輕量化汽車

輕量，指汽車的重量。很大程度上減少汽車的重量。同時輕量也可以指汽車的排放量，排放量減少，空氣污染的負擔減輕。

基本介紹

• 中文名：輕量化汽車
• 外文名：Lightweight car
• 提出：輕量化汽車這一概念最先起源於賽
• 背景技術：隨著“節能環保”越來越成為了廣
• 指導思想：節能化設計各總成零部件

概念的提出

輕量化汽車這一概念最先起源於賽車運動，它的優勢其實不難理解，重量輕了，可以帶來更好的操控性，發動機輸出的動力能夠產生更高的加速度。由於車輛輕，起步時加速性能更好，剎車時的制動距離更短。

背景技術

隨著“節能環保”越來越成為了廣泛關注的話題，輕量化也廣泛套用到普通汽車領域，在提高操控性的同時還能有出色的節油表現。汽車的油耗主要取決於發動機的排量和汽車的總質量，在保持汽車整體品質、性能和造價不變甚至最佳化的前提下，降低汽車自身重量可以提高輸出功率、降低噪聲、提升操控性、可靠性，提高車速、降低油耗、減少廢氣排放量、提升安全性。有研究數字顯示，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；若滾動阻力減少10%，燃油效率可提高3%；若車橋、變速器等裝置的傳動效率提高10%，燃油效率可提高7%。汽車車身約占汽車總質量的30%，空載情況下，約70%的油耗用在車身質量上。因此，車身變輕對於整車的燃油經濟性、車輛控制穩定性、碰撞安全性都大有裨益。

主要指導思想

在確保穩定提升性能的基礎上，節能化設計各總成零部件，持續最佳化車型譜。

特點

汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，儘可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；汽車整備質量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。當前，由於環保和節能的需要，汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流。

汽車輕量化的主要途徑是：　

①汽車主流規格車型持續最佳化，規格主參數尺寸保留的前提下，提升整車結構強度，降低耗材用量；

②採用輕質材料。如鋁、鎂、陶瓷、塑膠、玻璃纖維或碳纖維複合材料等；

③採用計算機進行結構設計。如採用有限元分析、局部加強設計等；

④採用承載式車身，減薄車身板料厚度等。

其中，當前的主要汽車輕量化措施主要是採用輕質材料。

鋼鐵材料的輕量化舉措

鋼鐵材料在與有色合金和高分子材料的競爭中繼續發揮其價格便宜、工藝成熟的優勢，通過高強度化和有效的強化措施可充分發揮其強度潛力，以致迄今為止仍然是在汽車生產上使用最多的材料。

高強度鋼板

轎車自重的25%在車身，車身材料的輕量化舉足輕重。20世紀90年代，世界範圍內的35家主要鋼鐵企業合作完成了“超輕鋼質汽車車身”（ULSAB－Ultra Light Steel Auto Body）課題。該課題的研究成果表明，車身鋼板的90%使用現已大量生產的高強度鋼板（包括高強度、超高強度和夾層減重鋼板），可以在不增加成本的前提下實現車身降重25%（以4門轎車為參照），且靜態扭轉剛度提高80%，靜態彎曲剛度提高52%，第一車身結構模量提高58%，滿足全部碰撞法規要求。當然，這還是一個研究的成果，高強度鋼板在車身上的實際套用還未達到如此高的水平。在普通的IF鋼板的基礎上相繼開發了高強度IF鋼板和烘烤硬化IF鋼板，在保持高成型性的同時提高了強度和抗凹陷性，為車身鋼板的減薄和實現輕量化創造了條件。

加入Ti、Nb和V等元素的析出強化鋼板拉伸強度在500~750MPa，可用於車輪和其它底盤零件。

近來開發的多相鋼有相當大的套用潛力。其中鐵素體－貝氏體鋼強度級別為500MPa，雙相（DP）鋼和相變誘發塑性（TRIP）鋼強度級別為600~800MPa,復相（CP）鋼強度級別在1000MPa或更高。這些鋼的成型性能也很好。日本?>日產汽車公司進行了590MPa級高強度鋼板在車身上的套用研究，他們選用TRIP鋼和DP鋼裸板以及DP鋼鍍鋅板並運用有限元分析技術解決了衝壓開裂和回彈問題，最佳化了焊接工藝參數，通過實車檢測，剛度和碰撞性能滿足要求，比採用440MPa級鋼板時降重10kg。

雷射拼焊毛坯（Tailored Blank）是新近開發並套用的鋼板輕量化技術。在前述ULSAB車身有18個零件採用了此技術。

結構鋼

鋼鐵材料的用量雖逐年減少，但高強度鋼的用量卻有相當大的增加。高強度結構鋼使零件設計得更緊湊和小型化，有助於汽車的輕量化。

(1) 彈簧

懸架彈簧輕量化的最有效方法是提高彈簧的設計許用應力。但是為了實現這種高應力下的輕量化，材料的高強度化是不可少的。在傳統的Si-Mn彈簧鋼的基礎上通過降低C並添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素，開發出強度和韌性都很高的鋼種，設計許用應力可達1270MPa，這種彈簧鋼的套用可實現40%的輕量化。在傳統的Cr-V系彈簧鋼中添加Nb可提高鋼的抗延遲斷裂性能，結合改進的奧氏體軋製成型，可使鋼的拉伸強度達到1800MPa的水平。

