各种金属材料在汽车轻量化中的应用【全面解析】

各种金属材料在汽车轻量化中的应用

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汽车轻量化(Lightweight of Automobile)是指汽车在造价不被提高的前提下，既保持原有的行驶安全性、耐撞性、抗震性以及舒适性等性能，又有目标地减轻汽车自身的重量，降低汽车的整备质量，提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。汽车轻量化的主要指导思想就是在确保稳定提升性能的基础上，节能化设计各总成零部件，持续优化车型谱。

（一）

在19 世纪的最后30 年，汽车工业在高强度钢板等方面，为实现汽车轻量化取得了显着的成绩。汽车用钢逐步向高强度化方向发展，当钢板厚度分别减少0.05mm、0.10mm、0.15mm 时，车身减重分别为6%、12%、18%。可见，增加钢板强度是减少钢板厚度、减轻车重的重要途径。

此外，高强度钢车身骨架结构，在保证车身强度和刚度的同时，也可以实现减轻重量

的目的。目前日、美、欧轿车所采用的车身结构，主要有独立式钢质车身、组合式钢质车身、钢质立体框架和铝质立体框架等几种型式。车身的骨架件多用钢板冲压而成。

各大汽车生产厂商都致力于车身骨架结构的改造。日本三菱公司的帕杰罗(SPORT)为该公司最新的SUV 型车设计了全新的车身结构，车身70%的构件由高强度钢板制成，边梁的厚度比吉普系列的其它车型增加了20%，因此整车的扭转刚度甚至比大切诺基还要高45%，车身的承载能力可达2吨以上。韩国现代公司的SONATA车身结构也用高强度钢板进行了加强，横梁和立柱全部使用800MPa的高强度钢。奔驰公司在SLK 车身骨架中大量使用高强度钢使扭转刚度增加了70%，安全性大大提高的同时也减少了车身的重量。1999年问世的宝马3系列车身骨架中使用了50%的高强度钢。福特的Windstar车身骨架中60%是高强度钢。丰田Vitz的车身结构中高强度钢占了48%，比该公司生产的Starlet车减重17kg。美洲豹X-Type2.5 在车身结构上采用了整片式车舱结构(Monocogue Body)，实现了显著的轻量化。

（二）

镁及镁合金是21 世纪最具开发前景的轻质结构材料。镁及镁合金的主要特点为：一是密度低、质量轻，使用镁合金能够比铝合金再减轻15%～20%；二是比强度（强度与质量之比）高于铝合金和钢，比刚度（刚度与质量之比）接近于铝合金和钢；三是消震性和阻尼系数好，承受冲击载荷能力比铝合金大，用于壳体可以降低噪音，用于轮毂可以减少震动，提高汽车的安全性和舒适性；四是导电导热性能良好，相同温

度条件镁合金的散热时间是铝合金的一半。五是工艺性能良好，具有良好的铸造性能和尺寸稳定性，容易加工，废品率低，从而降低生产成本。限制镁合金应用的主要原因是镁合金的高性能-抗蠕变能力和高温疲劳性能较差。

随着镁合金汽车零部件的开发，镁合金在汽车上的应用特点如下：由体积小的零件向大的零件过渡；由结构简单的零件向复杂件过渡；由简单受力件向具有特殊性能要求的件过渡；由分件组合向单一压铸件过渡。

国内外主机厂、零部件供应商开发了很多镁合金零部件，其中一部分已经大批量应用在商品车上，仍有一部分应用还有瓶颈需要突破。比如轮毂目前仅用在少数赛车上，若要大批量应用，腐蚀、石击等难题必须解决。总体来看，短期内能大批量应用的主要是对耐腐蚀要求不高的零部件，如转向盘骨架、座椅骨架、仪表板骨架等。

转向盘骨架

目前，转向盘骨架是轿车应用镁合金普及率最高的零部件。一般选用AM50 合金，质量在550g~700g。不同厂家因安装方式不同设计有3 种安装结构：第一种是使用钢质花键嵌入镁合金骨架；第二种是在镁合金骨架上直接攻丝；第三种为楔形六角结构，不攻丝。商用车因转向盘直径大及其他特殊要求等原因其应用相对较少。镁合金转向盘骨架相对原钢质设计减重40%以上，成本会有所提高。

