轻量化汽车材料技术的最新动态_敖炳秋

司为美国通用汽车公司电动概念车开发了轻量化座 椅， 其 质 量 较 以 前 的 A3< 车 座 椅 减 小 ’’! ， 整个座
作者简介： 敖炳秋（ ， 男， 湖南湘潭人， 研究员级高工， 东风汽车公 司 副 ’%&", ） ’%.& 年毕业于西安交通大学金相专业， 总工程师， 长期从事汽车制造与材料技术的研究工作。
+］ 求［ 。例如， 在 2*<*= 展览会上， >?8?@ 座椅系统公
汽车质量归纳为以下 4 种说法 。
［ 4］
一是汽车质量每减小 ’"" 58， 则百公里油耗可 减少 "9!7"9# :， 一般为 &94!左右。 二是汽车质量每减小 +!， 则可节油 ’!7+!。
收稿日期： !""!,"+,!"
高强度钢应用在汽车车身覆盖件上，后一项目是采 用高强度和超高强度钢板、 钢管、 棒材以及一些先进 的制造技术来生产轻量、廉价和性能良好的悬架系 统。 其目标是通过采用新的钢材及设计， 将悬架质量 减小 )’! ， 不增加成本， 达到铝材的减小质量标准 ，
#］ 而成本与铝相比下降 )’!［ 。
通用汽车公司 389: 计划的概念车 3,6?6@A 于 该车车身采用铝空间构 )’’’ 年在美国底特律展出， 架 ， 其 车 身 质 量 比 相 同 结 构 钢 的 车 身 小 ;>!
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高强度钢和超高强度钢将有较大增长 从图 ! 可知，今后高强度钢在汽车上的用量将
明显增加。 高强度钢的强度 ./,012034 计划指出， 将是低碳钢的 ) 倍。 现在各国均在加速高强度钢、 超
!""! 年第 # $ % 期
图%
2 ’ 2
敖炳秋： 轻量化汽车材料技术的最新动态
辆车的用铝量将增加到 -20 34 。在今后 -, 年内， 铝 铸件将占整个铝用量的 @,! ，铝板材在车身覆盖件 和结构件上的用量也将从现在的约 ,(H2 亿 34 提高 到 +,,. 年的约 +, 亿 34 。他认为， 在未来 -, 年中铝 车身的增加将取决于以下 2 个因素。
［ ’， !］
。
减小汽车自身质量是汽车降低燃油消耗及减少 排放的最有效措施之一。美国的 12)3 计划要求轿 车自身质量减小 &"!。日本大须龙治较系统地研究 了日本汽车轻量化与燃油经济性之间的关系，指出 汽车轻量化可显著提高燃油经济性，减小汽车自身 质量、提高燃油效率是今后汽车技术发展的主要方 向之一 。
美国军队是美国中型载货车最大的用户之一。 最近， 美国军队提出 )& 世纪“ 载货车起始计划” ， 明 确提出提高军车燃油经济性，减少有害气体排放的 要求。该计划的目标是到 )’&’ 年， 燃料效率 * 倍于 中小载货车， 并对排放制定更严的要求， 该计划拟在
!］ 新型的“ 悍马” 车上应用 ))# $% 铝合金 ［ 。
!""! 年第 # $ % 期
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椅（ 包括调节器在内） 质量仅 !"# $% ， 轻于通用汽车 公司所要求的目标质量 &’ $% 。
［ (］
表! 轻量化材料 高强度钢 铝 镁 镁 玻璃纤维增强塑料 被替代的材料 碳素钢 钢、 铸铁 钢、 铸铁 铝 钢 减小质量 相对成本 （ 每个零件） K
)］ 料构成比 ［ 。
表$ 年代 钢铁 铝 塑料
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其他
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图 & 所 示 为 德 国 家 庭 轿 车 材 料 从 &%*) 年 至
!"") 年的变化
［ &+］
。
图 ’ 为 欧 洲 和 日 本 某 汽 车 公 司 从 &%#" 年 至
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 ［ 。
国际钢铁协会（ G1A6,10A.410/
