合材料卻占到50%多的客機(jī)。碳纖維增強(qiáng)的航空復(fù)合材料的強(qiáng)度比鋼的還高，而其密度又比鋁的低，是制造航空航天器的良好材料，不過其價(jià)格目前比航空航天鋁材貴得多，就性價(jià)比來說不是在今后一段時(shí)間內(nèi)在全部的航空器制造中都具有替代鋁材的明顯優(yōu)勢，大多數(shù)客機(jī)鋁材用量仍占其自身質(zhì)量的70%左右，但鋁材受到的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)卻是顯然的，不可掉以輕心，必須開發(fā)新的合金，新的加工工藝，大幅度提高材料的性能，迎接挑戰(zhàn)。

總之，雖然在鋁材料短缺的背景下，目前一些公司開始用其它材料代替鋁材料，但新型替代材料不會完全代替鋁材料。在未來二三十年內(nèi)，鋁材料在同類材料中仍占第一位，鋁合金材料在交通運(yùn)輸行業(yè)上更是大有作為的。

參考文獻(xiàn)：

1、王金濤.張桂林 中國對鋁材需求將不斷增長,經(jīng)濟(jì)參考報(bào)，2005年10月15日

2、王祝堂.航空鋁材受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn),中國有色網(wǎng)，2006年4月27日

3、連惠紅.身輕如燕—輕量化和鋁合金材料的應(yīng)用,車主之友，2005年10月21日

第四篇：汽車車身輕量化技術(shù)(精)（寫寫幫推薦）

汽車車身輕量化技術(shù)

[摘要]介紹了車身輕量化的重要意義和相關(guān)車身性能。從輕質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝3個(gè)方面闡述輕量化技術(shù)的主要途徑，并通過實(shí)例重點(diǎn)分析采用熱成型工藝的輕量化效果，最后對比3種輕量化技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。

[主題詞]輕量化，車身，汽車

0 引言

安全、節(jié)能和環(huán)保已成為消費(fèi)者最關(guān)心的汽車性能指標(biāo)。如何開發(fā)出更安全、節(jié)能、環(huán)保的汽車也是當(dāng)今汽車廠商的重點(diǎn)技術(shù)發(fā)展方向。汽車安全的重要性不言而喻，涉及到人身安全；節(jié)能和環(huán)保，不僅影響到用戶的用車成本，也關(guān)系到可持續(xù)發(fā)展。目前，各國已有諸多安全和排放法規(guī)來強(qiáng)制規(guī)范汽車產(chǎn)品的安全和環(huán)保性能。

研究資料表明，汽車的燃油消耗與汽車的自身質(zhì)量成正比，汽車質(zhì)量每減輕1%，燃油消耗降低0.6%-1.0%，燃油消耗下降，排放也隨之減少。因此減少汽車自身質(zhì)量成為提高節(jié)能環(huán)保性能的有效途徑。而白車身作為車身骨架一般占整車質(zhì)量的22%—25%，其輕量化對降低整車質(zhì)量意義重大。因此，汽車車身輕量化技術(shù)成為現(xiàn)代汽車開發(fā)技術(shù)一個(gè)重點(diǎn)課題。車身輕量化的基礎(chǔ)

車身輕量化必須在保證汽車安全性的前提下，同時(shí)達(dá)到車身剛度、疲勞耐久性、操控穩(wěn)定性和振動舒適性等要求。

1.1 車身結(jié)構(gòu)安全

車身結(jié)構(gòu)安全屬于汽車的被動安全范疇，目的在于保護(hù)車內(nèi)乘員的安全。

自20世紀(jì)50年代起，許多國家陸續(xù)開始制定汽車被動安全法規(guī)。目前各國汽車被動安全法規(guī)有：美國聯(lián)邦機(jī)動車法規(guī)體系(FMVSS)和歐洲法規(guī)體系(ECE／EEC)。而我國強(qiáng)制性汽車被動安全標(biāo)準(zhǔn)(GB)主要是參考?xì)W洲法規(guī)體系。另外還有各國的新車評價(jià)體系(NCAP)全面地為消費(fèi)者提供汽車安全性能方面的信息。

車身結(jié)構(gòu)安全直接影響到汽車是否滿足這些被動安全法規(guī)。其包括正面碰撞、側(cè)面碰撞、后面碰撞、翻滾和低速碰撞等。車身結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上一般分為低速行人保護(hù)區(qū)，相容吸能區(qū)和乘員保護(hù)區(qū)。

1.2 車身剛度

評價(jià)車身結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的主要指標(biāo)是車身剛度，包括動態(tài)剛度和靜態(tài)剛度，靜態(tài)剛度又包含扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度兩個(gè)方面。在車身輕量化中，必須保證達(dá)到車身剛度的要求，這樣才能使汽車的疲勞耐久性和振動舒適性等不受影響。

