新能源汽车轻量化材料发展趋势分析外文翻译资料

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Applied Mechanics and Materials Vol 189(2012)58 - 62页 Online：2012-07-26

copy;(2012) Trans Tech Publications,瑞士

doi:10.4028 /www.scientific.net/AMM.189.58

汽车轻量化新材料应用的现状与发展趋势

LI Hong^{1, a}, LI Xin^2,b

¹Hebi College of Vocation and Technology, Henan Province, China，458030

²Hebi College of Vocation and Technology, Henan Province, China，458030

^alihong661010@sina.com, ^bhebilixin@163.com

关键词：汽车；轻量化；材料；应用；目前的状况；发展趋势

摘要：目前，汽车行业的发展需要满足环境保护，尾气排放和能源消耗的标准，因此轻量化汽车是解决这些问题的有效手段和方法。汽车轻量化是轻量化设计，轻量化材料，轻量化制造科学技术的综合应用。新材料在轻量化过程中起到了重要的作用。如果你想获得轻量级的效果，你必须深刻地了解轻质材料的使用性质，深入研究轻质材料的广泛应用。这篇文章的目的是对国内国外的汽车轻量化技术进行现状分析，并且结合新材料研究结果的应用和轻量化项目成功的案例，开展研究目前汽车使用的材料的性能的状况和应用于汽车轻量化材料的发展的趋势。

1、汽车轻量化是汽车产业未来发展的趋势

1.1汽车轻量化是实现能量节约和环境保护的重要方法措施和基础科学技术

在2011年，有一个结论，中国已经生产和销售1841.89万辆和1850.51万辆汽车，同比增长小幅增长分别是0.84％和2.45％，中国汽车的生产和销售总额继续保持世界第一。随着汽车产业的高速发展，环境，能源，道路交通安全和良好的健康问题已成为制约汽车行业可持续发展的重要的因素，能源的节约和环境保护成为了整个汽车产业链中最重要的问题之一。

从国际经验的观点来看，解决汽车的能源节约和环境保护的问题主要采取以下三种方式：一是开发新能源汽车，采用先进技术和普及可供选择的能源，减少对石油燃料资源消耗的依赖;另一个是开发先进的发动机技术，提高燃烧的效率，提高燃油的经济性;最后是开发汽车轻量化技术，在保证安全和其它基础性能的前提下。通过减轻自身重量来实现资源的节约和环境保护。

大量的研究表明，汽车的重量越重，行驶的阻力越大，汽车在驾驶过程中的导致的问题越多。实践表明，约75％的燃料消耗与车辆的重量相关，减少汽车

的重量可有效降低燃料消耗和尾气排放的影响。每辆车的重量减少10％，燃料消耗量减少8％，排放量减少4％。

在发动机技术提升的难度上升和新能源汽车还没有大规模工业化的背景下，无论是传统燃料汽车还是新能源汽车，汽车轻量化技术是一种共同的基础技术。发展和促进汽车轻量化技术成为保护环境和节约能源的主要手段之一。对于节能减排和低碳环保的要求，汽车轻量化将是汽车行业未来发展的方向。

1.2传统汽车仍然是中国汽车产业的支柱，中国汽车产业实行汽车轻量化技术拥有巨大的潜力。

根据相关文件披露，2020年中国新能源汽车生产和销售量累计计划500万辆。毫无疑问，加快新能源汽车的发展将有助于解决一系列问题，如未来的能源安全，环境保护和交通压力等。但值得注意的是，在2011中国有10578万辆交通工具（1228万辆汽车，包括三轮汽车和低速卡车），到2020年数量将上升到2亿辆。这意味着85％到90％ 的汽车仍然是传统的石油能源汽车。

因此，对于新能源汽车的发展同时，我们仍然要高度重视传统内燃机汽车所造成的能源节约和环境保护问题。从自动控制的角度来看，到2020年传统燃油汽车仍然占主导地位;从一辆车的能源消耗来看，中国传统燃料汽车的燃料消耗量km比美国的汽车高20％，比西欧和日本汽车高出30％以上，除了发动机技术差距外，汽车轻量化低于同等级的基本上，与国外同类车型相比，中国自主品牌汽车的重量平均比国外同类汽车高出8％-10％，商用车重量平均高出的10％-15％，自主品牌的商用卡车的轻量化与进口品牌之间的差距比较明显，例如，装载40吨拖拉机，沃尔沃FE的整备质量为7.69吨，但中国同等级车型的重量为9.95吨，超重了2.26吨，差距超过了20％。自主品牌的安全性比国外同类车型差了2-3个级别。因此，传统燃油汽车轻量化的拥有巨大的实施空间，它是非常迫切和现实的，通过各种方式提高传统汽车的轻量化等级和降低燃油的消耗。而轻量化技术是实现的重要措施之一。

