汽車輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀及未來

1、1小組成員：王振文 王錕 胡金明張逸麟 洪少華 陳偉堅(jiān) 劉志偉2主要內(nèi)容 汽車輕量化的意義及概念 國內(nèi)外汽車輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀 汽車輕量化技術(shù)及應(yīng)用3汽車輕量化的意義汽車輕量化的意義 20世紀(jì) 70年代的兩次石油危機(jī) ,促進(jìn)汽車工業(yè)提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。80年代中期以后，保護(hù)人類居住和賴以生存的環(huán)境又一次推動(dòng)汽車工業(yè)提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放。 4汽車輕量化的意義汽車輕量化的意義19901990年以來中國石油消費(fèi)年以來中國石油消費(fèi) 的供應(yīng)能源的供應(yīng)能源 汽車燃油在我國石油汽車燃油在我國石油 消費(fèi)中的的增長情況消費(fèi)中的的增長情況5汽車輕量化的概念汽車輕量化的概念，輕量化的設(shè)計(jì)是降低重量而保持原功能不變，其輕

2、量化的效果是直接的減重；，輕量化設(shè)計(jì)是完善功能而保持質(zhì)量不變；。 6汽車輕量化的意義汽車輕量化的意義 研究表明 ,約 75 %的油耗與整車質(zhì)量有關(guān) ,降低汽車質(zhì)量就可有效降低油耗以及排放。目前 ,大量研究表明 ,汽車質(zhì)量每下降 10%，油耗下降 8 % ,排放下降 4 %。美國在歐洲全順車的實(shí)驗(yàn)表明 ,在滿足歐 標(biāo)準(zhǔn)條件下 ,每百公里油耗 Y與自重 X滿足以下關(guān)系 對商用車的研究表明 , 汽車質(zhì)量每減少1 000 kg,油耗可降低 6 %7 %。油耗的下降 ,意味著 CO2 ,氮氧化物 (NOx)等有害氣體排放量的下降。據(jù)報(bào)道 ,在美國汽車質(zhì)量如果減少 25 % ,燃油消耗按減少13 %計(jì) ,

3、一年可節(jié)省 2 . 7億桶石油 , 每消耗 1L燃油 ,將產(chǎn)生 CO222 . 5 kg。7汽車輕量化的意義汽車輕量化的意義除空氣動(dòng)力學(xué)阻力之外 ,車子運(yùn)動(dòng)的各類阻力都和車子質(zhì)量呈線性關(guān)系 各類車型的燃油效率與車身自重的關(guān)系各類車型的燃油效率與車身自重的關(guān)系 汽車自身質(zhì)量對燃油消耗的影響汽車自身質(zhì)量對燃油消耗的影響諸多乘用車，車重減少 100 kg,每升油多行駛 1 km8國內(nèi)外汽車輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外汽車輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀9 自上世紀(jì)70年代以來，隨著材料技術(shù)和制造技術(shù)的進(jìn)步，汽車自身重量在逐年減少，以美國為例，上世紀(jì)80年代初，中型轎車的平均質(zhì)量為1520KG；90年代初下降至1475KG

4、；90年代末下降至1230KG；19851995年期間，轎車質(zhì)量平均每年減少0.9%。20世紀(jì)末和本世紀(jì)初世界各國先后出現(xiàn)過百公里油耗3L的汽車，這類汽車的質(zhì)量基本處在750850KG之間，比現(xiàn)今同類車輕50%。1998年德國大眾推出路波3L TDI，汽車自身質(zhì)量只有800KG。奧迪公司開發(fā)全鋁型轎車AuDi A2,汽車自身質(zhì)量只有895990KG。商用車的自身質(zhì)量也在減少，以意大利依柯維商用車為例，2004年其駕駛室的質(zhì)量已降為960KG，減少40%。10 美國總統(tǒng)奧巴馬2009年5月公布了一項(xiàng)汽車節(jié)能減排計(jì)劃，目標(biāo)是到2016年，美國國內(nèi)生產(chǎn)的客車和輕型卡車百公里耗油不超過6.62L，CO

