轻量化在汽车上的应用

轻量化在汽车上的应用 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020

轻量化在汽车上的应用

一、轻量化”是新能源汽车发展方向之一

■轻量化是新能源汽车发展方向

汽车轻量化设计，不仅带来油耗降低，更能促进综合性能的全面提升。科技部部长万钢强调了“轻量化”是中国电动汽车的发展方向之一。

德国联邦经济与能源部委托德国工程师协会（VDI）编制的2015年《德国轻量化现状盘点》研究报告中指出，轻量化对汽车制造业等许多行业意义深远，它决定了德国工业在未来的全球市场中是否能以创新、高能效和资源节约型的产品取得统治地位。

研究表明，在市区的运行工况下，平均车重1600kg的电动车如果减重20%，能量消耗可以减少15%。如果采用增加电池来增加行驶里程，成本往往会非常高。

有关专家认为，在电池技术短期内难有重大突破的情况下，电动汽车迫切需要采用轻量化技术来降低重量，以减轻电池增重的压力。

■新能源汽车轻量化设计有多种趋势

新能源汽车企业正在做轻量化设计，北汽、长安走在前列，奇瑞、江淮、吉利等也都非常重视。目前正在探讨新能源汽车轻量化的路线，比如，整车包括车身轻量化、全新架构底盘轻量化、电池系统轻量化以及车身内外饰与电子电器等；材料方面包括复合材料及成形工艺、轻质铝合金及成形工艺、高强度钢及成形工艺、轻质镁合金及成形工艺等。

未来新能源汽车轻量化将车身高强钢化和全铝车身两条路线并行，2020年先进高强钢比例达到国际先进水平和应用全铝车身。

汽车车身轻量化的发展趋势是混合多材料设计。碳纤维混合材料车身不仅能够承重，而且更安全。至于目前存在的成本高问题，碳纤维成本居高不下，主要是工艺成本高，未来批量生产，成本有望下降。

汽车对材料的成本要求很高，因此碳纤维在汽车轻量化中的应用，首先要解决成本问题。

■仍有问题急需解决

相比传统汽车，新能源汽车车身结构不一样，高强度钢、铝合金、镁合金在新能源汽车上应用较多。由于新能源汽车是未来发展趋势，国家十分重视其轻量化。

与传统节能汽车的轻量化结构设计有所区别的是，新能源汽车的轻量化技术手段、电动汽车整车重量、续航能力与重量设计都需要重新研究。需根据不同车型，设计轻量化方案，这是企业所面临的重要挑战之一。

碳纤维复合材料NVH（减振降噪）水平如何提高是轻量化设计过程中所面临的挑战和问题。随着轻量化技术应用越来越多，多材料的轻量化技术路径成为必然的趋势，因而连接技术也成为轻量化技术应用过程中的重点技术。

新能源汽车轻量化设计需要开发高集成度的电动一体化底盘产品技术，高度集成电池系统、高效高集成电驱动总成、主动悬架系统、线控转向/制动系统、集成控制系统，实现整车操纵稳定性、电池组安全防护、底盘系统的轻量化研究应用。新能源汽车企业也需要系统规划，围绕整车轻量化开展整车轻量化目标制定，分解和组织行业资源针对轻量化应用技术系统进行开发。

二、专用汽车轻量化制作采用铝合金材料的优势

目前在专用汽车上应用较多的轻量化材料有铝合金、镁合金、高强度钢、塑料及复合材料等。各大汽车公司都已经将采用这些轻量化材料的多少作为衡量汽车生产技术和新材料开发水平是否领先的重要标志。

铝合金：与钢相比，铝合金具有质量轻、耐腐蚀性好、易于加工等特点，但成本较高，是近20年来在载货汽车上使用最多的轻量化材料。

镁合金：与钢铁相比，镁合金密度小，易于加工，压铸经济，其最大的特点是阻尼减振性和抗凹性好。镁合金在上世纪40年代就被一些公司采用。镁合金在应用上比铝合金发展慢，主要原因是其铸造性差、后处理工艺复杂、成本较高。当前世界上每辆汽车的镁合金平均用量仅。随着研制材料技术水平的提高，其应用速度不断加快。

塑料及复合材料：汽车塑料制品一般分为内饰件、外饰件和功能件等，目前世界主要汽车用塑料件的内饰化已基本完成。玻璃纤维增强塑料等新产品已随着新技术的成熟而逐步扩大应用，主要用于车身内装件和功能件。

高钢度钢：在轻量化材料中，与铝合金、塑料相比，高强度钢具有以下特点。价格低，基本上可以利用原有生产线；其弹性模量高、刚性好、耐冲击性好及较高的疲劳强度，有些高强度钢的抗拉强度为普通钢的2～3倍；耐腐性差。

相比之下，铝合金在专用汽车轻量化新材料中更加具有以下优势：

1、整备质量低。铝的密度低，只有cm3，是同体积钢的1/3重量。铝合金材料在运输车上的应用，极大的减轻了其自重。如御捷马公司生产的13m铆接式铝合金厢式半挂车，与同类钢制材料半挂车相比自重减轻约3t，一个45m3的铝制半挂罐车，其自重可以减轻5t多。

2、耐腐蚀、寿命长。铝合金具有较好的耐腐蚀性。用铝合金制造的(厢)罐体，内部不需要涂任何防护层就可以运输各种液体和货物，从而保证了油品的清洁，减少了对货物的污染。根据欧美国家的经验，一般铝合金运输车辆的寿命周期一般在1520年，比普通钢制车辆寿命长510年。同时，由于铝合金耐腐蚀性好，可长期保持表面美观，车辆实际使用和维护成本较低。而普通钢制材料车辆特别是拉煤半挂车，新车投入使用不久，就会出现锈蚀“溜黄汤”现象，每年审验时都要做喷漆整容处理，增加了使用维护成本，还给环境造成一定的污染。

3、燃油经济性。根据欧洲铝业协会有关的研究报告，车辆每轻100kg，百公里油耗可降低，每节约1L燃油可减少CO2排放。如果一部运输车减重3t，年行驶12万km，按一半的空载里程计算，每年可节省燃油10800L，可减少CO2排放量，充分显现出对能源的节约和环境保护的优势。

4、有效承载增加经济性。根据我国颁发的道路安全法规定，交通运输车辆车货总质量不得超过55t。为了取得更好的经济效益，车辆轻量化，增加有效承载能力尤其重要。假如一辆运输车辆将自身减轻的3t重量，有效的转化为增加了3t货物，每年还是按12万km计算，按吨公里运输成本元，可为用户增加收入90000元/年，经济效益非常可观。