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汽车轻量化简介
汽车轻量化措施
汽车轻量化轻质材料
汽车轻量化之塑料在汽车中的应用
汽车轻量化之汽车发动机轻量化

汽车轻量化简介

        汽车轻量化是指降低汽车整备的质量，但是又要保证汽车的强度和安全性能，质量轻了汽车的动力也就提高了，还减少了燃料消耗、降低了排气污染，根据实验证明，若汽车整车重量降低10％，燃油效率可提高6％-8％；若滚动阻力减少10％，燃油效率可提高3％；若车桥、变速器等装置的传动效率提高10％，燃油效率可提高7％。汽车车身约占汽车总质量的30％，空载情况下，约70％的油耗用在车身质量上。因此，车身变轻对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。随着环保和节能越来越重要，汽车轻量化已经成为了世界汽车发展的潮流。

        轻量化的广泛运用到了汽车领域，在提高操控的同时还能有出色的节油表现。我们都知道汽车的油耗主要取决于发动机的排量和汽车的总质量，在保持汽车整体质量、性能和造价不变的情况下，降低汽车自身的重量可以提高输出功率、降低噪音，提升操控性和可靠性，减小排量等。

汽车轻量化措施

        目前各大厂商采用的汽车轻量化的措施有一是持续优化主流车型的规格，规格主参数尺寸保留的前提下，提升整车结构强度，降低耗材用量。 二是采用轻质材料，如铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等。三是采用计算机进行结构设计。如采用有限元分析、局部加强设计等。四是采用承载式车身，减薄车身板料厚度等。

       其中，当前的主要汽车轻量化措施主要是采用轻质材料。

汽车轻量化轻质材料

        钢铁材料与有色合金和高分子材料具有价格便宜、工艺成熟的优势，是迄今为止在汽车生产上使用最多的材料。它通过高强度化和有效的强化措施发挥出来其巨大的潜能。

（一）高强度钢板
       20世纪90年代，世界范围内35家主要钢铁企业合作完成了“超轻钢质汽车车身”（ULSAB－Ultra Light Steel Auto Body）课题。该课题的研究成果表明，车身钢板的90%使用现已大量生产的高强度钢板（包括高强度、超高强度和夹层减重钢板），可以在不增加成本的前提下实现车身降重25%（以4门轿车为参照），且静态扭转刚度提高80%，静态弯曲刚度提高52%，第一车身结构模量提高58%，满足全部碰撞法规要求。

（二）结构钢
        高强度结构刚的使用使零件设计的更加紧凑和小型化，这一点对汽车的轻量化有重大的作用。

(1) 弹簧 
        悬架弹簧轻量化的最有效方法，也是提高弹簧的设计许用应力。但是为了实现这种高应力下的轻量化，材料的高强度化是不可少的。在传统的Si-Mn弹簧钢的基础上通过改变合金元素的含量，开发出强度和韧性都很高的钢种，设计许用应力可达1270MPa，这种弹簧钢的应用可实现40%的轻量化。在传统的Cr-V系弹簧钢中添加Nb可提高钢的抗延迟断裂性能，结合改进的奥氏体轧制成型，可使钢的拉伸强度达到1800MPa的水平。 

        气门弹簧用的Si-Cr钢中添加V，通过晶粒细化确保韧性，由增C提高强度。这样改进后，弹簧的高周疲劳强度约提高8%，可实现15%的轻量化。通过有限元分析，螺旋弹簧内、外侧应力均匀分布的柠檬形断面弹簧钢丝得以开发，使弹簧实现7%的轻量化。提高弹簧疲劳强度的有效途径是对弹簧进行喷丸和氮化处理。弹簧的喷丸，除了传统的应力喷丸之外又发展了双级喷丸。喷丸和氮化也可以复合使用。 

(2) 齿轮 
        汽车发动机有高功率化的趋势，而传动器有紧凑小型化的倾向。这势必加大传动齿轮的负荷，从而对齿轮钢的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度的要求也相应提高。

        提高钢中Ni、Cr、Mo等合金元素的含量可以提高齿轮钢的淬透性和强度，但单纯靠合金元素来强化齿轮钢会使钢的切削性能变坏、热处理工艺复杂，原材料成本和生产成本都会大幅度提高。齿轮渗碳时，为了防止或减少异常层的出现，降低钢中的Si和P含量，Mo量增加到0.35%~0.45%，并采用经改良的碳氮共渗工艺。改进的钢种可使齿轮实物的冲击寿命提高3~5倍，若在上述降低表面异常层钢种加上强力喷丸，可使齿轮疲劳极限提高20%~30%。

        齿轮钢中的非金属夹杂物是疲劳裂纹的起点，会降低强力喷丸的强化效果，为此开发了高纯净度齿轮钢。例如对SCM420HZ钢，将氧浓度降到9ppm以下、磷浓度降到90ppm以下时，与前述降低表面异常层的低Si高Mo钢相比，齿轮齿根弯曲疲劳寿命提高10%~17%，接触疲劳寿命提高25%。

