【行业关注】轻量化产业发展现状与技术解析

【行业关注】轻量化产业发展现状与技术解析（精选6篇）

篇1：【行业关注】轻量化产业发展现状与技术解析

【行业关注】轻量化产业发展现状与技术解析

汽车轻量化是未来汽车行业发展方向之一，特别是对于时下发展迅速的新能源汽车而言，重量的减轻直接意味着续航里程的增加。研究表发现，对纯电动汽车而言，整车重量降低 10kg，续驶里程可以增加 2.5km。所以越来越多的整车、零部件厂都开始重视轻量化。

一、轻量化技术实现汽车轻量化的主要途径有三种：一是使用轻量化材料；二是优化结构设计；三是采用先进的制造工艺。国内外车企纷纷从这几方面入手，推动电动汽车轻量化发展，并取得了一定成绩。

1）全新制造工艺减少零部件数量碳纤维的应用将会带来一场革命，其原因在于碳纤维在汽车上的应用改变了传统汽车的设计思想、开发流程及制造工艺。碳纤维材料是可设计的，其零件工艺是多样化的，未来碳纤维应用于汽车没有标准化的材料，整个车和零件的开发过程就是材料开发过程，也是工艺开发过程。

铝型材的三维弯曲、钢铝焊接以及碳纤维零件的成型是目前面临的全新工艺。采用新工艺可大大减少零部件使用数量，实现轻量化目标。其中，碳纤维总成的方式已取得突破性进展。在兰博基尼Sesto Elemento的项目中，将前围、地板、后围集成为一个整体式座舱，取代了传统结构的48个零件，把零件分为4—6大片，成型之后直接粘接，工艺简单，减重效果突出。整备质量在加注燃料和其它液体之前只有960 公斤。