1.3 車身輕量化系數(shù)

為了評價(jià)輕量化的效率，引申出了車身輕量化系數(shù)的概念，其可通過如下公式計(jì)算：

式中，Lq為輕量化系數(shù)；MBIW為白車身質(zhì)量；CT為白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度；A為白車身投影面積，由整車軸距與輪距相乘獲得。輕量化系數(shù)Lq值越小，表示車身輕量化做得越好。車身輕量化的途徑

2.1 采用輕質(zhì)材料

2.1.1 超高強(qiáng)度鋼板

按照抗拉強(qiáng)度的不同，鋼材一般分為普通鋼、高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼。抗拉強(qiáng)度小于210MPa的稱為普通鋼；抗拉強(qiáng)度在210—550MPa之間的成為高強(qiáng)度鋼；抗拉強(qiáng)度超過550MPa的稱為超高強(qiáng)度鋼。

超高強(qiáng)度鋼主要有：相變誘導(dǎo)塑性鋼TRIP，雙相鋼DP，復(fù)相鋼CP，以及馬氏體鋼Mart等。由于馬氏體鋼抗拉強(qiáng)度約為1200MPa，其一般采用滾壓成型工藝制造，用于車門防撞桿和門檻加強(qiáng)板等零件。目前車身上使用的超高強(qiáng)度鋼，主要是稱為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS)的，其是利用金相組織強(qiáng)化得到的鋼種，具有強(qiáng)度、延伸和塑性的各方面優(yōu)良的綜合性，其抗拉強(qiáng)度范圍為500—1500MPa。另外還比較多地采用熱成型鋼，成型后零件的材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到1800MPa。

圖1為目前某一較新車型的不同強(qiáng)度鋼材分布，可以看出，目前該車型的超高強(qiáng)度鋼比例已經(jīng)達(dá)到11%，高強(qiáng)度鋼比例為11%，普通鋼只占27%。而從保證車身碰撞安全性的角度來看，高強(qiáng)度鋼的用量將直接決定車身輕量化的水平。

2.1.2 鋁合金

鋁合金是在汽車輕量化中應(yīng)用相對成熟的輕質(zhì)材料。奧迪汽車公司最先在Audi80和Audi100兩款車型上采用了鋁車門。1994年開發(fā)了第一代全鋁空間框架結(jié)構(gòu)(ASF)。ASF車身超過了現(xiàn)代同類鋼板車身的車身剛度和被動安全性，但汽車自身質(zhì)量卻減輕了大約40%。

但是鋁材價(jià)格相對較高，是鋼材價(jià)格的3倍左右，且鋁制產(chǎn)品成型工藝相對復(fù)雜，這是制約鋁合金輕量化應(yīng)用的因素。除開發(fā)低成本的鋁合金和先進(jìn)的鋁合金成型工藝，發(fā)展回收再生技術(shù)以進(jìn)一步降低鋁的成本之外，擴(kuò)大鋁合金應(yīng)用的另一個(gè)研究方向是開發(fā)新的各種聯(lián)接技術(shù)，如鑄鐵—鋁連接、鋁—鋼連接、鋁—鎂連接等。

2.1.3 鎂合金

鎂合金是比鋁合金密度更小的輕質(zhì)材料。其耐熱耐壓耐腐蝕且易于回收利用。歐洲正在使用和研制的鎂合金汽車零部件有60多種。駛多飛集團(tuán)與德國大眾合作，準(zhǔn)備將其專利產(chǎn)品鎂合金MnE21替代某車型白車身上的多個(gè)鋼板零件，如前后保險(xiǎn)杠、車頂橫梁和車門防撞桿等。如果替代成功，將大大減輕該車的車身質(zhì)量。

2.1.4 工程塑料

目前已有采用工程塑料的車身翼子板，其相比金屬可以實(shí)現(xiàn)40%的減重，且其能耐侵蝕和輕微碰撞，在低速碰撞的情況下無需維修，從制造角度相比金屬有更大的造型自由度提升，也便于零件集成，從滿足行人保護(hù)方面考慮，也是理想的選擇。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用有限元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。在車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通常采用的優(yōu)化方法有：拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀和尺寸優(yōu)化。其中拓?fù)鋬?yōu)化在結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)階段應(yīng)用較多。形貌優(yōu)化可以對加強(qiáng)筋的形式、走向和位置深度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，形狀和尺寸優(yōu)化可以對飯金件的型面和板厚進(jìn)行優(yōu)化。

一般優(yōu)化問題可以通過下列關(guān)系表述：

式中

在設(shè)定優(yōu)化變量時(shí)，可以通過車身鈑金零件的靈敏度分析，選擇對目標(biāo)函數(shù)貢獻(xiàn)較大零件尺寸參與優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。變量的變化范圍則結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中的零件尺寸限制而定。