5、2排放量也比現(xiàn)有車輛減少1/3。這項(xiàng)計(jì)劃2012年開始實(shí)施，將使美國在20122016年減少使用原油18億桶，溫室氣體排放量將減少9億噸。 歐洲和日本不僅在降耗減排方面推行了相關(guān)政策，而且對廢舊車輛回收也作出了嚴(yán)格規(guī)定。如日本2001年規(guī)劃由拋棄型進(jìn)入循環(huán)型的社會(huì)發(fā)展模式，推行全回收或零廢棄的觀念。其實(shí)，2001年以前，日本已有相關(guān)法令推行綠色設(shè)計(jì)及綠色采購。11*超級燃油效率概念車，燃油效率為超級燃油效率概念車，燃油效率為2.7L/100k（CO271g/km） 主要汽車生產(chǎn)國輕量化與改善燃油效率值的策略主要汽車生產(chǎn)國輕量化與改善燃油效率值的策略 12 國際鋼鐵協(xié)會(huì)首先開展了超輕鋼汽車車身U

6、ISAB項(xiàng)目，參加該項(xiàng)目的有來自5大洲18個(gè)國家的35家鋼鐵企業(yè)。該項(xiàng)目于1994年啟動(dòng)，1998年結(jié)束，主要目標(biāo)是減小車身質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、提高安全性、簡化制造工藝及降低生產(chǎn)成本。 與UISAB相關(guān)的項(xiàng)目還有UISAC和UISAS兩項(xiàng)目，前者是將高強(qiáng)度鋼應(yīng)用在汽車車身覆蓋件上，后者是采用高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度材料以及一些先進(jìn)的制造技術(shù)來生產(chǎn)輕量、廉價(jià)和性能良好的懸架系統(tǒng)，目標(biāo)是通過采用新的鋼材及設(shè)計(jì)，將懸架質(zhì)量減小20%。 國際鋼協(xié)1998年3月開始在全球?qū)嵤︰ISAB-AVC計(jì)劃，該項(xiàng)目是從整體上研究開發(fā)新一代鋼鐵材料汽車結(jié)構(gòu)（車身、覆蓋件、懸架系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)支架及所有與結(jié)構(gòu)、安全相關(guān)的部件）。

7、 世界各大鋁業(yè)公司也結(jié)成了汽車鋁材聯(lián)盟，如美國汽車材料合作伙伴（USAMP）。13 近年來 ,我國在汽車輕量化技術(shù)方面取得了不少成果?！熬盼濉焙汀笆濉逼陂g,一批汽車新材料項(xiàng)目被列為國家“863”、“973”高新技術(shù)項(xiàng)目和國家科技攻關(guān)重大項(xiàng)目。促進(jìn)了汽車輕量化技術(shù)的進(jìn)步。 “九五”期間,我國進(jìn)行了鋁合金材料和鑄件生產(chǎn)成套工藝技術(shù)的開發(fā)研究,開發(fā)出了多種鑄造合金和高性能軸瓦材料：耐熱鋁合金、高強(qiáng)高韌鋁合金、鋁基復(fù)合材料等新材料的研究取得了較大進(jìn)展。半固態(tài)成型、快速凝固等先進(jìn)成型技術(shù)研究與應(yīng)用也取得了突破。一汽等幾大汽車生產(chǎn)廠家都有自己的鋁合金鑄造生產(chǎn)線；湖南大學(xué)也正在進(jìn)行汽車大型鋁合金結(jié)構(gòu)件整體

