輕量化是汽車工業(yè)當前遇到重要挑戰(zhàn)，許多主機廠商都對該命題展開了巨大的研發(fā)投入，雖已經(jīng)取得了非常大的成就，相比五、六十年前的汽車，當前的汽車平均重量已經(jīng)下降了50%，但輕量化依然還有很大可以深挖的余地……
在國家部委聯(lián)合發(fā)布的《中國制造2025》中，已把輕量化當成汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，當節(jié)能減排成為當前汽車工業(yè)面對的必然要求時，汽車輕量化對于節(jié)省能源和保護環(huán)境都有著非常重要的意義。接下來就為大家介紹汽車輕量化的相關內(nèi)容，以及汽車輕量化的途徑方法，解析汽車輕量化與安全性之間的影響。
什么是汽車輕量化?輕量化系數(shù)又是什么?
汽車輕量化并不是一味地降低質(zhì)量或門板厚度，與“減重”的概念并不能簡單等同。汽車輕量化是在完善或改進汽車綜合性能的基礎上，盡可能地降低車身重量，達到質(zhì)量降低、結(jié)構優(yōu)化、安全性能提高和成本降低這四者有機結(jié)合的目標。根據(jù)相關研究表明，汽車75%的油耗都與其質(zhì)量有關，比如滾動阻力、加速阻力和梯度阻力等，汽車整備質(zhì)量每下降10%，油耗即可下降6-8%，排放下降4%;車輛質(zhì)量降低100KG，百公里油耗即可降低0.3-0.6L。因此，汽車質(zhì)量越大，燃油經(jīng)濟性就表現(xiàn)的越差。
隨著材料科技和制造工藝的進步，汽車輕量化的趨勢也越來越明顯。汽車工業(yè)為了研究汽車的輕量化水平，還提出了汽車輕量化系數(shù)指標來進行衡量：汽車輕量化系數(shù)L=白車身(無門蓋、無前后風擋玻璃)質(zhì)量×1000/(車身扭轉(zhuǎn)剛度×四輪間正投影面積)，該系數(shù)越小，表示車輛輕量化水平越高。因此，汽車輕量化的途徑就主要有以下內(nèi)容構成(途徑一與白車身質(zhì)量有關，途徑二和途徑三與車身扭轉(zhuǎn)剛度有關)：
汽車輕量化常采用的新型材料包括：輕金屬材料和非金屬材料(陶瓷、碳纖維、工程塑料等)，在輕金屬材料中，鋁合金是目前輕量化材料中應用最多，也是最成熟的材料，它的密度只有鋼的三分之一，抗沖擊性能好、耐腐蝕，減重效果明顯，可廣泛應用于車身、底盤和發(fā)動機等部件上;鎂合金具備密度小、比強度高、比彈性模量大等優(yōu)點，相比鋁合金減重效果還要高15-20%，目前在汽車輪轂、進氣歧管、離合器、傳動外殼、齒輪箱等應用較多，在航天領域應用更廣泛;此外，航空領域昂貴的鈦合金也在汽車工業(yè)中也有少量應用。
在非金屬材料中，碳纖維具備非常低的密度(比鋁合金強2-4倍減重效果)，拉伸強度是鋼的7-9倍，還具有耐腐蝕、高模量特性，同樣限于成本原因，在風力發(fā)電和航空航天領域應用非常普遍，如今在汽車領域也逐漸開始普及，如例如寶馬i8、i3等車型上碳纖維復合增強材料的比例已占60%， i8的輕量化系數(shù)已經(jīng)達到0.99，i3也已經(jīng)達到1.26，輕量化效果非常明顯。
工程塑料如PP、PUR、PVC、ABS、PE等等也在汽車上得到了廣泛的應用。此外，還有精細陶瓷、玻璃增強材料、紡織復合材料、高強度結(jié)構發(fā)泡材料等等。
高強度材料則是在傳統(tǒng)鋼材上繼續(xù)挖掘潛能，性能卻更加優(yōu)越(部分材料的屈服強度可超過1000Mpa)，如高強度鋼板、熱沖壓成型鋼、高強度鑄鐵等，成本相比普通鋼材有所增加，但是相較之上述輕質(zhì)復合材料而言還是顯得便宜得多。高強度鋼材在汽車底盤橫梁加強板、懸架支架、發(fā)動機支架等地方應用非常廣泛。