（三）高强度铸铁
        铸铁由于其性能和成本方面的诸多优点，在汽车材料中仍然占有一席之地。铸铁材料的进步更使之在汽车上的应用出现了新亮点。 

(1) 球墨铸铁 
        铁素体球墨铸铁拉伸强度可达500MPa，韧性也较高，因此多用于底盘零件，有的车型甚至用作转向节等保安件。

        珠光体球墨铸铁强度更高，在一些零件上可代替锻钢件。带平衡块的4缸轿车发动机曲轴采用球墨铸铁加圆角滚压强化，已成为美、德、法等国汽车厂家的标准工艺。因球铁的密度比钢约小10%，所以以球铁代钢可以产生一定的轻量化效果。

        奥贝球铁(ADI-Austempered Ductile Iron）具有很高的强度和韧塑性，按美国和德国标准制造的奥贝球铁牌号，其最高强度级别达到1400MPa，超过了调质钢和渗碳钢的强度水平。可以用ADI代替钢制造汽车轮毂、全轮驱动双联杆、转向节臂、发动机正时齿轮、曲轴和连杆等。经实物测量，代替锻钢制造曲轴可以降重10%，代替铝合金制造载货车轮毂每只可降重0.5kg。

(2) 蠕墨铸铁
        蠕墨铸铁(Vermicular graphite cast iron)又称紧密石墨铸铁(Compacted graphite cast iron)，其机械－物理性能和铸造工艺性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，很适合制造强度要求较高和要承受热循环负荷的零件，如气缸体、气缸盖、排气歧管和制动鼓等。

        蠕墨铸铁的发现与球铁同时，但由于蠕化工艺控制难度较大而应用受到限制，Sinter Cast工艺控制系统为蠕铁的应用开辟了广阔的前景。Ford汽车公司从1996年开始应用这套系统生产发动机气缸体。据称蠕铁气缸体比灰铸铁气缸体降重16%，而结构刚度则提高12%~25%。采用蠕铁制造气缸体还可改善摩擦磨损性能、降低振动和噪音、改善排放。

(四)粉末铝合金材料
        粉末冶金材料成分自由度大和粉末烧结工艺的近净形特点，其在汽车上的应用有增加的趋势，特别是铁基粉末烧结材料在要求较高强度的复杂结构件上的应用越来越多。

        组装式粉末冶金空心凸轮轴是近年来的新产品，它是由铁基粉末冶金材料制成凸轮，然后用烧结或机械的办法固定在空心钢管上组成。与常规的锻钢件或铸铁件相比，可降重25%~30%。此种凸轮轴已在高速汽油机上使用，随?柴油机凸轮轴服役工况的日益苛刻，粉末冶金空心凸轮轴有推向柴油机的趋势。

        粉末锻造连杆已经成功应用，近年开发的一次烧结粉末冶金连杆技术的生产成本较低，可实现11%的轻量化。德国Opel公司装在2.0L的OHC发动机上行驶30万km的效果未见异常。

汽车轻量化之塑料在汽车中的应用

       塑料在汽车行业的应用前景同样看好。目前世界上不少轿车的塑料用量已经超过120千克/辆，个别车型还要高，德国奔驰高级轿车的塑料使用量已经达到150千克/辆。国内一些轿车的塑料用量也已经达到90千克/辆。可以预见，随着汽车轻量化进程的加速，塑料在汽车中的应用将更加广泛。汽车轻量化使塑料作为原材料在汽车零部件领域被广泛采用，从内装件到外装件以及结构件，塑料制件的身影随处可见。目前，发达国家已将汽车用塑料量的多少，作为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志从现代汽车使用的材料看，无论是外装饰件、内装饰件，还是功能与结构件，到处都可以看到塑料制件的身影。

        对于中国来说，塑料在汽车行业的应用尚处于初级阶段。目前，塑料等非金属材料在国产车上的应用状况还比不上进口车。在欧洲，车用塑料的重量占汽车自重的20%，平均每辆德国车使用塑料近300千克，占汽车总重量的22%。与国外相比，国产车的非金属材料用量仍然偏少。国产车的单车塑料平均使用量为78千克，塑料用量仅占汽车自重的5%—10%。

汽车轻量化之汽车发动机轻量

        发动机轻量化的途径，首先是提高升功率，以降低发动机单位功率的质量。最先进的功率密度指标已逼近1 kg/kW 。以轿车柴油机为例，如果20世纪90年代初升功率还只是在20-30 kW/L徘徊，那么自从20世纪末开始，其上升趋势可谓“突飞猛进”。如今，柴油机最大爆发压力已经达到20 MPa,升功率达到60 kW/L。