氣門彈簧用的Si-Cr鋼中添加V，通過晶粒細化確保韌性，由增C提高強度。這樣改進後，彈簧的高周疲勞強度約提高8%，可實現15%的輕量化。通過有限元分析，螺旋彈簧內、外側應力均勻分布的檸檬形斷面彈簧鋼絲得以開發，使彈簧實現7%的輕量化。

提高彈簧疲勞強度的有效途徑是對彈簧進行噴丸和氮化處理。彈簧的噴丸，除了傳統的應力噴丸之外又發展了雙級噴丸。噴丸和氮化也可以複合使用。

(2) 齒輪

汽車發動機有高功率化的趨勢，而傳動器有緊湊小型化的傾向。這勢必加大傳動齒輪的負荷，從而對齒輪鋼的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度的要求也相應提高。

提高鋼中Ni、Cr、Mo等合金元素的含量可以提高齒輪鋼的淬透性和強度，但單純靠合金元素來強化齒輪鋼會使鋼的切削性能變壞、熱處理工藝複雜，原材料成本和生產成本都會大幅度提高。齒輪滲碳時，為了防止或減少異常層的出現，降低鋼中的Si和P含量，Mo量增加到0.35%~0.45%，並採用經改良的碳氮共滲工藝。改進的鋼種可使齒輪實物的衝擊壽命提高3~5倍，若在上述降低表面異常層鋼種加上強力噴丸，可使齒輪疲勞極限提高20%~30%。

齒輪鋼中的非金屬夾雜物是疲勞裂紋的起點，會降低強力噴丸的強化效果，為此開發了高純淨度齒輪鋼。例如對SCM420HZ鋼，將氧濃度降到9ppm以下、磷濃度降到90ppm以下時，與前述降低表面異常層的低Si高Mo鋼相比，齒輪齒根彎曲疲勞壽命提高10%~17%，接觸疲勞壽命提高25%。

高強度鑄鐵

鑄鐵由於其性能和成本方面的諸多優點，在汽車材料中仍然占有一席之地。鑄鐵材料的進步更使之在汽車上的套用出現了新亮點。

(1) 球墨鑄鐵

鐵素體球墨鑄鐵拉伸強度可達500MPa，韌性也較高，因此多用於底盤零件，有的車型甚至用作轉向節等保全件。

珠光體球墨鑄鐵強度更高，在一些零件上可代替鍛鋼件。帶平衡塊的4缸轎車發動機曲軸採用球墨鑄鐵加圓角滾壓強化，已成為美、德、法等國汽車廠家的標準工藝。因球鐵的密度比鋼約小10%，所以以球鐵代鋼可以產生一定的輕量化效果。

奧貝球鐵(ADI-Austempered Ductile Iron）具有很高的強度和韌塑性，按美國和德國標準製造的奧貝球鐵牌號，其最高強度級別達到1400MPa，超過了調質鋼和滲碳鋼的強度水平。可以用ADI代替鋼製造汽車輪轂、全輪驅動雙聯桿、轉向節臂、發動機正時齒輪、曲軸和連桿等。經實物測量，代替鍛鋼製造曲軸可以降重10%，代替鋁合金製造載貨車輪轂每隻可降重0.5kg。

(2) 蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵(Vermicular graphite cast iron)又稱緊密石墨鑄鐵(Compacted graphite cast iron)，其機械－物理性能和鑄造工藝性能介於灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，很適合製造強度要求較高和要承受熱循環負荷的零件，如氣缸體、氣缸蓋、排氣歧管和制動鼓等。

蠕墨鑄鐵的發現與球鐵同時，但由於蠕化工藝控制難度較大而套用受到限制，Sinter Cast工藝控制系統為蠕鐵的套用開闢了廣闊的前景。Ford汽車公司從1996年開始套用這套系統生產發動機氣缸體。據稱蠕鐵氣缸體比灰鑄鐵氣缸體降重16%，而結構剛度則提高12%~25%。採用蠕鐵製造氣缸體還可改善摩擦磨損性能、降低振動和噪音、改善排放。

粉末冶金材料

粉末冶金材料成分自由度大和粉末燒結工藝的近淨形特點，其在汽車上的套用有增加的趨勢，特別是鐵基粉末燒結材料在要求較高強度的複雜結構件上的套用越來越多。

組裝式粉末冶金空心凸輪軸是近年來的新產品，它是由鐵基粉末冶金材料製成凸輪，然後用燒結或機械的辦法固定在空心鋼管上組成。與常規的鍛鋼件或鑄鐵件相比，可降重25%~30%。此種凸輪軸已在高速汽油機上使用，隨?柴油機凸輪軸服役工況的日益苛刻，粉末冶金空心凸輪軸有推向柴油機的趨勢。

粉末鍛造連桿已經成功套用，近年開發的一次燒結粉末冶金連桿技術的生產成本較低，可實現11%的輕量化。德國Opel公司裝在2.0L的OHC發動機上行駛30萬km的效果未見異常。