當然了，鋼材并沒有全部敗給輕合金陣營，值得注意的是，奧迪全新A8就逆潮流而動，“拋棄”了堅持了二十余年的全鋁合金車身。全新A8內(nèi)部40%的車身結(jié)構件將使用鋼鐵，17%車身結(jié)構件將由熱成形用鋼(PHS)，屈服強度高達1500Mpa，相比全鋁合金車身強度更高，“相對”輕量化程度更好，雖然相比上一代車型增重了51KG，但車身剛度增強，安全性大幅增強，同時也大幅降低了成本，為汽車輕量化的方向提出了新的解決方案。
目前輕量化材質(zhì)主要面對的問題確實是應對制造成本升高的挑戰(zhàn)，這些高科技材料只有通過技術進步或規(guī)模效應來降低成本，才能使得它們從專業(yè)級賽車、超跑、豪華車型陣營下放到經(jīng)濟車型中來。
車身結(jié)構優(yōu)化設計可以很好地解決因上述新材料所帶來的成本問題，在保證碰撞安全和操控穩(wěn)定性的基礎上，通過結(jié)構優(yōu)化設計(如傳力路徑的優(yōu)化，環(huán)形回路設計提升剛性)、拓撲優(yōu)化等，來達到在相同的材質(zhì)基礎上提升受力性能。
當前，汽車設計工程師還會通過計算機系統(tǒng)進行CAD和CAE進行輔助分析和優(yōu)化等，與結(jié)構優(yōu)化一起結(jié)合，保證汽車的綜合性能。此外，提高汽車零件總成水平，減少零件數(shù)量和體積，按工況優(yōu)化零部件的形狀，提高組件集成化程度等也可以達到優(yōu)化的目的。
汽車輕量化制造工藝技術包括了新的材料成型方法和連接技術，比如激光焊接、液壓成型、半固態(tài)鑄造技術、噴射成型技術等，這些技術可以大幅度減少零部件數(shù)量、提高車身質(zhì)量穩(wěn)定性、提高結(jié)構可靠性，在高強度負荷下可以保持強度均衡。不過這些技術都會導致整個生產(chǎn)線技術的更迭，對于規(guī)模較小的汽車企業(yè)來說，制造成本壓力將非常大。
汽車輕量化反而有助于提升安全性
汽車碰撞安全性能并不能簡單地通過車重來衡量，有人列舉坦克撞轎車的例子有失偏頗，但即便是坦克高速行駛時發(fā)生碰撞，內(nèi)部人員同樣也會受到巨大的傷害。對于該問題，其實要去追究汽車本身安全設計的碰撞吸能結(jié)構、高強度材料和受力載荷傳遞等內(nèi)容是否優(yōu)秀，碰撞后乘員艙的完整程度等，其實都與汽車重量的大小沒有直接關系，國內(nèi)外各大安全碰撞測試機構都有大量的數(shù)據(jù)來驗證，有些網(wǎng)友到現(xiàn)在還在根據(jù)鋼板的厚度來判斷汽車安全，那可真是典型的鍵盤俠了。輕量化并不是簡單地減重，而是匯聚了目前汽車工業(yè)最頂尖的制造科技和工藝，安全性一定能夠得到更好的保證。
而反過來在汽車制動方面，由于輕量化所致汽車質(zhì)量降低，在相同速度減速時，減速系統(tǒng)所消耗的能量就會降低，相同的制動器條件下，制動效果就更大，制動距離也會縮短，制動性能則有明顯的提升，因此，汽車在輕量化之后，主動安全性能反而會得到提升。
結(jié)語
到底如何看待以上的這些輕量化的問題?輕量化并不難做到，而做到車輛的性能、安全、成本和重量四者之間的平衡才是我們需要去追求的，這四者只兼顧一方并不算是高明，而是四者做到和諧統(tǒng)一才是最高的境界。鋁合金、鎂合金等高科技材料的應用必然受到高昂的成本阻隔，但是在整車輕量化的大趨勢面前，相信汽車工程師們一定能找到更加完美的解決方案。
在國家部委聯(lián)合發(fā)布的《中國制造2025》中，已把輕量化當成汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，當節(jié)能減排成為當前汽車工業(yè)面對的必然要求時，汽車輕量化對于節(jié)省能源和保護環(huán)境都有著非常重要的意義。接下來就為大家介紹汽車輕量化的相關內(nèi)容，以及汽車輕量化的途徑方法，解析汽車輕量化與安全性之間的影響。
什么是汽車輕量化?輕量化系數(shù)又是什么?