在發(fā)動機(jī)艙蓋內(nèi)板和車門防撞桿的設(shè)計(jì)中，可以應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化和形狀優(yōu)化的組合，選擇更合理的內(nèi)板上開孔位置、筋的走向和深度，優(yōu)化車門防撞桿的型面。

為一個(gè)n維向量，XL和XU分別是設(shè)計(jì)變量的上限和下限。

2.3 制造工藝

2.3.1 熱成型

熱成型工藝中，是將材料加熱到再結(jié)晶溫度以上，使板料在奧氏體狀態(tài)時(shí)進(jìn)行成形，降低板料成形時(shí)的流動應(yīng)力，由此來提高成形性。把材料放在加熱爐加熱5+10min使其溫度達(dá)到900—950℃，之后進(jìn)行沖壓加工及冷卻。

通過熱成型工藝加工出的零件優(yōu)勢明顯，其具有很高的強(qiáng)度和延伸性，可以大幅的減輕零件重量，能保持高的形狀精度，沖壓時(shí)無回彈，可加工成復(fù)雜形狀。在車身中采用一定數(shù)量的熱成型零件后，可以大幅提高車身防撞安全性能。

圖2為某車型熱成型零件分布，該車型采用熱成型的零件有：前保險(xiǎn)杠橫梁、前圍下框前地板橫梁、中央通道左右B柱加強(qiáng)板、左右A柱加強(qiáng)板。8個(gè)零件所在區(qū)域正是從充分滿足碰撞安全性要求而設(shè)計(jì)布置的，保險(xiǎn)杠可增強(qiáng)正面碰撞和低速碰撞安全性，而其它7個(gè)零件其構(gòu)成乘員保護(hù)區(qū)，在側(cè)面碰撞和正面碰撞中都可以很好地保護(hù)車內(nèi)乘員。

如圖3和圖4所示，原方案采用B柱加強(qiáng)板和B柱加強(qiáng)內(nèi)板兩個(gè)零件組合，板厚均為2.5mm；而熱成型方案采用B柱加強(qiáng)板一個(gè)熱成型零件，板厚為1.85mm。左右兩側(cè)B柱都采用熱成型方案之后，可減重接近10kg。從設(shè)計(jì)選擇的過程可知，其輕量化效果十分顯著，采用更多的熱成型零件，尤其在乘員保護(hù)區(qū)采用熱成型零件，是車身輕量化設(shè)計(jì)的方向。

2.3.2 液壓成型

液壓成型，是指利用液體作為傳力介質(zhì)或模具使工件成型的一種塑性加工技術(shù)，也稱為液力成型。其按介質(zhì)可分為水壓成型和油壓成型兩種；按加工坯料分為管材液壓成型、板料液壓成型和殼體液壓成型。液壓成型與沖壓焊接工藝比較，其僅需要凸?；虬寄?，液體介質(zhì)作為凸模或凹模，當(dāng)液體作為凸?？梢灾圃旌芏鄤傂阅o法成型的復(fù)雜零件。且液體作為傳力介質(zhì)具有可控性，具有很高的工藝柔性。

車身結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多的是板料液壓成型。采用液壓成型除了能實(shí)現(xiàn)輕量化，同時(shí)增強(qiáng)車身剛強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)安全性之外，還能減少零件數(shù)量，從而也減少了模具數(shù)量和費(fèi)用，減少了后續(xù)機(jī)加工和焊接等加工工序，降低了總制造費(fèi)用。因此，液壓成型工藝近年來得到快速發(fā)展。

目前車身中已有儀表板橫梁、散熱器支架、座椅骨架、保險(xiǎn)杠橫梁、頂側(cè)框等零件采用了液壓成型工藝制造。

2.3.3 變截面板技術(shù)

在車身上應(yīng)用的變截面板有激光拼焊板(TWB)，連續(xù)變截面板(TRB)和搭接板(PB)。

TWB技術(shù)是指在零件沖壓成形前將兩塊或多塊具有相同厚度或不同厚度的相同鋼種材料或不同鋼種材料的板件通過激光焊接連接起來的一項(xiàng)新技術(shù)。

采用激光焊接板不僅是一種輕量化途徑，還可以減少汽車零部件的數(shù)量。車身結(jié)構(gòu)的精度可以得到很大提高，許多沖壓設(shè)備和加工工序可以得到縮減。另外，采用激光焊接板可以提高原材料利用率，通過在落料工序中采用排料技術(shù)，將型號和板厚不同的鋼板合理組合從而降低材料廢料率。

