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1、汽车轻量化,作为有效的节能手段，汽车轻量化技术已经成为汽车工业发展的重要研究课题之一。汽车轻量化是国家节能减排战略的紧迫需要，更成为车企和全行业提高核心能力的现实需求。轻量化技术无论对传统汽车，还是新能源汽车，都是一项基础的共性技术。,- 前言,汽车轻量化 英文名称：Lightweight of Automobile,定义：汽车的轻量化 ，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。 主要指导思想：在确保稳定提升性能的基础上，节能化设计各总成零部件，持续优化车型谱。,汽车轻量化不能以简单的减重多少来衡量，必须与所设计车身
2、的尺寸和功能相关 对于已有的功能可满足要求的汽车，轻量化的设计是降低重量而保持原功能不变，其轻量化的效果是直接的减重； 现有功能尚不能全部满足要求或需要提升的汽车，轻量化设计是完善功能而保持质量不变； 既要提高改进性能，同时也使汽车减重。 汽车轻量化设计实际上是功能改进，质量降低，结构优化和合理价格的结合。,汽车轻量化,汽车轻量化设计与整车性能之间关系,注：此统计数据来源于通用小轿车统计,汽车轻量化对汽车技术的不断发展起到了重要作用,（1）降低油耗： 汽车行驶方程式为： F =Gf+Gsin+ma +CdAv / 21.15 其中：F 为行驶阻力；G 为车重；f 为滚动阻力系数；为道路坡度；为
3、汽车旋转质量换算系数；m为汽车质量；Cd 为风阻系数；A 为迎风面积；v 为车速。 等速百公里燃油消耗量：,其中，C为常数；F为行驶阻力，F=Ft+Fw,降低油耗,汽车行驶阻力越大，耗油越多。汽车行驶阻力包括滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力和空气阻力等四项，从上式可以看出，其中前三项均与车重成正比。经验数据显示，空气阻力约占行驶阻力的25。目前，减少这部分阻力的措施通常有：流线型车身、全粘接挡风玻璃、隐蔽式雨刮器、下地板全封装等。这些措施能将风阻系数降到0.3 ，但这已到瓶颈，其进一步减小的可能性只能寄希望于更为流畅低矮的车身。只是这样不仅需要巨大的技术与资金的投入，且不适用于要求空间宽敞的日常用
4、车，因而应该将目光转移到其它的阻力因素上。而剩下的75，即滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力，从公式可以看出，均与车重成正比。因此，减轻汽车质量，就成为减轻阻力从而节约燃油的重要措施。,结果表明，轻量化对汽车节能减排具有重要意义,汽车自身质量对燃油消耗的影响,各类车型的燃油效率与车身自重的关系,除空气动力学阻力之外 ,车子运动的各类阻力都和车子质量呈线性关系,诸多乘用车，车重减少 100 kg, 每升油多行驶 1 km,降低油耗,降低油耗,实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提6%8%，汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.30.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。当前
5、，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。,车重与燃油利用率的关系,油耗与CO2排放关系,降低油耗是实现节能减排的有效手段,研究表明 ,约 75 %的油耗与整车质量有关 ,降低汽车质量就可有效降低油耗以及排放。目前 ,大量研究表明 ,汽车质量每下降 10%，油耗下降 8 % ,排放下降 4 %。美国在欧洲全顺车的实验表明 ,在满足欧 标准条件下 ,每百公里油耗 Y与自重 X满足以下关系 Y = 0 . 003X + 3 . 3434 (1) 对商用车的研究表明 , 汽车质量每减少1 000 kg,油耗可降低6 %7 %。油耗的下降 ,意味着 CO2 ,氮氧化物 (NOx)
