汽车轻量化及使用材料多元化

王睿 曹晖

摘要：近年来，世界各汽车制造厂不断推进汽车轻量化。在汽车用材方面，除了钢铁材料，铝材和碳纤维强化树脂（CFRP）的使用也在增加。车体采用多种材料的“材料多元化”有了很大进展。文章分析了汽车轻量化的意义、铝合金材料的特点及性能优势，铝合金车身板材的生产工艺，并且重點阐述了铝合金车身板在汽车生产中的应用，进而分析总结出我国汽车轻量化进程中所面临的主要难题，为汽车轻量化的加速发展提供良好的借鉴和参考。

关键词：汽车；轻量化；铝合金；材料

1导言

构建生态文明的社会，最重要的就是要人与社会的和谐发展，保持生态建设和工业建设之间的平衡，这也是企业产业需要遵循的原则之一。随着节能减排的大力推行，加之环保政策力度的进一步加强，2016年底至2017年上半年持续放缓的汽车轻量化推进有了回升的态势。之前受阻于车用铝材成本高昂的汽车轻量化，在政策扶持、大环境发展趋势的双重驱动下重新成为了汽车行业的焦点。

2汽车轻量化的概念和意义

汽车轻量化设计，就需要在降低整个车厢设备质量的同时，保证汽车的整体安全性能以及结构强度达到最优化。经过相关实验表明，汽车的质量每减少1/2，行使过程中所消耗的燃料就会减少一半，这样产生的尾气也会大大减少。同时，如果能减少车身的质量，对于改善整个汽车行驶性能、提升汽车的耐磨力具有重要的意义。主要措施。首先是结构的轻量化。随着计算机产业的发展和进步，也逐渐渗透到汽车产业和设计制造业中，不仅大大提升了汽车的设计性能，也满足了如今对于节能减排的需求。尤其在轻量化设计中，采取计算机技术辅助优化汽车结构，不仅能够保证汽车的安全驾驶，也能提升汽车的个性行使性能。例如在计算机仿真技术中，设置汽车结构的强度等条件，就能利用强大的数据库对其安全性能进行评估和计算。这也在一定程度上减少了汽车产品的更换周期，提升了资源的利用效率。

其次是材料的轻量化。在科学技术的支撑下，飞机、汽车等高性能机械逐渐走进人们的视野中。塑料和复合材料也是如今科技材料发展的主要方向之一。在实现了材料轻量化的同时，也促进了经济效益的最大化。根据实验数据表明，将碳纤维材料应用到汽车轻量化设计中，能将油耗降低百分之二十以上。因此，想要改善汽车设计结构减少汽车质量，就需要将塑料与复合材料融入其中，并取代部分金属材料。

3铝合金材料的特点及性能优势

铝合金是地壳中含量最多的金属元素，它具有一系列的优良性能，比如低密度、高强度、良好的成形性能及工艺性能等，更重要的是铝合金的回收再利用性非常好，具有较高的回收率。低密度让铝合金比合金钢更具优势。铝合金在强度和刚度方面明显要低于钢板，但是铝合金可以通过加厚和优化设计来提高强度和刚度，最终达到与钢板一样的水平。由于铝合金的密度要远远低于钢铁，所以即使增加厚度，铝合金构件的减重效果仍然非常明显。数据资料显示，同刚度下，铝合金减重效果可达50%。

目前，随着汽车保有量的不断增加和人们环保意识的逐渐增强，报废汽车的回收和再生越来越受到关注。铝制品的性能优势决定了铝具有较高的回收价值率，可达到80%左右，并且铝材是对环境完全无害的绿色材料。优越的性能决定了铝合金材料在汽车轻量化领域中的重要地位。

