汽車輕量化設計︱節能減排和新能源車
近年來，汽車保有量及產量在不斷增長，由不可再生的燃油消耗及環境污染帶來的壓力也越來越大，隨著節能減排的需求及國家環保政策逐漸加嚴，汽車輕量化越來越受到關注。
1. 整車輕量化的意義
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燃油車輛 |
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車身質量 |
↓10% |
↓100Kg |
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燃油效率 |
↑6%~8% |
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油耗 |
↓6-8% |
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排放 |
↓4% |
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加速動力性 |
↑7% |
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制動距離（低速） |
縮短2-7m |
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制動距離（高速） |
縮短1-2m |
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燃油車輛 |
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車身質量 |
↓10% |
↓100Kg |
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行程 |
↑8% |
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續航里程 |
15-20km |
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2. 整車輕量化的實現途徑
整車輕量化是一個整體概念，不能靠一兩個零件的減重來實現，應從設計開始入手，制定品質目標設計，性能目標設計，減重目標，給整車重量進行重量管理，達到減重的目標。汽車輕量化從實現途徑看，可分為：輕量化結構設計及優化、先進的輕量化材料應用、和先進輕量化制造技術的應用。
（1）輕量化結構設計及優化
車身重量約占汽車自重的1/3，車身結構的設計以及車身材料的選擇是車身重量減輕的關鍵因素。
車身減重的常見的輕量化材料分為金屬及非金屬兩大類，金屬材料主要包含：高強鋼，鋁合金、鎂合金等，非金屬材料包含：改性塑料和復合材料等。
所用材料相關物性如下：
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材料體系 |
拉伸強度（MPa） |
拉伸模量（GPa） |
密度 （g/cm³） |
比強度MPa/（g/cm³） |
比剛度 GPa/（g/cm³） |
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鋁合金 |
420 |
72 |
2.8 |
116 |
26 |
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鎂合金 |
220 |
45 |
1.8 |
138 |
25.85 |
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鋼 |
1200 |
206 |
7.8 |
153 |
26
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（2）先進的輕量化材料應用
輕量化材料的應用一般包含：輕質復合材料，微發泡材料，低密度PP材料，薄壁輕量化材料等。
輕質復合材料：
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編號 |
材料類別 |
材料定義 |
零件中玻纖保留長度 |
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1 |
SGF |
短波增強熱塑性顆粒材料 |
0.2-0.4mm |
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2 |
LFT-G |
注塑級長玻纖熱塑性顆粒材料 |
1-3mm |
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3 |
LFT-D |
長纖維增強熱塑性材料在線模壓成型工藝技術 |
厘米級 |
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4 |