仪表板骨架

1968 年仪表板骨架应用在奥迪车上，1995 年应用在通用汽车公司的新年度车型上。第一代这种部件的质量大约为7.8kg，壁厚大约为3.5mm~4mm。第二代的镁合金

仪表板骨架的壁厚和质量都进一步减小，但仍保持着较高的防撞性及减振、降噪、刚度的要求。目前，镁合金仪表板骨架的质量大约为4.5kg~5.0kg，壁厚大约为

2.7mm~

3.0mm。国外品牌应用较多，国内自主品牌应用较少，目前仅奇瑞车型有所应用。

变速器壳体

1999 年，奥迪采用了第一款镁合金自动变速器。镁合金应用到变速器壳体上，除能体现其密度小、抗振动、降低噪声等优势外，主要体现散热和机械加工的优势。镁合金、铝合金的热扩散系数α分别为3.97×10-5m2/s 和3.64×10-5m2/s，体积比热容分别为1.90J/(cm3·K)、2.64J/(cm3·K)。在相同体积下，镁合金的蓄热能力要远比铝合金低，但两者的散热能力却相差无几。因此，采用镁合金的变速器壳体能更好地散热，从而降低齿轮的高温磨损和咬死的概率。

座椅骨架

前排座椅一般功能较多，其结构较复杂，而后排座椅功能较少，其结构较为简单。目前，镁合金在座椅上的应用研究相对较少，主要是以靠背骨架和座垫骨架单独开发为主。前排座椅骨架组装时使用螺栓、卡扣将镁合金靠背、座垫与调高机构、角调机构连接在一起。后排靠背和座垫不组合，分别卡在轮罩安装支架、地板安装支架上。

（三）

钛及合金是21 世纪最重要的、具有优异的综合性能的新型结构及功能材料。它密度小，钛的密度是4.51g/cm3，介于铝(2.7g/cm3)和铁(7.6g/cm3)之间；比强度高于

铝合金和钢，韧性与钢铁相当；抗蚀性能优于不锈钢，在氯离子侵蚀的海洋大气环境和微氧化气氛中，也具有很好的抗蚀性；工作温度区间较宽，低温钛合金在-253℃依然能保持良好的塑性，耐热钛合金的工作温度可550℃左右，耐热性高于铝合金和镁；具有良好的加工性和焊接性能。钛在汽车上的应用主要分为两大类:一大类是用来减少内燃机往复运动件的质量；另一大类是用来减少汽车总质量。在新一代汽车上主要应用在发动机元件和底盘部件上，可制作发动机系统阀门、阀簧、阀簧承座和连杆等，以及底盘部件中的弹簧、排气系统、半轴和紧固件等。

钛及钛合金在20 世纪50 年代已进入到汽车制造领域，但发展比较缓慢，主要原因是价格因素。随着汽车材料向轻量化、高性能和高功能的方向发展，钛及钛合金作为结构功能性材料将会越来越受到重视。尽管目前钛材料在汽车领域应用不大，但随着钛工业的发展，钛加工成本的降低，钛材料必将在汽车领域占据重要地位，具有无限广阔的发展前景。

汽车轻量化是目前汽车最重要的发展方向之一，是汽车制造走生态环保绿色发展的必要途径。轻量化材料在替代传统钢材的过程中仍面临很多技术难题和市场挑战，如成本问题、工艺问题以及新材料应用所带来的风险等。对于轻金属来说，应用过程中的制造工艺问题尤为突出，这是材料科学和制造业之间面临的矛盾，也是轻量化技术的核心环节之一。因此，轻金属在汽车上的普及应用，汽车轻量化的发展，除了重视材料研发外，还需要不断改进创新材料的加工成型技术，如此才能在保障汽车轻量化的同时提高实用性、稳定性和安全性。