汽车轻量化技术的发展

趋势跟踪TRENDTRACKING2009No.12009No.145442008年9月，中汽学会与中国汽车轻量化技术创新战略联盟在长春举办了“2008中国汽车轻量化技术研讨会”，11月又在上海举办了“2008国际汽车车身用钢研讨会”。在这两次会议上，分别对轻量化技术发展的热点问题展开交流和探讨，本文汇聚了两次会议上专家的观点和国外企业对相关新技术的介绍，并融入了整理者在阅读大量国内外相关资料后的一些个人观点，以便于使读者更全面了解世界汽车轻量化技术的发展。一、节能、安全、环保成为世界各国汽车制造商关注的话题，而轻量化是实现这一永恒主题的重要措施。根据世界汽车制造商协会（OICA）统计，2007年世界汽车生产总量达到7310万辆，全球汽车保有量突破了8亿辆。另据有关方面预计，全世界2010年汽车保有量将达到10亿辆。随着世界汽车产量和保有量的不断攀升，人们开始对日益严峻的能源状况和环境状况有了越来越多的担心，尤其对于大量进口燃油的国家更是如此。来自《BP世界能源统计2008》的数据：2007年全球石油产量为8150万桶，按照现在的开采速度，全球石油储量仅能满足40年的需求。而目前，美国石油的53%依赖进口，欧盟高达76%，日本石油几乎全部依赖进口，而2007我国的石油对外依存度也已超过50%。为缓解能源紧张局面，欧盟、北美和日本等许多国家制定了严格的提高燃油经济性指标，并对汽车排放提出越来越高的标准。在美国，2007年全球汽车保有量突破了8亿辆，对全球经济发展推动的同时，也对日益紧缺的能源和日益恶化的环境状况产生了较大压力。各国政府高度重视提高汽车燃油经济性和减少排放，制订汽车轻量化技术的发展王智文中国汽车工程学会趋势跟踪TRENDTRACKING2009No.12009No.147462009No.12009No.14746目前乘用车规定的燃油消耗CAFE为27.5英里/加仑（约11.8公里/升），轻型载货车不低于8.80公里/升。在日本，到2010年汽油乘用车燃油效率目标为15公里/升，比1995年降低22.8%，柴油乘用车2005年将降低14.9%（同比1995年），达到12公里/升。在欧盟，乘用车燃油消耗目标为18.8公里/升，2009年单车平均排放CO2目标减少到140g/km，2012年达到120g/km。为了应对温室效应带来气候变暖，全球140多个国家签订了《京都议定书》，CO2减排被提到议事日程。在我国，2004年9月发布了《乘用车燃料消耗量限值标准》规定，在2010年前乘用车新车平均油耗比2003年降低15%以上。2007年7月又发布了《轻型商用车辆燃料消耗量限值》，交通运输部也分别于2008年4月和6月，发布了营运客车和营运货车燃料消耗量限制及测量方法。降低油耗，提高燃油经济性、减少排放有多种手段。从国际上看，解决汽车节能环保问题主要采用以下三种方式。一是大力发展新能源汽车，通过采用先进发动机技术和推广使用气体燃料、生物质燃料、煤基燃料、电动汽车等替代能源来减少汽车燃油消耗和对石油资源的依赖。二是大力发展先进发动机技术，通过一系列电子技术的应用，提高燃烧效率，改善燃油经济性。三是大力发展汽车轻量化技术，在保障汽车安全性和其他基本性能的前提下，通过减轻汽车自身重量来实现节能减排。回顾汽车轻量化的发展历史，导致汽车轻量化技术发展的最初动力来自上世纪70年代爆发的全球石油危机，油价飞涨迫使世界各国通过减轻汽车质量来实现节油，诞生了汽车轻量化概念，并因此带来了汽车技术发展的一次飞跃。1977年美国乘用车的平均自重为1651公斤，1982年降低到1275公斤，降幅约23％。在此之后，为满足安全、排放、舒适性、可靠性、智能化等要求，车内各种配置不断增加，使得车辆的自重又开始缓慢回升，为轻量化技术发展带来了新的动力。到2004年，美国乘用车的平均自重仅比1982年上升了15％，为1470公斤。可以想象，如果没有在减轻汽车自重方面所做出的努力，车重将以怎样的幅度上升。