目前，國內(nèi)合資廠已有很多車型采用激光拼焊板，主要集中在上縱梁、前縱梁、前圍板、中央通道、后縱梁、前地板、前門內(nèi)板、B柱加強(qiáng)板、側(cè)圍內(nèi)板等零件。

如圖5為前縱梁，前面部分板厚為1.75mm，屬于車身結(jié)構(gòu)的相容吸能區(qū)，中間部分板厚為2.6mm，屬于車身結(jié)構(gòu)的乘員保護(hù)區(qū)，后面部分板厚為1.35mm，這樣的板厚分布既保證了碰撞安全性，又達(dá)到了輕量化的效果。同樣地，中央通道前部板厚為1.5mm，后部板厚為1.2mm，前部屬于乘員保護(hù)區(qū)。

TRB是通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制和調(diào)整軋輥的間距，以獲取沿軋制方向上按預(yù)先定制的厚度連續(xù)變化的板材。

與TWB相比，TRB成型性能更佳，有連續(xù)、光滑的表面，可作車身外覆蓋件。但受設(shè)備的限制，連續(xù)變截面板厚度變化有局限，而且不能把不同材料軋?jiān)谝黄?。因此目前激光焊接板?yīng)用更廣，將來連續(xù)變截面板的應(yīng)用也會越來越多。

PB是指將兩塊鋼板先搭接在一起然后一起放入模型進(jìn)行沖壓成型的工藝。目前在某車型的門檻加強(qiáng)板上也得到應(yīng)用，如圖6所示。這樣使車身具有更好的碰撞安全性，同時(shí)還節(jié)省了使兩個(gè)零件連接的焊接工序。結(jié)語

車身輕量化技術(shù)是輕質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造工藝的集成應(yīng)用。得益于近年來新材料研究的迅速發(fā)展，輕質(zhì)材料可選范圍不斷擴(kuò)大，但是目前高強(qiáng)度鋼仍是最主要的應(yīng)用最多的輕質(zhì)材料。而結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)則要依托CAE的輔助，不斷采用更高效的仿真計(jì)算和優(yōu)化方法，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出更輕量化的結(jié)構(gòu)是發(fā)展方向。而通過先進(jìn)制造工藝實(shí)現(xiàn)輕量化，對廠家的制造工藝水平要求較高，因此國外歐美汽車制造商和國內(nèi)合資廠運(yùn)用較多。如何實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化，達(dá)到最好的節(jié)能環(huán)保效果，應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品定位，優(yōu)化設(shè)計(jì)能力和制造工藝水平進(jìn)行整體考慮，同時(shí)考慮成本因素，在滿足車身剛度、結(jié)構(gòu)安全性、疲勞耐久性、操控穩(wěn)定性等前提下，選擇最合適的輕量化途徑，最終增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力。

第五篇：車身輕量化材料——高強(qiáng)度鋼板熱成形技術(shù)

車身輕量化材料——高強(qiáng)度鋼板熱成形技術(shù)

.汽車用高強(qiáng)度鋼板

長期以來，鋼鐵一直是汽車工業(yè)的基礎(chǔ)，雖然汽車制造中鋁和塑料的用量不斷增加，但鋼鐵材料仍是汽車的主要材料。21世紀(jì)的汽車行業(yè)，降低燃料消耗、減少CO2和廢氣排放已成為社會的需求，作為材料生產(chǎn)廠的鋼鐵業(yè)為了適應(yīng)這種發(fā)展趨勢，已開發(fā)出許多種類的高強(qiáng)度鋼板來幫助減輕汽車重量，適應(yīng)汽車工業(yè)的新要求。近年來，超輕超薄高強(qiáng)度鋼板的品質(zhì)和性能大大提高，相信到2020年，高強(qiáng)度鋼板在汽車上的使用率將超過70%。1.1 高強(qiáng)度鋼板等級劃分

對于高強(qiáng)度鋼的定義，一直并無定論，被鋼鐵界普遍認(rèn)同的是ULSAB-AVC(Ultra Light Steel Auto Body-Advanced Vehicle Concept)聯(lián)合會進(jìn)行的劃。將屈服強(qiáng)度為210—550MPa的鋼定義為高強(qiáng)度鋼(HSS，High Strength Steel)，也就是傳統(tǒng)的高強(qiáng)度鋼，典型的如碳錳(CMn)鋼、烘烤硬化鋼(BH)等。屈服強(qiáng)度為550MPa以上的鋼定義為超高強(qiáng)度鋼(UHSS，Ultra High Strength Steel)，典型的如孿晶誘導(dǎo)塑性鋼(TWIP鋼)、熱成形鋼(HF)等。而先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS，Advanced High Strength Steel)的屈服強(qiáng)度覆蓋于HSS和UHSS之間的強(qiáng)度范圍，在500-1500MPa之間，典型的如雙相鋼(DP鋼)、相變誘發(fā)塑性鋼(TRIP鋼)、馬氏體鋼(MART鋼)。圖1為各類汽車用鋼板的屈服強(qiáng)度與延伸率的關(guān)系，隨著強(qiáng)度的提高，延伸率下降。在ULSAB-AVC項(xiàng)目中，為了同常規(guī)的高強(qiáng)度鋼板區(qū)別開來，把DP鋼、TRIP鋼和B鋼等以相變強(qiáng)化為主的鋼板統(tǒng)稱為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板，這類鋼板具有高的減重潛力、高的碰撞吸收能，在汽車輕量化和提高安全性方面起著非常重要的作用，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)。