GMT |
玻璃氈增強熱塑性塑料片材，分為連續玻纖及短玻纖 |
2.5-10cm |
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5 |
CFRT |
連續增強熱塑性塑料片材 |
連續玻纖單向增強
|
A. 微發泡材料通過特殊的微發泡注塑設備，使零件內形成微小的氣孔，從來達到減重的目的。目前在寶馬車的儀表板已經采用，可以減重約20%。
B. PP塑料的使用約占整車塑料的使用量的70%左右，而PP塑料及PP改性塑料的密度一般在0.9-1.15克/立方厘米，在滿足使用性能要求的情況，選擇低密度的PP塑料，也有助于減輕整車重量。
C. 薄壁輕量化材料，隨著材料技術及工藝技術的進步， 要求的材料具有三高特性，如高流動、高韌性、高模量。常規塑件的厚度3.0-3.5mm也逐漸薄壁化轉變，如前后保厚度一般為2.5mm，最低可做到1.8mm厚度，可以減重約20%-40%左右。
D. 其他材料的使用，如洋麻植物纖維等在內飾上的使用，可有效的達到了減重的重量，但該材料具有的煙煤色若隱若現的天然纖維結構，給予獨特的視覺和觸覺感受 （露纖，按目前主流的外觀審核是無法通過的）。
（3）先進輕量化制造技術的應用
A. 鋁合金用于車身材料的加工方式近幾年有所降低，以前都要將厚的鋁合金板沖壓成薄板在進行加工，目前通過引入了和鋼板沖壓類似的熱沖壓成型技術，該工藝的要求十分嚴格，由于摩擦力的作用，截面各處材料流動的不均，容易在應力集中地方產生急劇減薄而發生破裂，協調好壓邊力與沖壓力的關系，再加上良好的潤滑，是實現鋁合金熱沖壓再次降低材料成本的關鍵。
B. 傳統的冷沖壓工藝在成型過程中容易產生破裂現象，無法滿足高強度高板的加工工藝要求，目前國內對高強度鋼板的熱成型沖壓技術還發展比較緩慢。
C. 碳纖維材料的高模量以及比強度，比剛度高的一種力學性能優異的新材料，但碳纖維也只是沿著纖維軸方向表現出很高的強度，其耐沖擊性確較差，容易損傷，作為結構組件時候有局限性，同時因不可修補，后續的保養及維護費用也非常高，目前暫無法普及。在解決原材料的問題后，相信將逐漸普及。
D. 微孔發泡技術起源于1982年MIT聚合物實驗室的發明，對氣液均相熔體的置備，氣泡成核的控制，以及氣泡的生長和穩定是微孔發泡的關鍵因素，目前國內對該技術的產業化還處于起步階段。
3. 整車輕量化案例
（1）車身設計：全鋁車身；塑料尾門、塑料翼子板等。
A. 捷豹XJ和XK車型采用的是全鋁車身，整體（包含蒙皮）都是鋁合金材料，各部分通過鉚接和粘結而成，白車身重量比同等鋼制車身減輕40%，剛性確提高了60%。
B. 奧迪R8采用ASF鋁合金車身技術，借助先進的焊接技術將鋁合金沖壓件接合，整個車身由70%的沖壓件，22%的鈑件和8%的鑄件組成，車身僅重210公斤。
同時新款奧迪R8其發動機裝飾罩及飾條上等都采用了碳纖維材料；超級小跑阿爾法羅密歐4C，采用的鋁合金框架及全車碳纖維車身，具有不足一噸的車重。
C. 塑料尾門早在2009年4月份上市的沃爾沃的XC60就是塑料尾門，2012年上市的榮威E50電動車、2013年初上市的五門版路虎極光、2014年4月上市的DS6，2014款的奇駿等均采用的是塑料尾門。目前各大主機廠開始嘗試使用塑料尾門。一般塑料尾門分三種，全熱固定塑料尾門，熱固定塑料內板加熱塑性塑料外板，全熱塑性塑料尾門。均指內外板均是塑料的為塑料尾門。
D. 塑料翼子板的使用歷史已經接近30年了，包含通用、福特、大眾、雷諾等大多數車企都有導入塑料翼子板的使用，如標致307、世嘉、邁騰等車型。
（2）內外飾設計：鋁鎂合金儀表橫梁、天窗、塑料備胎室、門內模塊，前端模塊等。
鋁合金，鎂合金，鋁鎂合金較傳統鋼材的最大優勢是輕，但成本也較高，還有一些物理特性的限制。 這一領域里的發展趨勢是：部件的表面積變大，集成更多的功能，單位價格下降。目前很多車型都逐漸開始使用鋁合金或鋁鎂合金的管梁。
| 維度 |
鋼 |
鋁合金 |
鎂合金 |
|
面積 |
1m² |
1m² |
1m² |
|
厚度 |
1.0mm |
1.5mm |
1.7mm |
|
密度 |
7850kg/m³ |
2702kg/m³ |
1800kg/m³ |
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重量 |
7.85kg |
4.05kg |
3.06 |
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減重百分比 |
48.41% |
61.02% |
（3）其他常見減重方案：
寶馬儀表板骨架類注塑件目前已經基本采用發泡塑料,可以減重約20% ，寶馬I3前端板是由洋麻植物纖維制成。
▲ 前端模塊
▲ 塑料加油口蓋
▲ 寶馬i3
隨著能源和環境問題的日趨嚴重，汽車輕量化發展似在必行，越來越多的輕量化材料及工藝也將應用越來越廣，也將是各大材料廠商的機遇及挑戰。
來源：智享汽車圈
內容轉載自：蓋世汽車新材料
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