8、鑄造成形技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的研究；重慶汽車研究所、西南鋁、東北大學(xué)和一汽都進(jìn)行了鋁合金板材的成形性研究。14 “十五”期間，我國將鎂合金應(yīng)用與開發(fā)列為材料領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目,一汽、東風(fēng)、長安等汽車企業(yè)建立了壓鑄鎂合金生產(chǎn)線 重慶汽車研究所在鎂合金零件的性能測試、疲勞試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬等方面做了大量的工作： 上海交大、湖南大學(xué)、重慶大學(xué)等高校就鎂合金的強(qiáng)韌化、耐蝕性、阻燃性和抗高溫蠕變性等開展了較深入的研究。 目前 ,國內(nèi)汽車輕量化材料正在加速發(fā)展 ,車用高性能鋼板、鎂合金已在汽車上有所應(yīng)用。如上海大眾桑塔納轎車變速器殼體采用鎂合金。上世紀(jì) 80年代,重慶汽車研究所就開展了雙相鋼研究；一汽轎車、奇瑞汽車公司

9、也在轎車車身上進(jìn)行了高強(qiáng)度鋼板的初步應(yīng)用試驗(yàn)。15 在汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面 ,國內(nèi)已從主要依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)逐漸發(fā)展到應(yīng)用有限元等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算和分析階段。目前出現(xiàn)了一批擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車車身模具開發(fā)技術(shù)， 如湖南大學(xué)與上汽通用五菱在薄板沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)理論方面開展了較深入的研究； 北京航空航天大學(xué)開發(fā)了CAD系統(tǒng)CAXA。 并已經(jīng)開展了客車輕量化技術(shù)的研究，利用有限元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。以減少車身骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)和車身蒙皮的重量等。 目前，我國汽車輕量化技術(shù)無論在理論研究方面還是在實(shí)際應(yīng)用方面與國外均有較大差距。沒有明確定位、合理分工?；A(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)研究的

10、有機(jī)銜接不夠。企業(yè)規(guī)模小而分散。輕量化技術(shù)開發(fā)能力薄弱，研發(fā)人才短缺，工藝水平落后等問題都是我們不足的地方，需要我們一一去解決。16汽車輕量化的主要途徑汽車輕量化的主要途徑17、合金材料是所有現(xiàn)用金屬材料中密度較低的輕金屬材料(鎂合金約1.74g/cm3, 鋁合金約2.7g/cm3，鈦合金約4.51g/cm3。而鋼的密度約7.8g/cm3），因而成為汽車減輕自重，提高節(jié)能性和環(huán)保性的首選材料。18（1）苛刻的安全法規(guī)要求用提高汽車主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性的眼光來完善汽車的安全設(shè)計(jì) ；（2）選用輕金屬材料是節(jié)油和降低排放的重要方法；（3）選用輕金屬材料是提高汽車動(dòng)力性、舒適性和提高競爭力的方向 1

11、9比強(qiáng)度高比強(qiáng)度高彈性好彈性好導(dǎo)熱性好導(dǎo)熱性好易加工易加工回收率高回收率高耐蝕性好耐蝕性好耐磨耐磨密度小密度小=2.7g/cm3鋁及鋁合金鋁及鋁合金20 德國奧迪A8型高級轎車的整個(gè)車身均采用鋁材制造，框架采用立體框架式結(jié)構(gòu)，覆蓋件為鋁板沖壓而成。這種鋁車身與鋼車身相比，質(zhì)量減輕30-50%，油耗減低5-8%。奧迪奧迪20112011款（全鋁車身框架）款（全鋁車身框架） 21 德國大眾先進(jìn)的6.0L W12發(fā)動(dòng)機(jī)采用的基本上都是鋁鎂合金，奧迪A8L 6.0 quattro轎車上因采用W12發(fā)動(dòng)機(jī)，整車重量隨之被降低到1980kg，低于所有其他車型。而W12引擎450馬力、560Nm的強(qiáng)勁動(dòng)力，