G,41
与 MFENO 相 关 的 项 目 还 有 MFENI （ M/A,0
F.%HA F.%HA
EA66/ NLA4 I/47L,67） 和 MFENE （ M/A,0 两项目， 前者是将 EA66/ NLA4 EL7@61A.41）
&’］ 减小质量达 >’!［ 。
注： K 包括材料成本和制造成本。
铝、镁轻合金的优越性与竞争力迫使钢铁企业 迅速发展高强度材料， 于是引发了一场“ 金属材料之
［ #］ 战” 。 钢铁业、 铝业、 镁业都纷纷制定出为汽车减小
质量的计划。
01< EA66/ G17A.ALA6 ） 首 先 开 展 了 超 轻 钢 汽 车 车 身 （ M/A,0/.%HA 项目， 简称 MFENO 。参加该项目的 EA66/ NLA4 O4<=） 有 来 自 > 大 洲 &( 个 国 家 的 *> 家 国 际 著 名 钢 铁 企 业。该项目于 &!!; 年启动， &!!( 年结束。该项目的
B ) B
与此同时，世界各大铝业公司也结成了汽车铝 材联盟（ ， 其中包括铝协的 NLA4 N/LP.1LP N//.01?6） 汽车及轻卡集团、美国汽车材料合作伙伴 （ M"E"
NLA4P4A.J6
简称 MENQ3） 。 Q0A6,.0/7 30,A16,7H.@ ，
汽车工艺与材料
敖炳秋： 轻量化汽车材料技术的最新动态
韩国浦项钢公司、 韩国机械研究院、 现代汽车公 司和大宇汽车公司等联合开展 “ 国产汽车轻量化材 料开发事业” ， 其目标是通过采用高强度钢材使汽车 质量减小&"!左右， 预计 !""’ 年 % 月完成。
高强度钢在汽车车身、 底盘、 悬架、 转向等零部件上
*］ 的应用 ［ 。
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轻量化汽车材料技术的发展趋势 钢铁材料保持主导地位 表 ! 表 示 &%#"(!""" 年 美 国 中 型 轿 车 主 要 材
R! &’ ;’ST’ T’S#> )>S*> )>S*>
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材料技术在轻量化汽车中的作用 福 特 汽 车 公 司 负 责 研 究 工 作 的 副 总 裁 +,"
-.//.01 2" 3456,7 在一次国际材料学会议上强调指
出， )& 世纪的汽车将发生巨大的变化，而材料技术 是推动汽车技术进步的关键，轻量化是今后汽车发 展的关键。 他认为， 虽然通过优化目前所应用材料的 设计可以减小质量， 但是大幅度地减小汽车质量， 则 要考虑汽车零件尽可能选用低密度的材料。 包括高强 389: 计划中明确提出选用新材料 （ 度钢、 铝、 镁、 钛合金、 塑料及复合材料等） 来实现减 小汽车自身质量的目的，并把先进的轻质材料作为 急需开发的技术领域。 &!!# 年底 389: 按众多的技 术领域进行筛选， 选出了 ; 项最有应用前景的技术， 其中之一就是轻质材料技术。 福 特 汽 车 公 司 按 389: 计 划 所 开 发 的 3)’’’ 车及最新开发的 3,4<.%= 复合动力家用轿车， 由于采 用了铝、 镁、 钛合金和各种复合材料， 其车身和底盘
.］ 计、 材料与工艺三方面提出了轻量化措施 ［ 。
车技术发展的总趋势，尤其是节能和环保更是关系 人类可持续发展的重大问题。因此， 降低燃油消耗、 减 少 向 大 气 排 出 /0! 和 有 害 气 体 及 颗 粒 已 成 为 汽 车工程界主攻的方向。人们现已熟知的美国 12)3 计划， 预计到 !""& 年或 !""4 年， 美国轿车将达到每 。欧洲汽车 升汽油可行驶约 +& 56 （ + 倍燃料效率） 生产商也承诺 . 年后将降低 !4!的能源消耗，并在 此期间减少大约 4"!的 /0! 排放量
!""" 年高强度钢在白车身中的应用比率。两家所采 &-］ 。图 + 为高强度钢板在 用的高强度钢均逐年上升 ［ ［ &-］ 汽车上的应用趋势 。图 ) 为高强度钢在日本轿车
&-］ 新设计车型上的百分比 ［ 。
图!
