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1、汽车材料及轻量化趋势报告总结主讲人：韩维健 博士近年来，随着我国汽车及相关产业的不断发展，截至 2016 年 3 月底，全国 机动车保有量达到 2.83 亿辆，其中汽车 1.79 亿辆；机动车驾驶人达 3.35 亿人， 其中汽车驾驶人 2.89 亿人。与欧美、日本等发达国家相对成熟的汽车市场相比， 我国的汽车市场还有很大的上升空间，也就是说，汽车仍是很多生活在二、三 线城市人们的生活刚需。伴随着汽车产销量的增长，我国的石油缺口不断增大，越来越多的石油需 要依赖于进口，截至 2016 年初，我国石油消费对外依存度已经突破 60%。上世 纪 70 年代的第一次石油危机过后，许多石油进口大国（诸如美
2、国）就开始考虑 发展替代能源，以减少不可再生能源的使用。同时，汽车排放所带来的日益严 峻的环境问题也迫使国家制定相关政策以减小环境污染和能源消耗，例如，根 据工信部制定的乘用车燃料消耗量限值和乘用车燃料消耗量评价方法及 指标，企业当年所生产乘用车的平均油耗指标逐年严格，从 2015 年到 2020 年，平均油耗目标分别为百公里 6.9 升、6.7 升、6.4 升、6 升、 5.5 升和 5 升。 基于这些因素，各大汽车厂商争相推出新能源汽车，并对原有车型排放性能进 行改进。第一次石油危机后，轻量化技术得到充分重视和应用，使整车质量大幅降 低，但到后来危机放缓，国际油价下跌，汽车厂商考虑到汽车的
3、舒适性、安全 性的提高，以及新的附件的安装，使得整车质量逐渐回升。可以说，整车轻量 化面临着严峻的考验。1975 年至 2010 年乘用车质量及特征变化趋势对于传统燃油汽车来说，整车质量的降低可以提高汽车的燃油经济性、减 少尾气排放；对于纯电动汽车来说，整车质量的降低可以提高车辆的续驶里程。 例如，在美国十分畅销的福特汽车公司的新一代 F150 运用了轻量化技术，车身 采用大量铝合金材料，使得整车质量降低 300 多公斤，牵引能力更是大幅提升； 福特旗下的中高级轿车 fusion 也预计在 2015 年将整车质量有 1559kg 降至 1135kg。近期，由中国工程汽车学会组织申报的电动汽车结
4、构轻量化共性关 键技术研究与应用以及重庆长安汽车公司牵头承担的轻量化纯电动轿车集 成开发技术项目已经正式列入 2016 年国家重点研发专项，不难看出，轻量化 技术正是项目的关键所在。轻量化的途径主要有两种：整车结构优化设计和采用轻质材料。其中轻质 材料目前应用较多的有以下几种：高强度钢材（AHSS）、铝合金、镁合金、复 合材料（主要是 CFRP 和 GFRP）等等。在早期，汽车厂商在考虑选用哪种轻质 材料时，首先考虑的是购置成本问题，所以较为昂贵的铝合金、镁合金以及复 合材料应用较少；在后来，汽车厂商在考虑了汽车产品的整个生命周期成本， 包括汽车在使用过程中的燃油消耗、碳排放等等因素之后，逐渐
5、地采用了更多 诸如铝合金等轻质材料。高强度钢材高强度钢材。高强度钢材的应用在各大汽车厂商中已经十分成熟，对于车 身设计而言，为满足车身各部分的服役要求，高强度钢材以及超高强度钢材主 要应用于乘员驾驶舱的 A、B、C 柱，门槛梁以及前纵梁上，而普通钢材主要用 在车身后部，以满足汽车在发生碰撞时的吸能要求。铝合金铝合金。铝合金近些年应用较多，尤其是在高级别乘用车上，例如捷豹 XFL 和特斯拉 MODEL S，均采用的是全铝车身。除此以外，发动机缸体、轮辋等 部件也可采用铝合金制造。一些汽车厂商为了兼顾车身的轻量化和成本问题， 常常将高强度钢材和铝合金混合使用，并采用大量的铆接技术将两者连接。镁合金
6、镁合金。镁合金比钢和铝合金都要轻，并且具有一定的缓冲阻尼和更好的 耐冲击性，主要用于制作方向盘骨架、转向柱支架、座椅基座等等。但是，由 于镁元素的储量有限，产能较低，在汽车上的应用受到了一定的限制。例如， BMW 早先生产的 N55 直列六钢发动机缸体采用镁铝合金（镁合金和铝合金组合 使用）制造，之后由于无法满足性能更强的涡轮增压发动机的强度要求而改用 铝合金缸体。碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料。与钢材和铝材相比，CFRP 在性质上具有更低的比重， 更高的比强度和比模量等诸多优点。由于 CFPR 的各向异性，在设计零件结构时， 可以合理地安排预浸布的铺层角度来满足零件的强度需求。就现阶段，CFRP 主 要用在一些高档汽车的覆盖件、空气套件以及内饰件上；由于粘接技术的不成 熟，CFRP 在车身承载结构上的应用较少。BMW 对 CFRP 的成型技术研究较多，旗 下的 BMW i3 纯电/混动轿车以及 BMW i8 混动超跑已经得到量产，但由于其高昂 的售价及维修花费，在国内的新能源汽车市场并不十分走俏。总之，轻量化技术，尤其是基于轻质材料的轻量化技术是未来纯电动汽车， 乃至整个汽车行业的关键发展方向，我国也在大力推动轻量化技术的研究，投入了大量的人力物力，相信在不久的将来，随着汽车碳排放和燃油消耗的减少， 我国的环境问题和能源问题会得到可观的改善。
