汽车轻量化 文献综述

材料科学专业讲座

姓名：林存龙学号：专业：无机系 1531508

材料在汽车轻量化中的应用及发展

摘要：由于汽车工业的迅速发展，汽车产量和保有量的增多，带来了油耗、排放和安全三大问题。论述了汽车节能减排是汽车工业发展的必然趋势，轻量化是汽车节能减排的直接而有效的手段；介绍了汽车轻量化意义和轻量化工程的实施方法。采用轻量化材料，如高强钢、铝合金、镁合金、塑料、复合材料等重点介绍了轻量化材料及先进的制造工艺在汽车轻量化中的应用现状，综述了轻量化领域中新材料、新工艺的最新研究进展。总结了目前国内外研究的热点、难点问题。基于目前的研究现状，提出了未来汽车轻量化技术的发展趋势。 关键词：汽车；轻量化

The Application and Development of Materials in Automotive Weight Lighting

Abstract: The brief condition of development of China automotive industry was reviewed. Three problem: oil consumption, emission, safety were brought about due to the rapid development of auto industry , the production output and vehicle stock in China. Energy saving and emission reduction is necessary trend of auto industry development. Affective and direct method and way is Auto lightweight. The concept , significance implementation methods have been introduced. Use the lightweight materials of high strength steel, aluminum alloy, plastics composites,etc. Based on the above research status, the development trends about automotive lightweight technology in the future were proposed. Key words: automobile; lightweight.

随着汽车工业的持续快速发展，汽车保有量大幅增长，全球汽车已超过10亿辆。汽车已成为世界能源消耗和污染物排放的主要来源。各发达国家均制订了严格的法规来限制汽车燃油消耗和温室气体的排放，我国也发布了油耗强制性国家标准——《乘用车燃料消耗量限值》(GB19578-2004)。

研究表明，汽车轻量化是降低能耗、减少排放的最有效措施之一。例如汽车每减少100kg，可节省燃油0.3~0.5L/(100km)，可减少CO2排放8~11g/(100km)。因此，自20世纪90年代以来，许多大型研究计划积极推动了汽车轻量化技术的研究，以之作为应对石油资源短缺和环境污染问题的一项关键技术。如美国的新一代汽车合作伙伴计划、国际钢铁协会组织的超轻钢制车身和超轻钢制车身—先进概念车型研究计划等。

汽车结构的轻量化还可以带来“二次减重”，汽车的动力、传动系统也可相应的减轻质量。亚琛工业大学汽车研究所的研究表明，整备质量为1.229t的参考车，铝合金化后，

得益于主要减重和二次减重，终极质量可降至785kg。此外，实现汽车的轻量化，还有利于改善汽车的动力性、舒适性和操纵稳定性。

1轻量化材料发展及应用现状

汽车自重的1 /3 在车身，车身材料的选择对汽车轻量化至关重要。汽车的材料选择一般应遵循以下基本原则:

( 1) 满足汽车零件的使用性能要求，如安全性、舒适性、操作稳定性等; ( 2) 具有良好的工艺性能，如成形性、焊接性等; ( 3) 具有较好的经济性，如低成本、可回收性等。

材料技术是推动汽车技术进步的关键，采用轻量化材料是既保证汽车的行驶安全性又减轻车身自重的一个重要手段。目前，汽车轻量化材料主要有两类: 一类是高强度材料，主要指高强钢; 一类是轻质材料: 主要包括铝合金、镁合金、塑料、复合材料等。

1.1 高强度钢

为了达到汽车轻量化、安全化的目的，应对铝镁行业的竞争，20世纪90年代，国际钢铁协会的35家主要钢铁公司开展了超轻钢制车身（Ultra Light SteelAuto Body）ULSAB项目。其内容是通过大量采用高强度钢板，并应用液压成形、激光拼焊板等技术使汽车减重25%。2004年项目取得成功，整车减轻质量25%，车身静态扭转刚度提高了80%，静态弯曲化；然后送入内部带有冷却系统的模具内冲压成形；之后保压快速冷却淬火，使奥氏体变成马氏体，因而成形件得到强度硬化。冲压件冷却淬火后，强度可达1 500 MPa。见图1

[1]

图1热成型钢加工工艺流程

刚度提高了52%，汽车安全等级达到了欧洲NCAP五星级碰撞标准。ULSAB车体上高强度钢板使用率为90%，其中DP双相钢超过70%，另外还采用了4%左右的抗拉强度为1 200 MPa的超高强度马氏体钢。最近几年，欧美汽车公司在开发新款汽车时都部分或全部采用了ULSAB项目技术，高强度钢大量使用在汽车车身、底盘、悬架和转向的零部件上。国内汽车合资企业的技术直接来源于国外母公司，高强度钢应用水平与国外汽车企业保持了相近的水平。自主品牌汽车企业在高强度钢的应用方面整体落后于国外汽车公司,正在快速追赶。最近两年,国内自主品牌汽车开发的有些新车型，高强度钢质量占白车身质量的比例已经达到45%以上。近年来，国内钢铁企业积极开展了汽车

用高强度纲的开发工作，目前宝钢、武钢、鞍钢等可以生产一些等级的高强度IF钢、DP双相钢、TRIP相变诱导塑性钢、BH烘烤硬化钢。国内钢铁企业已能提供多种规格的高强度钢板，不过从品种与质量来看，与国外的先进水平相比还有较大的差距。[2]