1.3轻型新能源汽车会变得更加出色

新能源汽车，包括电动汽车（包括纯电动和混合动力和燃料电池汽车）随着动态方式的变化，它需要增加电池能源的供应，电机驱动系统，如电能管理系统，反馈系统等一系列附加部件。与传统能源汽车相比，这些附加零件虚拟的增加了新能源汽车的自重。根据权威的统计，同级别的混合动力汽车的重量比传统能源汽车重300〜400千克。目前行驶的旅行距离的与电池重量的比值为1：1，这意味着行驶距离为100公里的电动车，配置的电池重量至少为100千克。根据奥迪发布的数据，对于新能源汽车，每减少100千克的重量可以提高7.5％的寿命里

程，也就是越轻越节能，也有助于加强航行，但主要问题是电动汽车的产业化是一次充电运行一段时间后的能力，并且电池本身具有一定的重量和尺寸。因此，在新能源汽车中，核心技术如电池，电机和电子单元没有发生重大的技术进步，它是非常重要的方法减少汽车自身重量，提高电池使用效率并且也提高了电动汽车动力性能。因此，轻型新能源汽车会变得更加出色。

2、新材料在汽车轻量化过程中的作用

在汽车产业中，材料通常意味着一切。几十年前，汽车几乎由各种类型的钢材制成。其中只有几个零件不是钢制品，如塑料或木材。但现在汽车产业在材料的应用方面发生了很大的变化。同时，被动安全，性能和设计的要求也逐步得到了提高，这驱使汽车材料供应商不断研究和开发新材料，用来替代高密度的钢铁，为了获得更高的机械性能。

目前，中型汽车的平均重量约为1200-1400千克，在发达国家的汽车产业，他们将努力将中型汽车重量减至1000千克以下在2015年，新型环保材料将发挥越来越重要的角色。并且减少汽车自身重量对应的汽车轻量化材料消耗量在一年一年的增加。新材料的应用是使汽车轻量化的主要途径之一。目前，材料能够用于减轻车辆的重量，有两种方法：一种是高强度材料，如高强度钢和高强度不锈钢; 另一种是轻质材料，如铝合金，镁合金，钛合金，塑料，复合材料。

汽车零部件制造的材料的选择应主要取决于以下因素：一，材料的成本，二，材料的密度，三，机械性能，四，回收的灵活性和效率，五，加工和塑料成型的轻松，六，材料供应充足，七，安全，八，生产加工的成本。其中最重要的因素是材料的密度和材料的成本。不仅考虑了汽车的生产成本，还需要考虑这种材料是否有足够的供应，以及材料可回收的能力。

2.1铁 - 创新越来越多

长期以来，钢铁和铸铁一直支持着汽车工业，但是应用程度在过去的二十年里持续下降，原因是它们拥有较高的密度。为了使车辆在质量方面最小化，在历史的时刻中出现了各种密度较小的金属材料。

今天在汽车工业中的常见工程材料可以被分为四类，金属材料，无机非金属材料，聚合物材料和复合材料。金属材料的代表在铁中，并与铁，碳的合成，添加一些其他元素的合金，并且各种类型的钢和铸铁是最常见的例子。只需调节碳的含量，经过不同的热处理，可以制造不同的机械特性和强度的各种类型的钢和铸铁。

虽然应用水平已经下降，但钢铁和铸铁在今天的汽车仍然占据重要的作用，约占大部分汽车重量的60％。 铁合金的优点是成本低，具有良好的机械性能和

强度，易于塑性成型和加工，并且在一定程度上能够得到有效地回收，其生产和应用经验非常成熟。 缺点是暴露于环境下它的耐腐蚀性相当有限。 虽然车身的主要部分，如车架，发动机，悬挂系统和传动系统都是铁合金制造的，但是这两个问题不容忽视。

为了应对新材料，特别是铝的挑战，钢铁工业不会静止不动，它开发了一种新型的铁合金，并且试图接近钢和铝合金之间密度的差距，并产生了高强度钢和超高强度钢。 这些新铁合金在超轻钢车身计划中取得了巨大的进步，新铁合金制造的汽车比传统钢制造的汽车轻了约四分之一，抑制了铝合金在汽车中快速发展的应用。

目前研发成果和应用的发展主要有：国际钢铁学会组织32家钢铁公司和世界三大美国汽车公司参与并实施超轻型汽车车身（ULSAB） ，超轻钢汽车车身覆盖件（ULSAC）和超轻钢自动悬挂（ULSAB）项目。 在ULSAB后，钢铁企业于1998年3月开始实施ULSAB-AV C，超轻钢体方案的先进概念车项目。 到2004年，它开发了一辆概念车，它适合当时的车辆碰撞规定，它显着提高了燃料的效率，并且材料可以回收，成本和排放减少，并且它可以用于大规模的生产。