从表 & 及图 & 均可看出，汽车上钢铁材料的比 例逐年减少， 而铝等轻金属及塑料的比例不断上升。 新型奔驰 , 级轿车钢铁材料的比例也已从老型
［ #］
MFENO 计划后，钢铁企业又于 &!!( 年 * 月开 始在全球实施 MFENOBN:I 计划，即先进的汽车概 念项目（ 。该项目是从整 N<J01?6< :6H.?/6 I41?6@A ）
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） ， 于 )’’; 年可研制出概念车并满足 )’’; 年 汽车碰撞安全标准要求， 明显改善燃油效率， 材料可
［ +］
人们普遍认为， 白车身占整车质量的 !4! 左右，
!， -］ 减小车身质量可为汽车轻量化提供最大的潜力 ［ 。
世界铝业协会提出的报告指出，汽车质量每减 小 ’"!， 可降低 .!7#!的油耗 ， 程振彪等人将减小
［ &］
同样， 人们对发动机、 底盘各大总成甚至某些其 他零部件也提出了减小质量的目标。近年来， 有些汽 车公司对零部件选用材料和轻量化比例也提出了要
汽车工艺与材料
!"#$%$&’() #)*+,$($-. / %!#)0’!(
・ 综
述 ・
文章编号： ’""+,##’- （ !""! ） "# $ "%,"""’,"!’
轻量化汽车材料技术的最新动态
敖炳秋
（ 东风汽车公司总师室， 湖北 十堰 &&!""’ ） 摘要： 减小汽车自身质量是降低汽车燃油消耗及减少排放的有效措施之一。 采用高强度钢、 低密度的轻质材料是汽车 减重的最重要途径。 在查阅国内外近年来最新资料的基础上， 叙述了轻量化汽车材料技术的最新动态及发展趋势， 并 分别介绍了国内外高强度钢和铝、 镁合金的最新研究成果及其在汽车上的应用。 关键词： 汽车； 轻量化材料； 应用 中图分类号： ()’& 文献标识码： *
图#
, 级的 -’! 下降至 )’! ，而铝合金从 #! 增至 &+! ， 塑料从 #!增至 &"!， 但钢铁材料仍然保持其主导地
&)］ 位［ 。
图 ! 表 示 预 测 北 美 &%%%(!""% 年 平 均 每 辆 轻
+］ 型车上各种材料的增减情况 ［ 。 图 ! 表明， 北美轻型
车上的高强度钢和铝增长最快，镁和塑料均有所增 长， 但通常的钢和铸铁将减少。 整车材料用量也有较 大的降低。 尽管如此， 钢铁材料仍然占主导地位。 这 是由于钢在强度、 塑性、 抗冲击能力、 回收使用及低 成本方面具有综合的优越性所决定的。
&*］ 回收， 排放减少并能降低成本， 可大批量生产 ［ 。
日 本 本 田 汽 车 公 司 新 开 发 的 G17.%HA 复 合 动 力 汽车， 由于采用了铝车身， 与 以 前 的 I.J.? 车 相 比 ， 车身质量减小了 ;#!
［ Biblioteka Baidu)］
。
［ #］
采用高强度钢并改进设计，制成的新结构轻型 钢质悬架系统， 其质量亦可减小)’! 。 高 强 度 钢 和 低 密 度 材 料 的 减 小质量及 相 对 成 本 见 表 &。
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概述
汽车轻量化的意义 当前， 节能、 环保、 安全、 舒适、 智能和网络 是 汽
三是汽车质量减小 ’! ， 其油耗可减少 "9-! ； 汽 车 质 量 减 小 ++"7&&" 58 ， 可 节 约 燃 油 费 用 !"! 左 右。 四是汽车质量每减小 4" 58 ， 则每升燃油行驶 的距离可增加 ’ 56； 若质量减小 ’"! ， 则燃油经济 性可提高 494!左右。 五是轿车质量每减小 ’"!，则油耗可下降 #!7 每减小质量 ’"! 。 对于 ’.7!" ; 级载货汽车而言， 则油耗可降低 .!7-!。 ’ """ 58 ， 上述说法表明，汽车轻量化对节省燃油的效果 是巨大的。 应当指出， 不仅要求乘用车轻量化， 同样也要求 商用车轻量化。文献［ 指出， 轻量化可改善燃油经 &］ 济性， 提高载货量， 商用车与乘用车同样具有明显效 果。 日本青山公彦、 樱田彻最近专门对商用车的轻量 化技术进行了系统研究，从载荷与评价、结构与设
［ #， &&］
。
而通常的家庭轿车底盘为 3,6?6@A 底盘仅为 &!> $%， 其 ;>’ $%。 3,6?6@A 车底盘大多采用铝和复合材料， ［ #， &&］ 中碳纤维复合材料的用量达 )’ $% 。 戴姆勒 B 克莱斯勒汽车公司最新开 发 的 389: 车型 CDE*，由于采用了铝的动力传动系统 （ 全铝 、 座椅框架和底盘， 因此整车质 &"> F 柴 油 发 动 机 ） 量大幅度减小 。