汽車輕量化并不是一味地降低質(zhì)量或門板厚度，與“減重”的概念并不能簡單等同。汽車輕量化是在完善或改進汽車綜合性能的基礎上，盡可能地降低車身重量，達到質(zhì)量降低、結(jié)構優(yōu)化、安全性能提高和成本降低這四者有機結(jié)合的目標。根據(jù)相關研究表明，汽車75%的油耗都與其質(zhì)量有關，比如滾動阻力、加速阻力和梯度阻力等，汽車整備質(zhì)量每下降10%，油耗即可下降6-8%，排放下降4%;車輛質(zhì)量降低100KG，百公里油耗即可降低0.3-0.6L。因此，汽車質(zhì)量越大，燃油經(jīng)濟性就表現(xiàn)的越差。
隨著材料科技和制造工藝的進步，汽車輕量化的趨勢也越來越明顯。汽車工業(yè)為了研究汽車的輕量化水平，還提出了汽車輕量化系數(shù)指標來進行衡量：汽車輕量化系數(shù)L=白車身(無門蓋、無前后風擋玻璃)質(zhì)量×1000/(車身扭轉(zhuǎn)剛度×四輪間正投影面積)，該系數(shù)越小，表示車輛輕量化水平越高。因此，汽車輕量化的途徑就主要有以下內(nèi)容構成(途徑一與白車身質(zhì)量有關，途徑二和途徑三與車身扭轉(zhuǎn)剛度有關)：
- 途徑一：采用輕質(zhì)復合和高強度材料
汽車輕量化常采用的新型材料包括：輕金屬材料和非金屬材料(陶瓷、碳纖維、工程塑料等)，在輕金屬材料中，鋁合金是目前輕量化材料中應用最多，也是最成熟的材料，它的密度只有鋼的三分之一，抗沖擊性能好、耐腐蝕，減重效果明顯，可廣泛應用于車身、底盤和發(fā)動機等部件上;鎂合金具備密度小、比強度高、比彈性模量大等優(yōu)點，相比鋁合金減重效果還要高15-20%，目前在汽車輪轂、進氣歧管、離合器、傳動外殼、齒輪箱等應用較多，在航天領域應用更廣泛;此外，航空領域昂貴的鈦合金也在汽車工業(yè)中也有少量應用。
在非金屬材料中，碳纖維具備非常低的密度(比鋁合金強2-4倍減重效果)，拉伸強度是鋼的7-9倍，還具有耐腐蝕、高模量特性，同樣限于成本原因，在風力發(fā)電和航空航天領域應用非常普遍，如今在汽車領域也逐漸開始普及，如例如寶馬i8、i3等車型上碳纖維復合增強材料的比例已占60%， i8的輕量化系數(shù)已經(jīng)達到0.99，i3也已經(jīng)達到1.26，輕量化效果非常明顯。
高強度材料則是在傳統(tǒng)鋼材上繼續(xù)挖掘潛能，性能卻更加優(yōu)越(部分材料的屈服強度可超過1000Mpa)，如高強度鋼板、熱沖壓成型鋼、高強度鑄鐵等，成本相比普通鋼材有所增加，但是相較之上述輕質(zhì)復合材料而言還是顯得便宜得多。高強度鋼材在汽車底盤橫梁加強板、懸架支架、發(fā)動機支架等地方應用非常廣泛。