圖1 各類汽車用鋼板的屈服強(qiáng)度

與延伸率關(guān)系圖

1.2 汽車用熱成形高強(qiáng)度鋼板

先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板是車身輕量化的主要發(fā)展方向，為了兼顧輕量化與碰撞安全性以及高強(qiáng)度下沖壓件回彈與模具磨損等問題，熱成形高強(qiáng)度鋼及其成形工藝和應(yīng)用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前凡是達(dá)到U-NCAP碰撞4星或5星級水平的乘用車型，其安全件(A/B/C柱、保險(xiǎn)杠、防撞梁等)大都采用了抗拉強(qiáng)度1500MPa、屈服強(qiáng)度1200MPa的熱成形鋼。同時(shí)，在先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板的冷成形中，為了解決成形裂紋和形狀凍結(jié)性不良等問題，熱沖壓材料的開發(fā)和應(yīng)用引人注目，已用其進(jìn)行了強(qiáng)度高達(dá)1470MPa級汽車部件的制造。

目前，世界上熱成形用鋼幾乎都選用硼鋼種，因?yàn)槲⒘康呐?B)可以有效地提高鋼的淬透性，可以使得零件在模具中以適宜的冷卻速度，獲得所需的馬氏體組織，從而保證零件的高強(qiáng)度水平。硼的作用在20世紀(jì)50年代早期就被人們所認(rèn)識，硼只有固溶在鋼中才能起到強(qiáng)化作用。由于硼與氧和氮有強(qiáng)烈的化學(xué)親和力，因此在鋼中添加硼時(shí)都需要添加一些強(qiáng)氧化物和氮化物形成元素，如鋁、鋯和鈦等。固溶的硼偏析在奧氏體晶粒邊界，延遲了鐵素體和貝氏體的形核進(jìn)而增加了鋼的強(qiáng)度。含硼超高強(qiáng)度鋼板的強(qiáng)度可以高達(dá)1500Mpa，為普通鋼板強(qiáng)度的3～4倍，將其應(yīng)用于汽車零部件不僅可以直接減少料厚、降低車身重量，還可以提高汽車的安全性，以及相關(guān)聯(lián)的降低油耗、節(jié)約能源、減少汽車排放等。并且硼鋼屬于含硼高強(qiáng)度鋼板，廢物可以充分回收利用，有利于降低環(huán)境污染。常用的鋼種包括：Mn-B系(上海寶鋼開發(fā))熱成形用鋼、Mn-Mo-B系(北美、歐洲等多用此系列)、Mn-Cr-B系(高淬透性熱成形鋼)、Mn-Cr系(部分馬氏體熱成形鋼)、Mn-W-Ti-B系(如韓國POSCO 公司開發(fā)的高烘烤硬化細(xì)晶粒熱成形鋼)。高強(qiáng)度鋼板熱成形加工工藝

2.1 熱成形加工工藝基本原理 2.1.1熱成形理論基礎(chǔ) 熱成形工藝與傳統(tǒng)的成形工藝相比，其特點(diǎn)是在板料上存在著一個(gè)不斷變化的溫度場。那么熱成形用鋼板的成分就有一些特殊的要求，其成分設(shè)計(jì)也要適應(yīng)熱成形過程中的熱循環(huán)。在這個(gè)溫度場的影響下，板料的基體組織和力學(xué)性能發(fā)生了變化，從而板料的應(yīng)力場也發(fā)生了變化。在成形過程中，板料的應(yīng)力場變化又反作用于溫度場，如圖2。熱成形工藝，正是這樣一個(gè)板料內(nèi)部溫度場與應(yīng)力場同時(shí)共存，相互作用，耦合的變化過程，對板料在成形過程中的流動、變形等造成影響。表1簡單地描述了這些相互作用。