欧洲轿车的自重变化的趋势与美国十分相似。世界铝业协会的报告指出：汽车自重每减少10％，燃油消耗可降低6％～8％，排放降低5%-6%。而燃油消耗每减少1升，CO2排放量减少2.45kg。可见，汽车轻量化是实现节能减排的重要手段和方法。在此背景下，世界各汽车发达国家都对轻量化方面投入了相当大的人力和财力。在诸如美国新一代轿车合作伙伴计划、欧盟科技框架等政府项目中，都可以看到对轻量化技术发展的关注，而轻量化技术的进步不仅让提高燃油经济性、减少排放主要有三种方式。一是大力发展新能源汽车；二是大力发展先进发动机技术；三是大力发展汽车轻量化技术。从历史上看，汽车轻量化的动力直接来自节能的需要。特别是在车内配置不断增加的情况下，如果没有轻量化技术的发展，很难想象车重将以怎样的幅度增加。汽车自重每减少10％，燃油消耗可降低6％～8％，排放降低5%-6%。而燃油消耗每减少1升，CO2排放量减少2.45kg。对于全球汽车业来说，大力发展汽车轻量化技术对传统汽车和新能源汽了一系列严格的法规，我国的车辆燃油经济性限值指标也已经出台。2009No.12009No.14746趋势跟踪TRENDTRACKING2009No.12009No.14746传统汽车具有更好的节能减排效果，也为新能源汽车的健康发展提供了有力条件。汽车轻量化后面临的一个重要问题是如何满足世界各国日益严格的车辆碰撞法规，保证车辆的安全性。这就需要先进高强度材料的研发和应用，更需要相关工业的支持和配合。所以，汽车轻量化绝不是简单意义上的用轻质材料替代原有材料，汽车轻量化技术是在满足汽车使用要求和成本控制的条件下，将轻量化设计技术与轻量化材料、轻量化制造技术的集成应用，是一个涉及到技术、经济、安全、环境等诸多方面的复杂系统工程，需要从材料到零部件优化设计和检测技术、先进制造技术、材料回收与再生技术、零部件维修技术等一系列关键支撑技术的突破。无容置疑，目前我国自主品牌汽车产品的轻量化水平整体较低，发展潜力巨大。对于消费者来说，乘用车轻量化直接利益是提高燃油经济性，多种新技术的采用还将大幅度提高车辆的安全性。对于商用车，轻量化则可以有效提高车辆的载质量系数（即有效载荷与车辆自重的比值），提高平均燃油效率，减少运营成本。因此，对于我国汽车工业，提高汽车轻量化技术水平，是国家能源安全战略的需要，也是实现汽车节能减排目标的需要，更是提高我国自主品牌汽车国际竞争力的需要。二、　汽车轻量化的潜力及实现方案在当前汽车技术的发展中，轻量化技术的应用水平已经成为衡量一个汽车企业技术水平和产品水平的重要标志之一。我国汽车轻量化的潜力到底有多大？我们可以用这样的一组数字来说明：目前我国自主品牌轿车的自质量约比发达国家同类轿车平均重8%～10%，在重量相当的情况下，我国自主品牌轿车比国外同类车型的安全性差2-3个等级。在商用车方面，我国产品平均比国外同类产品重10%～15%。例如，载重量为40吨的牵引车，VolvoFE的整备质量为7.69吨，而我国同类车型整备质量为9.95吨，超出2.26吨，差距超过20%。根据发改委汽车中长期对策研究中的数据测算，我国平均单车年消耗掉石油2.5吨，而美国为1.6吨/车·年，日本为1.0吨/车·年，欧洲在1.1吨/车·年。这一状况直接导致了我国平均单车年消耗大大高于美国、日本和欧洲同类产品。在我国节能和新能源汽车开发中，尤其是电动汽车（包括纯电动、混合动力和燃料电池汽车）开发中，汽车轻量化汽车轻量化技术是满足汽车使用要求和成本控制的条件下，轻量化设计技术与轻量化材料、轻量化制造技术的集成应用，涉及到技术、经济、安全、环境等诸多方面的复杂系统工程。轻量化技术对于我国汽车工业来说，是国家能源安全战略的需要，也是节能减排战略的需要，更是提高我国自主品牌汽车国际竞争力的需要。仅从一组数字就可以看出我国汽车轻量化的潜力：对于轿车，我国自主品牌产品的自质量约比世界同类产品平均重8%～10%，在重量基本相当的情况下，我国轿车产品的安全性比国外同类车型低得多；对于商用车，我国产品比国外同类产品平均重10%～15%，重型载货车偏重20%以上，使同一车型的载重量下降许多。