當然了，鋼材并沒有全部敗給輕合金陣營，值得注意的是，奧迪全新A8就逆潮流而動，“拋棄”了堅持了二十余年的全鋁合金車身。全新A8內(nèi)部40%的車身結(jié)構件將使用鋼鐵，17%車身結(jié)構件將由熱成形用鋼(PHS)，屈服強度高達1500Mpa，相比全鋁合金車身強度更高，“相對”輕量化程度更好，雖然相比上一代車型增重了51KG，但車身剛度增強，安全性大幅增強，同時也大幅降低了成本，為汽車輕量化的方向提出了新的解決方案。
目前輕量化材質(zhì)主要面對的問題確實是應對制造成本升高的挑戰(zhàn)，這些高科技材料只有通過技術進步或規(guī)模效應來降低成本，才能使得它們從專業(yè)級賽車、超跑、豪華車型陣營下放到經(jīng)濟車型中來。
- 途徑二：車身結(jié)構優(yōu)化設計和計算機輔助集成(CAX)
車身結(jié)構優(yōu)化設計可以很好地解決因上述新材料所帶來的成本問題，在保證碰撞安全和操控穩(wěn)定性的基礎上，通過結(jié)構優(yōu)化設計(如傳力路徑的優(yōu)化，環(huán)形回路設計提升剛性)、拓撲優(yōu)化等，來達到在相同的材質(zhì)基礎上提升受力性能。
當前，汽車設計工程師還會通過計算機系統(tǒng)進行CAD和CAE進行輔助分析和優(yōu)化等，與結(jié)構優(yōu)化一起結(jié)合，保證汽車的綜合性能。此外，提高汽車零件總成水平，減少零件數(shù)量和體積，按工況優(yōu)化零部件的形狀，提高組件集成化程度等也可以達到優(yōu)化的目的。
- 途徑三：輕量化制造工藝技術
汽車輕量化反而有助于提升安全性
汽車碰撞安全性能并不能簡單地通過車重來衡量，有人列舉坦克撞轎車的例子有失偏頗，但即便是坦克高速行駛時發(fā)生碰撞，內(nèi)部人員同樣也會受到巨大的傷害。對于該問題，其實要去追究汽車本身安全設計的碰撞吸能結(jié)構、高強度材料和受力載荷傳遞等內(nèi)容是否優(yōu)秀，碰撞后乘員艙的完整程度等，其實都與汽車重量的大小沒有直接關系，國內(nèi)外各大安全碰撞測試機構都有大量的數(shù)據(jù)來驗證，有些網(wǎng)友到現(xiàn)在還在根據(jù)鋼板的厚度來判斷汽車安全，那可真是典型的鍵盤俠了。輕量化并不是簡單地減重，而是匯聚了目前汽車工業(yè)最頂尖的制造科技和工藝，安全性一定能夠得到更好的保證。
而反過來在汽車制動方面，由于輕量化所致汽車質(zhì)量降低，在相同速度減速時，減速系統(tǒng)所消耗的能量就會降低，相同的制動器條件下，制動效果就更大，制動距離也會縮短，制動性能則有明顯的提升，因此，汽車在輕量化之后，主動安全性能反而會得到提升。
結(jié)語
到底如何看待以上的這些輕量化的問題?輕量化并不難做到，而做到車輛的性能、安全、成本和重量四者之間的平衡才是我們需要去追求的，這四者只兼顧一方并不算是高明，而是四者做到和諧統(tǒng)一才是最高的境界。鋁合金、鎂合金等高科技材料的應用必然受到高昂的成本阻隔，但是在整車輕量化的大趨勢面前，相信汽車工程師們一定能找到更加完美的解決方案。