2.2铝 - 最广泛应用的轻量化材料之一

虽然钢铁技术在不断的改进，但同时，铝在汽车工业中的应用没有停止，并且在扩大。这种材料在今天被认为是轻量化汽车的第三大常见材料。使用铝组件的汽车平均每辆车重量高达115kg，其重量比塑料重。虽然铝难以塑性成型和加工，并且耐腐蚀性较低，并且比钢材的机械性能限制更大，其密度低至2.7g/cm sup3;，使其成为汽车轻量化材料的首选。根据实验结果，在材料重量方面，铝的机械性能强度是常规钢的两倍。这是很容易理解的，现代汽车发动机气缸盖常常由铝合金制成。这种趋势不仅在发动机的部件如活塞，而且还扩展到悬架部件。此外，行业还积极应用于框架和车身，如奥迪对于两款汽车使用的纯铝合金车架和车身，以及其他汽车制造商也必须跟上现在的形势。

对于中国，我们有三个现状：

（1）在汽车铝合金材料市场领域有广阔的空间。

（2）欧洲汽车“铝”使用度较高。

（3）中国汽车“铝”使用度在提高。

这些现状告诉我们，随着全球汽车轻量化的加速，中国汽车工业与世界进一步融合，每辆汽车使用铝质材料的增加是必然的趋势。中国汽车用铝挤压材料将大幅增长并且快速增长。中国汽车铝挤压材料将实现巨大的增长速度实现快速增长

2.3镁合金 - 轻量化的效果更好

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，其密度仅为1.74g/cmsup3;，即2/3的铝，而2/9的钢。镁合金具有良好的阻尼系数，抗振动量大于铝合金和铸铁。 它可以减少噪音，当把它用于车身壳体。用于座椅，轮毂可以减少振动，提高汽车的安全性和舒适性。

镁合金可以有效降低车辆重量，它可以减少15％〜20％的相比于铝的轻量化。支架比传统锌在转向柱上，镁制部件下落重量65％。方向盘芯与传统钢相比，镁制件下降重量减少45％。 与铝制气缸盖相比，镁制部件重量减少30％。 与传统的钢制冲压焊接结构的制动踏板支架相比，整体镁铸件的重量降低了40％，同时其刚度也得到了提高。

全球每辆车平均使用约3.5千克的镁合金，其中北美和欧洲每辆车的平均值，镁合金的量约为3.8千克，预计2015年每辆车的使用量预计将达到15千克。在德国在国际汽车巨头大众帕萨特每辆车的镁合金量达到14千克，预计2012年每辆车的镁合金量将增加到30千克，在2015年达到50千克。中国，相比之下，镁合金平均每车用量小于1千克，主要应用齿轮箱和壳盖，离合器壳体和壳盖，泵，方向盘，汽缸盖罩，汽车轮毂，仪表板，汽车座椅和保护杆等部件。红旗，捷达，博拉，一汽集团汽车和解放中重型卡车，为了提高技术含量和竞争力，镁合金材料正在向部分部件使用。镁合金在中国汽车工业中的应用相比于欧美汽车公司，仍然是一个很大的差距。

2.4钛合金 - 豪华车首选的轻量化材料

钛密度为4.5g/cm sup3;，具有高强度，耐高温强度和耐腐蚀性等优点。采用钛，车身重量减轻，结果提高了燃油效率。钛，重量轻，强度高等特性，长期以来一直受到了汽车制造商的注意。因为钛是昂贵的，因此我在汽车和个人豪华车上看到了少量的应用。然而，钛合金在汽车测试和研究方面的应用工作量很大。如alpha; beta;系钛合金制造发动机连杆，其强度相当于45钢的淬火和回火水平，重量可以减少30％。beta;系钛合金（Ti-13V-11Cr-3Al等）通过强冷加工和时效处理，强度可达2000MPa，可用于制作悬挂弹簧，阀门弹簧和阀门，抗拉强度为2100MPa的高强度钢，钛弹簧可以掉重20％。此外，汽车用钛零件包括：阀门：使用钛材料生产排气阀在美国更常见，使用钛生产车阀不仅可以减轻重量，延长使用寿命和高可靠性，还可以节省燃料。连接杆：钛合金连杆是最有效的减少发动机重量，它可以大大提高性能。还有其他零件，传动部件，包括汽车上的螺栓，螺母和其他配件，离合器片，压板等，都可以用铁合金制成。钛离合器壳体，与钢壳相比，可以大大降低飞轮损坏的影响

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