圖2 應(yīng)力場、溫度場和金屬微觀組織的相互作用

表1 應(yīng)力場、溫度場和金屬微觀組織的相互作用的描述

2.1.2 實(shí)際熱成形加工工藝

實(shí)際熱成形工藝原理如圖5。首先把常溫下強(qiáng)度為500~600 MPa的高強(qiáng)度硼合金鋼板加熱到880~950℃，使之均勻奧氏體化，然后送入內(nèi)部帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，之后保壓快速冷卻淬火，使奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，成形件因而得到強(qiáng)化硬化，強(qiáng)度大幅度提高。比如經(jīng)過模具內(nèi)的冷卻淬火，沖壓件強(qiáng)度可以達(dá)到1500 MPa，強(qiáng)度提高了250%以上，因此該項(xiàng)技術(shù)又被稱為“沖壓硬化”技術(shù)。實(shí)際生產(chǎn)中，熱沖壓工藝又分為兩種，即直接工藝和間接工藝。圖3(a)所示的是直接工藝，下料后，直接把鋼板加熱然后沖壓成形，主要用于形狀比較簡單變形程度不大的工件。對于一些形狀復(fù)雜的或者拉深深度較大的工件，則需要采用間接工藝，先把下好料的鋼板預(yù)變形，然后再加熱實(shí)施熱沖壓，如圖3(b)。

(a)直接工藝(b)間接工藝

圖3 工藝說明圖

2.2熱成形加工關(guān)鍵技術(shù)

對高強(qiáng)度鋼板的熱成形技術(shù)，我們需要重點(diǎn)關(guān)注的是用鋼選擇、熱成形用鋼的表面鍍層、模具設(shè)計(jì)和熱成形零件的檢測問題。

2.2.1 熱成形用鋼選擇

熱成形用鋼的選擇是保證熱成形零件性能的重要一環(huán)。高強(qiáng)度鋼板的熱成形性主要分包括以下形式：深沖成形性、脹形成形性以及延伸凸緣成形性等。一般認(rèn)為：深沖成形性取決于鋼板塑性應(yīng)變化的Lankford值；脹形成形性取決于鋼板的延性；而延伸凸緣成形性取決于鋼板的局部變形能和顯微組織均勻性。B在支配延伸凸緣成形性和彎曲成形性的顯微組織均勻化方面起到了重要作用，故一直采用F+B和B單一組織；而且為了實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度化目標(biāo)，也采用了低碳M。馬氏體鋼中的22MnB5鋼的原理與此相符，是典型的熱沖壓材料鋼(具體成分見表2)，它利用鈦和硼微合金化的方法，通過熱成形后急冷獲得高的成形度和極高的強(qiáng)度(圖4)。目前，熱成形MnB鋼板在歐美和日本主要汽車制造企業(yè)已經(jīng)開始使用，如新型Golf V6車有5個(gè)零部件用MnB鋼制成，最新的第六代PASSAT車型有9個(gè)這樣的部件。圖5是寶鋼開發(fā)的熱沖壓成形用含硼鋼的CCT(連續(xù)冷卻相變)曲線，經(jīng)過 950℃左右單相奧氏體區(qū)的加熱保溫后，當(dāng)冷卻速度大于15℃/s后，鋼板的組織轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體組織，其硬度為HV450～500，強(qiáng)度達(dá)到1300—1500MPa。

圖4 熱成形過程中22MnB5鋼的性能變化示意圖

圖5 熱沖壓用鋼板典型CCT曲線 2.2.2 熱成形用鋼的表面鍍層

用于熱成形的硼鋼，將之加熱到奧氏體形變點(diǎn)以上，金屬模沖壓成形與淬火幾乎同時(shí)進(jìn)行。但是對熱成形用鋼的研究表明，由于延伸性和韌性的不足，較之其高強(qiáng)度的性能，熱成形用鋼不能獲得充分的沖擊吸收能(即韌性值不高)。因此，如何調(diào)整其成分以改善這些特性是今后的重要課題。在熱成形過程中，鋼板在高溫下暴露于空氣中，不可避免地會引起表面的氧化，形成氧化鐵皮，為了不影響后續(xù)的涂裝工序，熱成形后的零件需要經(jīng)過噴丸或酸洗去掉鋼板表面的氧化鐵皮，這無形中又增加了生產(chǎn)成本。與此同時(shí)，鋼板在氧化的同時(shí)也會引起鋼板表面的脫碳，進(jìn)而影響鋼板的強(qiáng)度。此外，隨著汽車零件耐腐蝕性能要求越來越高，表面進(jìn)行鍍層處理的鋼板越來越受到人們的重視，一系列熱成形用鍍層鋼板被相繼開發(fā)出來，同常規(guī)的冷成形用鍍層鋼板不同，熱沖壓用鋼板的鍍層需要具備抗高溫和耐腐蝕的特點(diǎn)。目前開發(fā)的用于熱成形的鍍層板包括：鍍Al板、鍍Al-Si合金板和鍍Zn板等。韓國POSCO鋼鐵公司正在開發(fā)納米鍍層板，以提高鍍層的結(jié)合力，防止鍍層在加熱和成形淬火過程中剝落。