车的健康发展都具有积极的现实意义。趋势跟踪TRENDTRACKING2009No.12009No.149482009No.12009No.14948问题也十分突出。汽车轻量化技术是轻量化设计、轻量化材料、轻量化制造技术的集成应用。具体而言，实现轻量化的途径有两条：一是通过整车优化结构设计。如采用优化设计除去零部件的冗余部分（使零部件薄壁化、中空化），部件零件化、复合化以减少零件数量，设计全新的结构等；二是优化材料设计，即低密度材料代替钢铁材料的应用，主要是采用轻量化材料以减轻零部件重量。两者相辅相成，互相作用。轻量化材料是指可用来减轻汽车自重的材料，它有两大类：一类是低密度的轻质材料，如铝合金、镁合金、钛合金、塑料和复合材料等；主要用于发动机缸体、方向盘骨架等非结构件；另一类是高强度材料来降低钢板厚度，如采用高强度钢。汽车用高强度钢的主要零部件分三类。一是外覆盖件，如四门两盖；二是白车身；三是悬挂件，如发动机支架、副车架等零部件。现代车身轻量化设计向着轻质（高燃油经济性）、安全（高的被动安全性）、舒适、优质（长寿命、高的抗凹陷性抗腐蚀性）、低成本等方向来发展。宝马汽车轻量化的设计方案如下图。首先，在车身轻量化工程中，必须实现车身功能性的最佳组合。通过结构变化进行动态刚度设计。要求车的质量达到最小，具有良好的被动安全性，这意味着均匀结构必须具有最佳载荷变化范围。下一步是轻量化制造技术，采用新的制造工艺。包括拼焊板坯料，液压成形或辊压成形等技术来实现减重；第三步是采用材料轻量化设计，采用高强度钢、铝镁合金和各种塑料等复合材料来有效实现减重。由此可见，轻量化工程需要从时间和成本等多角度进行综合衡量。实现轻量化的途径有两条：一是优化整车结构设计，去除零部件的冗余部分；二是优化材料设计，即低密度材料代替钢铁材料的应用。轻量化材料有两大类：一类是低密度的轻质材料，如铝镁合金；另一类是高强度材料来降低钢板厚度，如采用高强度钢。宝马汽车轻量化设计方案是通过轻量化设计、轻量化制造、轻量化材料来实现的，最终目标为达到质量最佳化，成本最优化。制造—拼焊板坯料—深冲，液压成形—铸造—电焊，激光焊—自身铆焊工程—最佳工程组合—最佳加载变化—均匀结构—最佳几何形状材料—高强度钢—铝，镁合金—混合材料—碳纤维—复合材料时间和成本重量最佳化宝马的目标：动态最小质量，轴载茶分布—被动安全性—使一用寿命和寿命—音响和舒适性—动态和静态刚度宝马汽车轻量化设计方案2009No.12009No.14948趋势跟踪TRENDTRACKING2009No.12009No.14948在国外先进轻量化设计方案的带动下，国内自主品牌汽车也开始了轻量化设计之路。一汽集团公司针对某自主品牌轿车，在开发过程中经过大量的模拟计算，以被动安全超过CNCAP四星级碰撞为目标，在轻量化结构设计中对车身的强度、刚度以及模拟整车碰撞性能等作了大量的分析，在白车身中应用了先进的3H框架设计，优化了前后端变形区，保证了在碰撞时最大限度的吸收冲击能量，并加强了侧面结构件。在轻量化材料方面，选用了大量的高强度钢、铝合金和工程塑料，在车门防撞杆、B柱内侧加强板上应用了屈服强度大于980MPa的高强度钢。在车身冲压件中，高强度钢、超高强度钢的应用比例超过46%，在白车身中高强度钢应用比例超过43%。在轻量化的制造技术中，采用了激光拼焊板、液压成形技术。白车身以及四门两盖中有16个零件采用激光拼焊板坯，副车架主管采用内高压成形技术。在轻量化的同时，增加了结构件强度，提高了碰撞安全性。三、高强度钢仍旧是最主要的轻量化材料，钢铁企业正在与汽车企业通力合作，推动新型高强度钢板在汽车轻量化中的开发和应用在汽车轻量化材料设计中，钢铁材料是最主要的轻量化材料。汽车用钢主要分为两类：一是合金结构钢，主要用于汽车发动机和传动系统及悬架系统的主要构件