6、等有害气体排放量的下降。据报道 ,在美国汽车质量如果减少 25 % ,燃油消耗按减少13 %计 ,一年可节省 2 . 7亿桶石油 , 每消耗 1 L燃油 ,将产生 CO222 . 5 kg。 因此燃油消耗的降低 ,就意味着温室气体和其他有害气体排放的下降。,（2）改善性能,( 2）改善性能：汽车轻量化，有利于改善汽车的行驶、转向、加速、制动等运动性能和排气性能等多方面的性能。其中，发动机的轻量化还可改善前轮荷重分担率，进而改善汽车的操纵稳定性，还可为降低噪声、振动、实现大功率化创造条件。同时还有利于减轻部件振动和降低噪声，提高舒适性能，对于某些承载件，其承载的重量减轻，有利于降低元件疲劳，提高
7、耐久性。例如一辆重量1543 kg的汽车，若车重减轻25% ，可使该车加速到60 km/h的时间从原来的10 秒减少到8 秒。,改善动力性,汽车行驶方程式为： Ft=Ff+Fi+Fw+Fj 其中：Ft 为行驶阻力；Ff滚动阻力；Fj为加速阻力；Fi为坡道阻力；Fw为空气阻力。 Ft Fw/G=+du/gdt 令Ft Fw/G=D,D为汽车的动力因数，表示扣去空气阻力后单位车重得到的驱动力。动力因数越大，汽车的动力性越好。因此降低了汽车质量，相应动力因数增大，汽车的动力性增强。,(3)波及效果,( 3）波及效果：汽车各部分的质量是相互关联的。例如，发动机质量的减轻，使有关底盘部分也 可以相应地减
8、轻，即汽车整车减少的质量将大于发动机减少的质量；又如，车身零部件的轻量化，使支承它的行驶系统（车架、车桥、车轮、悬架等）负荷减小，尺寸和质量即可适当减小，发动机和制动器也可相应减小、减轻。通常，当平衡系统中某个部位质量减少1 kg，给予整个系统的波及效果是质量减少K kg ，称K 为增长因子，K 值因部位而异，汽车的K 值在1.5 2.0 之间。,轻量化设计的基本思想,在不降低性能的前提下，通过结构的优化，先进的工艺及轻质的材料应用，同时兼顾性能，质量及成本三大因素，达到最优轻量化目的，实现经济效益最大化。,轻量化设计的步骤,轻量化设计四部曲,减少用户不必要的功能,去除冗余结构,结构优化,新材
9、料及新工艺使用,轻量化目标,以整车重量为管控目标，制定分解轻量化目标，基于成本及工艺考虑，采用轻量化设计四部曲的方法，对整车材料选择，结构优化及工艺实施进行全方位的考虑实施。,轻量化设计方法,面积和厚度减少,通过CAE分析，优化设计，减少多余的面积和厚度是取得轻量化设计的主要手段。,功能减少或体积减少,形状和截面更改,底盘支架拓扑优化,转向节臂结构优化,座椅框架优化设计,车门结构优化,材料更换,新工艺的使用,行业、企业、高校、院所联盟是推动 汽车材料技术进步的有效组织形式,美国的新一代汽车合作项目（PNGV） 欧盟超轻车身联合研发项目(ER Collaborative R&D Project
10、-SuperLIGHT-CAR) 美国汽车材料合作项目U.S. Automotive Materials Partnership（USAMP） 新型钢车身项目New Steel Body（NBS） 国际钢铁协会超轻钢汽车车身项目Ultralight Steel Auto Body（ULSA） 世界各大铝业公司结成了汽车铝材联盟 （Auto Aluminum Alliance）,中国汽车轻量化产业技术联盟 工作任务 典型车型轻量化技术 轻量化材料的共性技术研究 汽车轻量化材料的开发和研究 轻量化联盟的主要成员单位 中国汽车工程学会、一汽、东风、吉利、奇瑞、长安、 重庆汽车研究院、吉林大学、哈工大
11、、宝钢、西南铝业、 中国石油天然气股份有限公司、石油化工科学研究院,铝合金板材在汽车车身上的应用,汽车车身约占汽车总重的30%，而在汽车内外板上用铝合金来代替传统钢板就可使白车身减重约40%-50%，进而使整车减重10%左右,亨利福特Model T 型汽车 福特Prodigy、Jaguar new XJ 法拉利360等赛车 DaimlerChrysler Prowler 大众 3L Lupo、奥迪A2、A8 本田混合动力轿车 Insight、 NSX 均采用铝制车身,典型的镁合金汽车零件,镁密集轻量化车身结构,Daimler-Chrysler-Benz轿车 镁合金门内板 AM50 重量：2.5