2.2.3 熱成形模具設(shè)計(jì)

由于熱成形過程中鋼板及模具都在900℃以上到室溫這一復(fù)雜的溫度中變化，并且模具集板料成形與淬火過程于一身，所以模具設(shè)計(jì)是熱成形技術(shù)的另一個(gè)難點(diǎn)問題。其主要技術(shù)流程包括模具表面設(shè)計(jì)、模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等?？捎糜?jì)算機(jī)和LS-DYNA軟件進(jìn)行成形模擬和冷卻過程模擬，利用材料的高溫性能如流變曲線、摩擦系數(shù)、FLD等參量進(jìn)行成形模擬，并進(jìn)行熱傳遞模擬，這一過程實(shí)際是熱力學(xué)、機(jī)械學(xué)耦合模擬。其模擬結(jié)果將作為模具設(shè)計(jì)方案確定的重要依據(jù)，并據(jù)此進(jìn)行原型試生產(chǎn)和批量生產(chǎn)。同時(shí)，我們還可利用計(jì)算機(jī)模擬，進(jìn)行碰撞分析和靜載壓潰分析。(1)模具材料的選擇。

熱成形的模具材料相比常規(guī)成形提出了更高的要求。不僅要求模具有良好的熱強(qiáng)度、熱硬度，高的耐磨性和疲勞性能，而且要能保證成形件的尺寸精度。同時(shí)要能夠抵抗高溫板料對模具產(chǎn)生的強(qiáng)力熱摩擦以及脫落的氧化層碎片及顆粒在高溫下對模具表面的磨粒磨損效應(yīng)，并且能夠穩(wěn)定的工作在劇烈的冷熱交替條件下。根據(jù)模具的加熱溫度，選用合理的模具材料，一般需要參考熱鍛用熱作模具鋼，選用合理的模具材料。蒂森的熱沖壓模具，采用具有很高熱傳導(dǎo)系數(shù)的模具材料(Glidcop—一種Al2O3/Cu復(fù)合材料)。(2)模具凸、凹模設(shè)計(jì)。

由于熱脹冷縮的影響，零件最終的尺寸和沖壓成形時(shí)的尺寸存在一定的誤差，因此為保證零件的尺寸精度，必須在考慮熱脹冷縮效應(yīng)的基礎(chǔ)上合理確定模具凸、凹模的尺寸。(3)冷卻機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

對于熱成形零件冷卻機(jī)構(gòu)的選擇既要保證零件的冷卻速度足夠大，如某硼鋼的臨界冷卻速度為30℃/s，使奧氏體盡可能多地轉(zhuǎn)化成馬氏體，保證零件的強(qiáng)度。而且還要避免零件和模具因冷卻速度過大而引起開裂。通常采用在模具內(nèi)通冷卻水的方式對模具并通過模具對成形后的零件進(jìn)行冷卻。

(4)目前板材熱成形工藝應(yīng)用中尚存在的難點(diǎn)熱成形工藝作為一種新型的、特殊的工藝也有其自身的缺點(diǎn)。

a)零件成形后冷卻速度和保壓時(shí)間難控制。

b)由于熱加工成形的零件在冷卻至室溫的過程中，不同部位冷卻速度不同會導(dǎo)致零件發(fā)生嚴(yán)重的變形，從而影響成形零件的尺寸精度。

c)由于熱成形零件后續(xù)加工難度大，因而只能是應(yīng)用于一道工序即可成形的簡單零件，如梁、柱等類型的零件。同時(shí)，熱成形工序并入現(xiàn)有沖壓車間難度大。

d)與普通沖壓模具相比，由于受模具材料的強(qiáng)度選擇、模具熱處理工藝、高應(yīng)力集中、模具表面溫度頻繁升高和降低、以及由于模具凸、凹模表面的高溫軟化加劇了磨損等因素的影響，熱成形模具容易失效，導(dǎo)致模具使用壽命降低。2.2.4 熱成形零件的檢測

熱成形零件具有的壓潰性能(碰撞后的低的侵入)決定了其很適合用于安全件。熱成形零件的加工通常需要經(jīng)過激光切割、沖裁孔、點(diǎn)焊、冷成形、裝配以及油漆等工序，因此對熱成形零件需要檢測的內(nèi)容很多。首先是要對熱成形零件進(jìn)行力學(xué)性能檢測、形狀檢測、厚度分布檢測和引入的內(nèi)應(yīng)力檢測，還要根據(jù)不同零件的不同要求，采用不同的方法進(jìn)行實(shí)物性能檢測。對于一個(gè)合格的熱成形零件，應(yīng)當(dāng)滿足高強(qiáng)度、輕量化和安全性的要求，同時(shí)還應(yīng)具備好的強(qiáng)度與韌性結(jié)合性、尺寸穩(wěn)定性、可加工性(幾何尺寸穩(wěn)定性)、可焊性以及疲勞抗力等。熱成形鋼技術(shù)應(yīng)用發(fā)展