高强度钢在汽车减重、降耗、安全性方面有着显著优势，但在应用时还存在一些问题，即随着强度的增加，冲压性能变差、回弹量大、尺寸难以控制、容易起皱开裂，这给冲压成形工艺带来新课题。另外，高强度钢的可焊性比普通低碳钢要差，焊接工艺参数存在较大差异。为了开发性能更好的高强度钢，阿塞洛等钢铁公司正在研究开发孪晶诱导塑性钢（TWIP）、具有诱导塑性的轻量化钢（LIP）。这些钢种具有非常优异的力学性能、高的应变硬化率及极高的塑性，被称为第二代高强度汽车用钢。目前，美国钢铁企业正在积极发展第三代高强度汽车用钢(见图2)，具有第一、第二代高强度钢的微观组织特点，充分利用晶粒细化、固溶强化、析出强化及位错强化等手段来提高强度，通过应变诱导塑性、剪切带诱导塑性及孪晶诱导塑性来提高材料的塑性和成形性能。

图2各种汽车用钢板屈服强度和伸长量的关系

高强度钢是汽车轻量化的关键材料之一，近年来随着先进成形工艺与计算仿真技术的发展，高强度IF钢、DP双相钢、TRIP钢、热成形钢等在汽车部件中的用量越来越多。目前，国内钢铁企业的生产制造水平与国外的先进水平还有不小的差距，不少品种的高强度钢尚需要进口，国内钢铁企业应加大研发力度，早日赶上国外先进水平，为国内汽车行业的轻量化做更多的贡献。

1.2 铝合金

据统计，世界交通运输业用铝为铝产量的 26％，而我国仅为 5.7﹪。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，对交通工具的需求越来越多，铝合金材料在我国交通运输业上的发展空间也越来越大，预计 2015 年每辆轿车的铝合金平均用量将为 150 kg，2020 年将达到 180 kg。目前汽车用铝合金主要是四类：铸铝、锻铝、铝板材、铝型材。

其中，汽车用铝合金中，铸铝占最主要部分，约占汽车用铝量的 80％，其主要用于制造发动机的零部件、壳体类零件和底盘上的其他零件，现在已经大批量应用的零部件有发动机缸体、缸盖、离合器壳、保险杠、车轮、发动机托架等几十种。锻造铝合金具有很多优异的性能，例如其比强度比较大，甚至可与合金钢相媲美，热锻时不氧化、表面光洁、机械加工余量小、无加工缺陷等，铝锻件一般选用高强度热处理合金，在汽车上的应用越来越广泛，如锻造铝车轮与横向转向叉已经应用于 AudiA4，A8 等车型。 1.2.1 铝合金在汽车工业车身方面的应用

汽车车身约占汽车质量的 30％，对汽车本身来说，约 70％的油耗是用在车身质量上的，所以汽车车身铝化对提高整车燃料经济性至关重要。奥迪汽车公司最早于 1980 年在 Audi80 和 Audi100 上采用了铝合金车门，然后不断扩大应用，更在 1994 年和1999 年分别推出了 A8 和 A2 全铝轿车，这两款汽车的车身质量比传统钢制车身的重量减轻约 40％，A2的总车质量只有 895 kg，每年制造五万辆，成为世界上第一款真正意义上的大批量生产的全铝轿车；A8更是被评为 1994 年全世界重要科技成果 100 项之一。由欧洲 9 个国家和地区的 38 家机构携手推出了“超轻汽车项目”，包括大众、保时捷、菲亚特、欧宝、雷诺、沃尔沃和戴姆勒等在内的 7 家主流汽车制造商，通过研制先进轻量化材料、运用多种材料连接制造技术及其表面处理等办法和手段，以大众第五代高尔夫为参考车型，最终制造出由多种材料混合的车身，质量仅为 180 kg，与第五代高尔夫车身相比质量减轻了 101 kg，减重率高达 35％，而诸如扭转刚度等重要指标与参考车型相当，车身的安全性不但没有降低，正面抗碰撞性能与参考车型相比甚至有较大提高。[3]

1.2.2

铝合金在汽车工业底盘方面的应用

对实现汽车轻量化而言，底盘系统更具有潜力，更容易实现。在悬挂系统中，目前取代钢铁的首选材料是铝合金材料，例如：通用汽车公司在凯迪拉克与克尔维特车的悬挂系统中使用了铝合金零部件；福特公司使用了铝合金制动盘，与原铸铁盘相比，质量减轻了 2/3，虽然成本较高，但寿命提高了两倍；克莱斯勒公司的 NeodLite 车底盘通过使用铝合金零部件，使得转向机万向节质量降低了 3 kg，下控制臂降低了 2.6 kg，转向机壳降低了 1.36 kg，转向轴降低了1.9 kg，后制动毂降低了 3.6 kg。

1.2.3

铝合金在汽车发动机方面的应用

很多公司都在发动机的活塞、缸体及缸盖、散热器、油底壳、曲轴箱、连杆等部件上使用了铝合金材料。针对发动机部分，我们重点介绍一下活塞，缸体及缸盖。

（1） 活塞

轿车发动机活塞基本都用铸铝合金，这主要是因为活塞作为主要的往复运动件需要靠减重来减小惯性，减轻曲轴配重，提高效率，并且要求有良好的导热性，较小的热膨胀系数，同时在 350℃左右有较好的力学性能，而铸铝合金恰能满足这些要求，同时由于活塞、连杆采用了铸铝合金件，减轻了质量，从而减少发动机振动，降低噪声，减少

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