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汽车轻量化的技术路线及应用实例

高阳

东风标致雪铁龙汽车有限公司

摘 要:本文简要分析了汽车轻量化的技术路径、发展趋势及主要指材料，成型工艺和结构的优化。金属材料包括高强度钢，低密度合金，铸铁，粉末冶金材料等。此外，还分析了塑料，玻璃，复合材料。我们也给出了一些典型的应用来展示它们的在现实中的应用及其特点。

关键词:轻量化;材料;成型工艺;结构优化; 应用实例

引言

汽车是中国国民经济最重要的支柱产业之一。它刺激了上下游产业链的同步发展，但也造成了环境污染，废气排放，能源危机等问题。国务院发布了节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年），要求汽车的平均油耗从2015年的6.9L/100km，到2020年必须降至5.0/100km。

“汽车轻量化技术创新战略联盟”于2007年12月在中国成立，包括SAE－中国，中国第一汽车集团，东风汽车公司，上汽集团，北汽集团，长城汽车，吉利汽车，宝钢，吉林大学，都在努力提升汽车轻量化水平。作为一个全面的主题，轻量化凝聚了智慧汽车公司和工程师的结晶，促进了现代汽车设计技术的发展。目前，技术方法有新材料，先进的成型工艺和结构的优化，此外，也应该考虑性能和成本，以实现全面轻量化的平衡，降低成本，提高环保性和人身安全。

1新材料技术

在研究和实践的过程中，对于现有的设计技术取得突破是困难的，而转向新材料是捷径。因此，更广泛的材料市场随之而来。据对一个汽车粗略统计，金属占66.9％，非金属占28.5％，液体材料占4.6％。尽管金属仍然在所有可用的轻质材料中占据主导地位，但是，金属材料所占的比例在逐年递减。

1.1金属

1.1.1高强度钢

车身占自身重量的四分之一，因此减轻车身的重量是汽车轻量化的一种非常实用的方法。研究表明，当钢板厚度减少0.05,0.1,0.15mm时，重量分别减少6％，12％和18％。强度高，重量轻，成本低的高强度钢是保证碰撞时安全的主要材料。而且，它们的成形过程比低密度合金，非金属和复合材料更容易。

与普通钢板相比，高强度钢板由于厚度更薄而更轻。在一定程度上，高强度钢板的所占比例决定了汽车轻量化的水平。将它们根据拉伸强度或屈服强度进行分类，并用在不同的汽车结构中时，如表1.1所示。

表1.1 许多汽车公司的高强度钢板

高塑性和高强度是汽车钢板的两大要求。我们可以预测第三代高强度钢（Abull;Rm=30-40Gpa%）仍然是车身轻量化的热点，以下是未来的发展趋势和途径：①扩大热成型钢的应用比例，②使用Qamp;P工艺产生淬火延性钢，③低/中碳钢TWIP，④其他改进的高强度钢，⑤快速的加热和冷却过程以获得细晶粒等。

根据汽车轻量化技术的发展现状（Wang Zhiwen），一些车型的高强度钢的所占的比例是，本田雅阁占49%，福特蒙迪欧占60%，菲亚特Punto占67%，欧宝可赛占68%，奥迪A5占68%。，沃尔沃V70占70%，日产逍客占71%，奔驰C级占74%。2007年国内自主品牌汽车的平均比例仅为25%，但它增加到近年的超过45%，有的高达60%。国内品牌与国外品牌存在一定差距，但近年来比例明显上升。目前，高速钢、钢、超高强度钢用于汽车车身、转向、悬架、底盘和其他部件。

1.1.2铝合金

铝的密度约为钢的1/3，强度接近于低碳钢，所以铝合金是一种很好的轻质材料。铝合金已用于汽车零件几十年，从散热器，支架，发动机外壳，变速箱，车轮（铸造铝合金）三角臂，转向节，梁，发动机罩，车轮挡泥板，覆盖面板（主要是变形铝合金）。

然而，采用铝合金板制造汽车冲压件的困难也很多，如可成型性、抗老化性、高温硬化能力，翻边延展性，相容性的涂料，抗凹性等等。

最成功的应用实例，神龙公司的见图1.6所示6061-T4用在一个车型的发动机外盖片，5182-0用于内罩，635l-T6用于后横梁。授权的供应商有诺贝丽斯、神钢、忠旺和中国铝业。

图1.1 铝合金应用实例

a)发动机外盖片 b)发动机内盖片

c)后横梁

1.1.3镁合金

镁的密度仅为铝的2/3，这是已知的所有结构材料中最轻的金属，具有强度高、刚度好、加工方便等特点，也具有良好的抗振性等，可在铝合金的基础上降低15%～20%重量，因此轻量化效果十分明显。然而，镁合金成本高于铝合金和钢。