4汽车轻量化及使用材料多元化

4.1钢铁材料：高强钢比例增加

过去，汽车用钢铁材料是具有强度、成形性、环境性（循环利用）以及价格等多方面优势的良好材料。随着近年来汽车轻量化的推进，汽车用钢材也发生了变化。强度高、加工性好的高强度钢比例不断增力加。高强度钢是添加C、Si、Mn等元素、进行组织控制提高强度的钢材。其制造方法往往被钢厂视为保密内容。高强钢的强度高于普通钢材，因此可薄型化，容易实现轻量化。一般来说，高强度钢的强度升高，在进行复杂形状部件冲压成形时，容易产生裂纹。为此，对高强度钢进行组织微细化，使高强度钢在提高强度的同时，不易产生裂纹。并且生产成本没有增加。现在已经开发出980MPa级以上的超高强度钢材，并用于保险杠防撞梁和车门抗冲击梁。另一方面，用于汽车的钢铁材料的比例逐渐下降。15年前钢铁材料占汽车用材的80%，现在已经下降到70%左右。但是，高强度钢占汽车用钢的比例升高，接近60%。今后，将钢板加热后进行冲压成形，然后快速冷却使部件强度有飞跃提高的热冲压技术、将不同厚度的部件进行拼焊的技术以及使部件具有不同强度的局部淬火技术将会得到扩大应用。因此可认为，作为汽车用材的、具有综合优良特性的钢铁材料（特别是高强度钢）的需求，今后不会大幅度下降。钢铁材料将继续保持在汽车用材方面的优势地位。

4.2采用优化设计实现专用汽车轻量化

这是通过对专用汽车进行拓扑优化设计的方式，实现专用汽车车身轻量化的技术和方法。它是一个迭代的过程，在一定的空间区域之内选取最为适宜的材料，进行科学合理的优化设计，其中包括有限元分析、灵敏度计算、材料分布修改等内容，突破了传统专用汽车设计理念，更好地优化了专用汽车的车身形状和结构，削薄了汽车零部件的厚度，有效减轻了专用汽车零部件的质量，使汽车上一些无关紧要的复杂结构得以简化，降低生产制造成本；同时，也改变了汽车零部件设计的模仿现象，使汽车零部件设计更具有针对性和实用性。

4.3碳纤维复合材料

复合型材料在汽车车身中的应用能够提升整个结构设计的优越性和独特性。虽然碳纤维材料性能好，但是成本也相对较高，因此没有得到大面积的普及。在现如今小批量的汽车设计中，如宝马公司研制了一批使用低成本的碳纤维材料车身，不仅成产成本相对较低，效率也更高。

4.4应用连接工艺实现专用汽车轻量化

要采用锁铆连接工艺，以较好地实现不同材质、强度、硬度、厚度的材料的连接，满足不同材料之间连接的动态疲劳强度和静态强度要求，并可以使不同形态汽车轻量化材料之间进行有效的粘合，提升汽车吸收撞击能量的功能，并达到防水密封、隔音降噪的目的，有效地实现专用汽车的轻量化设计。同时，相较于传统的铆接工艺而言，锁铆连接工艺缩减了冗余的工序和环节，具有更高的生产效率。

4.5异种材料接合技术

汽车制造厂为了进行新一代汽车开发，现在已经对汽车不同部位新材料的应用问题进行研究。汽车制造厂的用材方针是最大限度地发挥材料特性，将“把现有材料特性用尽”作为汽车轻量化的方针。当“把现有材料特性用尽”仍不能获得满意的轻量化效果时，再研究新材料的正式应用。另一方面，随着燃油效率法规的强化，对汽车轻量化的要求不断提高，将不断推进对铝材和CFRP的应用研究。铝材和CFRP的应用，形成汽车材料的多元化，虽然要经过一定时间，但这是不可逆转的发展趋势。汽车材料多元化的推进过程中，异种材料接合技术是不可或缺的技术。通过异种材料接合在抑制成本升高的同时，还可以利用异种材料的特性。但是，由于不同材料的熔点、热膨胀率、氧化性的不同，异种材料接合部件的材料界面上容易产生裂纹、锈蚀，导致强度下降。因此要研发出基于各种材料优缺点的异种材料接合技术。

结束语

综上所述，专用汽车轻量化设计是时代的趋势和要求，有不可忽视的现实意义和作用，随着新能源汽车的发展，轻量化更是重中之重。铝合金材料以其自身优势必将在汽车轻量化发展中发挥重要作用。作为铝加工企业，应将汽车用铝合金板的生产成本作为关注焦点，重点从生产工艺、设备和管理等多角度制定降低成本措施，为铝板材的大批量生产与应用打下良好基础。

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