12、kg,Ford Jaguar轿车 镁合金仪表板 AM50 重量2.07 kg,Audi PP-GM40:3.8 kg (2/3), 2.8 kg (1/3),Nissan Murano,GMT,以连续玻纤毡为芯材,与热塑性树脂改性聚丙烯复合而成的片材。成型快，压力低，密度低，韧性好，可再生利用。绿色环保复合材料。 用于座椅骨架可以显著减重，降幅可达50成本可降低1020,PP-GM40GMTexTM :10.5 kg,长玻璃纤维增强聚丙烯（LGF-PP） STAMAX公司最近开发了一种高弹性模量复合材料LGF-PP，玻璃纤维的长度为1225毫米 LGF-PP可取代现有的材料，用于仪表板托架、保
13、险杠梁、防溅板、车门等零件 图为用LGF-PP制造的福特Fiesta后车门，同钢车门相比，其重量减少了50,LGF-PP制造的 福特Fiesta后车门,长玻纤材料用于高度集成的前端系统福特 Fusion 车型-集成了超过10个传统金属部于一个塑料部件,把多个金属零部件的功能集成 在同一塑料零件上，如前端模块 支架 减轻重量40% 降低制造成本,欧洲和美国 SMC（复合材料） 汽车部件用量最多 应用领域包括悬架零件、车身及车身部件、发动机盖下部件、车内装饰部件等 尤以保险杠、车顶、发动机罩、发动机隔音板、前后翼子板等部件用量最大,奔驰驾驶室,MAN驾驶室,结构泡沫实际上是一种泡沫材料聚氨酯、环氧
14、树脂和尼龙玻璃纤维复合材料作为加强内衬用于轿车前端、摆梁（Rocker）、后侧骨架和保险杠，A型柱铰链柱结合部、车顶纵梁B型柱结合部等关键部位结构泡沫能吸收更多的冲击能量,碳纤维增强聚合物基复合材料。适于制造车身和底盘零部件 减重幅度通常可达5065% 欧盟最近采用树脂传递模塑成型(RTM)工艺成功地试制出某轿车碳纤维底板 零件的数量由28个减少到8个，重量较钢约减轻50，而白车身的性能达到了原钢车身水平材料 美国除低成本碳纤维制备技术开发外，还在进行碳纤维增强树脂的开发，探索碳纤维增强塑料零部件的大规模制造工艺,VW公司的1-L概念车， 采用碳纤增强 复合材料车身外壳， 车身质量: 290
15、Kg,试制的轿车 碳纤维底板,在2005年JEC展会中展出的复合材料车身结构,一款A级轿车轻量化工作： 高强度钢目前现生产车型应用的品种有：烘烤硬化钢、加磷钢、低合金高强度钢、双相钢及TRIP钢 在个别车型中，为了达到轻量化设计要求，满足碰撞法规，在设计中使用了780MPa和980MPa 高强度钢应用研究： 双相钢980Y原从日本进口，现与宝钢合作试制；将在一车型中研究成形性及回弹补偿工艺 完成TRIP钢与HSLA钢点焊工艺研究 进行门防撞梁（强度1200MPa）冷成形工艺研究,一汽 高强度钢应用技术,一汽卡车大量采用抗拉强度340MPa级烘烤硬化钢板、含磷钢板代替普通强度钢板生产CA1092
16、车身及驾驶室零件，使零件厚度减薄 BH340烘烤硬化钢板共有23种零件，BIF340钢板共有18种零件，两种钢板每车用量228kg，单车降重约21kg 高强度冷轧钢板BIF340、BH340在商用车驾驶室上41种零件的应用，使高强度钢板占整车用冷轧钢板的用量由原来的8提高到当前的57.6,一汽与韩华综化（北京）合作完成了V221车型GMT材料保险杠加强板的开发,一汽热冲压成型轻量化制造技术研究,高强度钢板防撞梁等零件成形工艺研究 与大连理工大学合作在长春建生产线 现为一汽大众试制部件，逐渐为一汽集团配套生产,一汽卡车大量采用抗拉强度340MPa级烘烤硬化钢板、含磷钢板代替普通强度钢板生产CA1092车身及驾驶室零件，使零件厚度减薄 BH340烘烤硬化钢板共有23种零件，BIF340钢板共有18种零件，两种钢板每车用量228kg，单车降重约21kg 高强度冷轧钢板BIF34