12、使其單位馬力需加速的重量僅為4.7kg，堪與高性能跑車相媲美。大眾最先進(jìn)的大眾最先進(jìn)的6.0L W126.0L W12發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)22 北極星系列引擎是通用旗下除了LS引擎系列外最頂級的發(fā)動(dòng)機(jī)，它是美國首款頂置凸輪軸的V8鋁合金的引擎。它的汽缸套由全鋁合金壓鑄而成。目前廣泛應(yīng)用于凱迪拉克上的4.6升發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率320馬力，最大扭矩427Nm。而應(yīng)用于高性能V系列的機(jī)械增壓款更可高達(dá)476馬力/606Nm。北極星北極星V8V8發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)2324 鎂合金減速器外殼采用壓鑄的方法制造，具有重量輕，噪音低的優(yōu)點(diǎn)。鎂合金減速器外殼鎂合金減速器外殼25 輪轂輪轂剎車踏板支架剎車踏板支架26 鋁和不銹鋼

13、在近200會(huì)失去原有的力學(xué)性能，而鈦合金在500左右仍能保持良好的力學(xué)性能； 在車用輕金屬材料中，鈦的強(qiáng)度可以達(dá)到與合金鋼相當(dāng)?shù)母邚?qiáng)度1500MPa，大大高于鋁、鎂合金； 鈦合金具有優(yōu)異的耐蝕性能，可在惡劣的工作環(huán)境下使用 因此鈦合金將是替代鋼鐵的輕量化和高性能的材料，是最具有潛因此鈦合金將是替代鋼鐵的輕量化和高性能的材料，是最具有潛力的汽車用材料。力的汽車用材料。27密度小、比強(qiáng)度大可綠色回收易加工與鋼材同樣的設(shè)備工藝記憶功能用于車身方便復(fù)原屈強(qiáng)比值大高、低溫力學(xué)性能好耐蝕性強(qiáng)不受路面鹽類及廢氣的影響28鈦合金的應(yīng)用鈦合金的應(yīng)用在汽車上，鈦可用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)氣門、承座、氣門彈簧、連桿、緊固件等

14、 鈦合金汽車連桿鈦合金汽車連桿除了減輕重量外，還可提高使用性能，抗振、節(jié)約燃油。一般用于高檔車中。蘭博基尼蘭博基尼-Diablo-Diablo、法拉力法拉力-F355-F355 、-360 M-360 M ， -550 M-550 M 、還有保時(shí)捷保時(shí)捷-911 -911 GT3GT3等都采用鈦合金來制造連桿。29鈦合金的應(yīng)用鈦合金的應(yīng)用 鈦合金具有良好的高溫力學(xué)性能和抗腐蝕性能，不亞于甚至超過了不銹鋼的指標(biāo)，所以，很適用于排氣系統(tǒng)。而且其它輕合金元素?zé)o法用于排氣系統(tǒng)，如果要在排氣系統(tǒng)中減輕汽車重量，鈦及其合金是唯一能夠替代鋼的新型輕質(zhì)材料。目前鈦合金排氣系統(tǒng)主要應(yīng)用于賽車、改裝車或高檔轎車中。鈦合金排氣系統(tǒng)鈦合金排氣系統(tǒng)30 價(jià)格昂貴是阻礙鈦在汽車上應(yīng)用的主要因素，鈦制造廠商也正努力進(jìn)行多方面降低成本的工作，相信在不遠(yuǎn)的將來會(huì)取得顯著的成效。31非金屬材料的應(yīng)用非金屬材料的應(yīng)用32非金屬材料的應(yīng)用非金屬材料的應(yīng)用33保時(shí)捷保時(shí)捷PCCB復(fù)合陶瓷剎車盤復(fù)合陶瓷剎車盤奧迪A8W12轎車的陶瓷制動(dòng)盤：比鑄鐵制動(dòng)盤的質(zhì)量降低了50%，壽命是鋼質(zhì)剎車盤的4倍。奧迪奧迪A8W12轎車的陶瓷制動(dòng)盤轎車的陶瓷制動(dòng)盤34該涂層含有鋯酸鹽瓷，其好處在于