國內(nèi)首家熱沖壓零部件有限公司于05年在寶鋼成立。并且用于熱沖壓成形的高強(qiáng)度鋼—硼鋼，也是由上海寶鋼獨(dú)家供貨。寶鋼生產(chǎn)的硼鋼牌號為：1.85mm以上熱軋，BR1500HS；1.85mm以下冷軋，B1500HS。與歐洲熱沖壓高強(qiáng)度鋼22MnB5對應(yīng)。屈服強(qiáng)度1000MPa、抗拉強(qiáng)度1400MPa、延伸率5%。相對于熱沖壓零部件有限公司的批量生產(chǎn)，寶鋼股份研究院技術(shù)中心擁有獨(dú)立的試制生產(chǎn)線。從2005年開始，已完成車身165個(gè)件的試制，其中12個(gè)樣件一次試制成功。表3為寶鋼熱沖壓機(jī)組相關(guān)參數(shù)。表3 寶鋼熱沖壓機(jī)組相關(guān)參數(shù)

近幾年來，熱成形制造的零件的應(yīng)用越來越廣泛。中國上海大眾在PASSATB6等多款車型中，熱成形的部分占據(jù)了整個(gè)車身質(zhì)量的15%，一般用在A/B/C柱及加強(qiáng)板還有中央通道、保險(xiǎn)杠支架等地方。將典型的熱成形用鋼22MnB5在沖壓前加熱到950℃附近，然后在一個(gè)水冷模具中加壓成形，再通過模具淬火最終零件的強(qiáng)度可以將大眾汽車提到的1500MPa。但是在強(qiáng)度提高的同時(shí)，硼鋼的沖擊韌性受到越來越多的關(guān)注。由于微觀組織全是由非常硬的馬氏體構(gòu)成，韌性就降低了，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵。因?yàn)樵谂鲎苍囼?yàn)中，這些零件通常都是放在用來承受很高的沖擊載荷的地方。但是，現(xiàn)在還沒有可靠的材料可以用來進(jìn)行韌性與脆性之間的轉(zhuǎn)換。在蒂森公司最近對淬火－回火的厚坯的研究中提到，鈮微合金化的應(yīng)用可以提高熱成形鋼的韌性。在這種情況下，用來防止硼和溶解的鈮相結(jié)合，鈦應(yīng)該由鈮和鋁的化合物取代。這樣做的結(jié)果是造成裂紋起始點(diǎn)的TiN粒子可以避免或被細(xì)小的碳、氮鈮化物沉淀取代，從而降低熱軋時(shí)晶粒尺寸，同樣也可以在沖壓前加熱到950℃的過程中限制晶粒的長大。通常，晶粒細(xì)化對韌性是有利的。

由高強(qiáng)度板熱成形制造的車身零部件如圖6所示。與傳統(tǒng)成形零件相比，熱成形零件具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)高強(qiáng)度：屈服強(qiáng)度可達(dá)到1200MPa，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1600MPa-2000MPa。2)高硬度：高達(dá)6t的靜壓不損壞。3)輕量化：板厚比傳統(tǒng)鋼板減薄達(dá)35%。

4)消除回彈影響，提高制造精度。

圖7 高強(qiáng)度鋼板熱成形零部件

(前后保險(xiǎn)杠、A柱、B柱、C柱、車頂構(gòu)架、車底通道框架、儀表臺支架以及車門內(nèi)板、車門防撞桿等)結(jié)束語

綜上可知，高強(qiáng)度鋼以其輕質(zhì)、高強(qiáng)度的特點(diǎn)仍是汽車用鋼材的首選，并已成為滿足汽車減重和增加碰撞性能和安全性能的重要途徑。但是，常規(guī)高強(qiáng)度鋼在室溫下不僅變形能力很差，而且塑性變形范圍很窄，所需沖壓力大、容易開裂。同時(shí)，成形后零件的回彈增加，導(dǎo)致零件尺寸和形狀穩(wěn)定性變差。因此傳統(tǒng)的成形方法難以解決高強(qiáng)度鋼板在汽車車身制造中遇到的問題。熱沖壓成形技術(shù)便是解決上述問題的一種新型成形技術(shù)。近年來，世界各國汽車業(yè)投入大量的精力來開展以硼鋼為主的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板開發(fā)及熱成形技術(shù)的研究，并取得了長足的發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)在我國還屬于起步階段，因此對超高強(qiáng)度硼鋼熱成形技術(shù)的研究對我國的汽車工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。