轻量化——节能、环保又安全的汽车制造技术

　　“低碳”经济如今成为全球最热话题，随着上海世博会出行普遍采用纯电动、混合动力、燃料电池等新能源汽车以及新能源汽车补贴政策的实施，汽车行业也燃起了一股“低碳”经济热潮。不过大家关注汽车行业低碳经济的时候，往往首先想到的就是新能源汽车，事实上，只要有利于减少排放和污染的技术都可以称之为低碳技术。今天我们就请来南京先进复合材料产业化促进协会副理事长、美国福特汽车公司特聘教授、南京航空航天大学先进材料与成型技术研究所所长陶杰教授，来讲讲汽车行业的另一种“低碳”方法汽车轻量化设计与材料。

　　汽车自重减少有利于节能减排

　　汽车产业在世界各地蓬勃发展的同时，也带来环境污染和能源短缺两大严重的负面影响。据调查，石油消费品中约35%是作为汽车的燃料被使用的，可见汽车燃料消耗占有很大比重。汽车的废气排放会污染大气层，据统计，汽车排出的CO2占地球人类活动CO2总排放量的20%以上，因此必须大力减少汽车的CO2排放量。研究显示，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1L，CO2排放量就能减少2.45kg。燃油消耗量的减少不仅有利于节约能源，也可有效减少污染物排放。可见，汽车轻量化是实现节能减排的重要手段和方法。

　　重量虽减轻性能有保障

　　汽车轻量化主要是指采用现代设计方法和有效手段对汽车产品进行优化设计，或使用新材料在确保汽车综合性能指标的前提下，尽可能降低汽车产品自身重量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标。

　　汽车轻量化绝非是简单地将其小型化。首先应保持汽车原有的性能不受影响，既要有目标地减轻汽车自身的重量，又要保证汽车行驶的安全性、耐撞性、抗震性及舒适性，同时汽车本身的造价不被提高，以免给客户造成经济上的压力。汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用两大方面。一方面汽车轻量化与材料密切相关；另一方面，优化汽车结构设计也是实现汽车轻量化的有效途径。

　　铝合金和树脂基复合材料在汽车轻量化中被广泛应用

　　使用轻质材料是实现汽车轻量化的主要途径之一，轻质材料的使用量不断攀升是汽车轻量化技术不断发展的主要表现。轻量化材料主要有中、高强度钢和先进高强度钢、铝合金、塑料、复合材料、镁合金等材料。其中铝合金和树脂基复合材料的研究及使用增长速度较快。

　　铝是生产汽车的优良材料，铝具有密度小、耐蚀性好等特点，且铝合金具有优良成型性，铸、锻、焊接工艺均适用。目前正在应用的铝合金汽车零部件主要通过压铸工艺生产，铝代替传统的钢铁制造汽车，可使整车重量减轻30%—40%。

　　目前，塑料及其复合材料主要被用来制造汽车中的次承力件或非承力件，但碳纤维增强的先进复合材料是当代飞机的重要结构材料，也是F1赛车和高档轿车的主要结构材料。复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。增强材料通常有碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维等。一般复合材料相对密度在1.5—2.0之间，只有碳钢的1/4—1/5，可其力学性能却达到或超过合金钢的性能。因此使用复合材料，可减轻零部件约40%的质量。现代汽车的材料约有10%以上由复合材料构成，其在汽车中的应用范围正在由汽车的内饰件扩展到汽车外部结构。内饰件的应用特点是安全、环保和舒适，其主要制件有仪表板、坐椅及各类护板等；外饰件的应用特点是以塑代钢，减轻汽车自重，主要制件有保险杠、侧后围护板、举升门等。

　　轻量化材料的使用将逐渐加大

　　汽车轻量化对于汽车工业健康发展、降低油耗和排放、改进汽车性能以及我国社会发展、能源战略都具有重大意义。我国已具备了进行汽车轻量化材料及相关技术研发的良好基础和产业化条件，目前我们所购买的汽车已经运用了汽车轻量化技术，只是轻量化的程度还有限，但这一进程正在加速。当汽车进入到运用电或太阳能为动力的时代后，汽车将主要使用铝合金和先进复合材料来制造。

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　　奥迪、捷豹、莲花引领车身轻量化设计

　　在豪华车领域里，捷豹XJ和奥迪A8从来都是车身轻量化的践行者。奥迪A8首创了ASF铝合金空间桁架车身轻量化技术，因此成为世界上首辆全铝合金车身的产量型轿车，奥迪A8一战成名。以国际上最新一代的奥迪A8为例，其采用ASF（AudiSpaceFrame）铝合金空间桁架车身结构，其整体结构刚性则提升25%，但车辆结构因大量采用铝合金材质而节省6.5公斤。ASF组件大多以铝制成，不仅帮助奥迪减轻车身重量，也保证了良好的吸能和制动的效果。与此同时，这些铝制零件还可以大规模回收再利用。

　　捷豹XJ首创的铆钉固定全铝合金承载式车身轻量化技术同样是其在豪华车中留有一席之地。以全新捷豹XJ为例，采用先进航空制造技术的铆接胶合铝合金车身结构，在保持了超凡的刚度和安全性的同时，车身重量轻于其他竞争车型。比如，同样配备V型8缸发动机的竞争车型，德国戴姆勒公司的5.5L排量“梅赛德斯·奔驰S550”重1950kg，宝马公司的4.4L排量“750i”重2040kg。而新款XJ为1850kg，比竞争车型轻100kg以上。

　　莲花跑车可谓当今汽车轻量化的最为杰出的代表，以莲花2010ExigeCup260为例，该车采用来自Toyota（丰田）的1.8升机械增压发动机，最大马力260马力，搭配6速手排变速箱，其百公里加速却只需4.1秒，达到超级跑车的性能。其秘密就在于车身的轻量化。莲花2010ExigeCup260在顶、尾门、中控台、后扰流尾翼等部位使用碳纤维材质。同时也使用了铝合金机械增压管路、轻量化锻造铝圏、轻量化飞轮和轻量化电池等轻量化材料，这让2010ExigeCup260的重量仅有890kg。但是莲花并没有失去其操控稳定性能，2010ExigeCup260通过将后底盘刚性增加30%，前308mm后282mm的大刹车碟盘，比2009ExigeCup260的尾翼宽181mm高46mm，在160km/h时可提供42kg下压力的大型扰流尾翼，让Exige车型原本已经非常出色的操控和转向能力获得更进一步的提升。

　　在国内则不得不提及以车身轻量化技术著称的马自达6和睿翼，两款轿车的安全和操控性能都不错，但由于采用了高强度钢结构，其车身重量相比同级别车型轻50—100公斤，从而带来较好的燃油经济性。

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