最成功的应用实例在神龙公司中如图1.2所示。图1.2a显示几乎所有类型的车辆转向盘骨架都是由变形镁合金AM50A，硬度61-63HB和金相结构alpha;（Mg） beta;（MG1AL12）。图1.2b说明，手刹控制臂和底座由压铸镁合金AZ91D制成，为硬度58-59hb，金相结构alpha; beta;，RP=l62Mpa，Rm=235MPa，A=4%，测试表明，所有的各向异性强度合格。使用在驻车制动器控制臂上可分别减少190g重量。

图1.2 镁合金应用实例

a)后横梁方向盘支架 b)驻车制动器该臂和底座

未来镁合金产业化的汽车零部件有座椅骨架、仪表板骨架、ECU外壳、提升机壳体以及其他较为困难的零部件，如油盘、凸轮轴盖、转向器壳体等，主要是支架和壳体零部件。

1.1.4钛合金

钛的密度在钢和铝之间，为4.5g/cm³，具有强度高、较强的耐热性、耐腐蚀性等。几家汽车厂商正密切关注钛合金。日本曾经生产的改进型钛合金，这是基于TC4，TiB的强化基体，用于发动机连杆，采用粉末冶金制成，如图1.3所示。拉伸强度比普通HSS高20%。美国还用钛生产了用于发动机赛车部件的阀定位器、进气阀和排气阀，钛有望在不久的将来推广应用于驱动系统和悬架部件。

图1.3 钛合金连杆

钛合金作为一种“航空金属”，由于成本高，在普通汽车中的应用受到了限制。随着材料科学技术的进步，我们相信，通过不断的降低制造和加工成本，钛合金应用空间将越来越广泛。

1.1.5高强度铸铁

球墨铸铁的密度比钢低10%左右，所以用球墨铸铁代替钢作为材料是能够提升汽车轻量化水平的。采用等温淬火，使普通球墨铸铁成为等温淬火球墨铸铁（ADI）与贝氏体基体的金相结构（B） 残余奥氏体（A#39;）。具有良好的韧性和自硬性、抗拉强度。强度可以超过1500MPa，高于调质钢和渗碳钢。图1.4显示了ADI热处理淬火介质循环曲线，淬火介质可以是石油或天然气。目前可以应用在部分的轮毂、转向节臂、发动机正时齿轮，曲轴及连杆等例如，用ADI代替锻钢曲轴，可以减少10%的重量，且成本更低。

蠕墨铸铁的铸造性能和力学性能在灰铸铁和球墨铸铁之间，适用于高强度和热循环载荷制造汽车部件，如缸体，缸盖、排气管、制动鼓等。例如，缸体用蠕墨铸铁代替灰铸铁重量减少16%，而且结构刚度会提高12%~25%。

图1.4 ADI的热处理工艺

1.1.6粉末冶金材料

粉末冶金是将金属粉末放入模具压成生坯，以适当的温度烧结，冷却后出模而成为零件的技术。与铸造件相比，它省略了熔炼工艺，是一种无污染的节能材料；与其它材料零件相比，它省略了机械加工，属一次成型零件，因此，价格相对较低，又因密度比钢小，所以也是轻量化材料。

图1.5为神龙汽车有限公司近些年开发使用粉末冶金材料在汽车上的典型实例，图1.5a展示了变速器传动齿轮，材料为F50-N2U2-68，与钢齿座激光焊接后进行整体碳氮共渗。图1.5b展示了显示材料为F50-N4U2D70的第五档同步器齿座，碳氮共渗后装配到同步器上。图1.5c显示了曲轴正时齿轮由F50-u3-66制成。图1.5d显示凸轮轴相位传感器目标齿轮。开发的其它零件还有如油泵转子，发动机进排气阀座（粉末冶金材料双层）。目前，粉末冶金材料在神龙汽车的平均使用量是5公斤，将来有望进一步推广应用的零件有同步器滑块、气门导管、发电机电刷和减磨零件含油轴承等。以上材料的密度多数只有6.6～6.8g/cm3，因此具备一定的轻量化效果。

图1.5 粉末冶金的应用实例

a)变速器传动齿轮 b)同步器齿轮

c)曲轴正时齿轮 d）凸轮轴相位传感器靶齿

1.2非金属材料（塑料，橡胶，皮革）

塑料是重要的非金属轻量化材料，具有比重小、成本低、易于加工、耐蚀性好等特点，在汽车行业中有着广阔的应用前景。正因如此，包括尼龙PA、聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC、聚氨酯PU、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯ABS等在内的塑材市场得以迅速放大。图7为神龙汽车有限公司最新开发的塑料在汽车上使用的典型实例。

图1.6a为某B级车上应用的搪塑仪表板，原材料为PP EPDM-T20，厚度2.5mm

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