2）结构优化提高材料利用率汽车车身结构轻量化采用结构优化设计方法，可以在保证车身结构性能要求的前提下，提高材料的利用率，减少冗余的材料，而达到车身结构轻量化的目的，结构优化主要包括尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化。拓扑优化作为结构优化的一种，不同于车辆构件的尺寸优化和形状优化，是对布局和节点联接关系进行优化，使结构的某种性能指标达到最优化。汽车厂在新车开发时，公司决策层会给出一个整车定义，包括车多大多重，涉及到成本控制，同时希望车达到什么性能。拓扑优化能够在给定设计空间，给定设计重量、设计性能的约束下，迅速得到一个布局和节点联接基本判断，为设计人员提供结构质量最轻、性能最优的力学传递路径方案。3）应用碳纤维复合材料减重显著高强度钢和铝合金都可以在一定程度上实现车身减重，而汽车用工程塑料和复合材料则对车体的减重最为明显，由此成为汽车轻量化的首选用材。发达国家已将汽车用塑料量的多少作为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志。2015年，我国车用塑料的用量已经达到1046万吨，而且呈逐年上升的趋势。复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点。在复合材料中，碳纤维复合材料的应用一直备受瞩目。选用碳纤维增强复合材料制作结构件、覆盖件，可减轻质量达30%左右，对于比燃油车更需要轻量化的新能源汽车，碳纤维增强复合材料有更大的应用潜力，在未来汽车轻量化中将会起到举足轻重的作用。宝马i3在碳纤维复合材料的应用方面取得了令人瞩目的成绩，是第一款实现量产的采用碳纤维车身设计的车辆，其整备质量仅为1224kg，比设计之初减轻了250-350kg，很大程度上弥补了电池增加的重量。目前，北美汽车轻量化材料是全球最大的市场。预计该地区的年复合增长率约为 5.6%，在 2021 年达到362.3 亿美元。欧洲是全球第二大市场。未来，亚太地区轻量化材料市场将是这个行业中发展最快的地区。碳纤维复合材料（CFRP）是汽车工业轻量化道路上的主要材料之一。但由于碳纤维及其复合材料的高成本限制了其在汽车轻量化领域的大规模应用。目前，商业级的碳纤维主要为PAN基碳纤维，其高成本问题主要集中在较高的PAN 原丝生产成本（占总成本的51%）和较长的生产流程。因此，降低车用CFRP成本的主要路径是降低碳纤维原丝成本，寻求低成本纤维生产工艺以及低成本的CFRP制备工艺。目前国外碳纤维生产商已经致力于开发低成本碳纤维制造技术，并寻求PAN以外更低成本的原料来制备碳纤维。日本三菱和东丽公司开发的大丝束碳纤维是低成本制造技术的典型代表，美国也已开发出先进的碳纤维制备技术。在低成本原料方面，美国、日本等碳纤维主要制造国家已经开发出包括聚烯烃类聚合物、木质素纤维素、电纺酚醛纤维、辐射丙烯酸等在内的低成本代替材料。除纤维成本外，车用复合材料最大的挑战是汽车行业高效率的生产预期，其中成型树脂是决定复合材料生产效率的最主要影响素之一。由于优异的粘合强度和模量、耐蠕变性、高韧性和良好的抗疲劳性能，环氧树脂通常是汽车复合材料生产商的首选。通过研究和开发“瞬间固化”（能够流动和彻底浸润纤维预制件，并在5 min之内固化）的环氧树脂及其配套的预成型和成型设备，从而开发高效、低成本的复合材料生产技术，已经成为降低车用复合材料成本的主要手段之一。德国： 是当前汽车轻量化材料占比最高的国家，其次是美国和日本。德国汽车工业十分发达，在新材料工业和机械制造领域聚集了世界上最优秀的几个生产企业，具有推动汽车轻量化得天独厚的优势；其次，美国豪华品牌车型也较多，且电动汽车发展很快；日本是在碳纤维方面属全球首位，以东丽公司为代表，目前该公司全球遥遥领先；中国轻量化起步较晚，技术和应用程度都落后于德美日等发达国家。但是随着新能源汽车的发展，材料轻量化正在加速进行中。美国：美国虽然高端豪华品牌车型也较多，但是美国汽车行业对于新型轻量化材料的热衷主要来源于新能源汽车的发展以及排放和能耗的压力，代表企业是特斯拉、GM、福特等。特斯拉目前的 Model S 和 Model X 在车身和底盘上基本都采用了铝合金和其他复合材料，而GM 的高端品牌凯迪拉克在近两年的新车型中也开始采用钢铝复合车身结构，比如凯迪拉克CT6，福特则是将铝合金车身首先搭载在 F150 这类高端皮卡车型上。日本：目前日本汽车企业轻量化材料的使用也主要是集中在一些非结构件上，比如铝合金的发动机罩、塑料的翼子板和尾门等，还有就是底盘和发动机的一些铸铝件。其中代表企业是丰田的雷克萨斯和本田阿库拉。随着2020年全球的能耗和排放政策的越发严格，预计到2020年，日本汽车企业轻量化材料在底盘和车身中的占比会赶上美国，达到 20%左右。中国： 中国汽车轻量化起步不足十年，借助新能源汽车崛起契机，对发达国家呈现赶超之势。汽车轻量化已经从分散化、高端化、单一化的 1.0 时代走向集约化、普及化、多元化的 2.0时代。轻量化的发展受到智能网联、节能减排、性能提升等多重需求牵引，通过全产业上下游深度合作，在轻量化材料应用、制造工艺、结构优化、零部件研发领域多面发力，使轻量化应用车型更加普及，其中新能源汽车细分市场将有望率先取得突破。目前，不少车企不仅与汽车零部件供应商合作，还与碳纤维材料制造商建立合作关系以为其开发专用的新型碳纤维产品。如日产汽车、本田汽车与东丽公司联手开发汽车车体用新型碳纤维材料，赢创同江森自控、雅各布塑料、东邦特纳克斯公司共同研发碳纤维增强塑料轻质材料，东丽与戴姆勒达成共同研发协议为梅赛德斯-奔驰研发碳纤维复合材料部件等。2017年日本东丽、三菱、帝人，美国赫氏等碳纤维行业巨头动作频频，布局覆盖航空航天、汽车轻量化等未来主要应用市场。日本东丽工业株式会社是全球最大的碳纤维供应商，在全球26个国家和地区进行着事业运作；9月，东丽首次在欧洲建立一家树脂化合物生产基地； 11月研发出新的小丝束碳纤维品种Z600，着重在汽车工业领域推广； 日本帝人株式会社是全球第二大碳纤维产商，截止2016年三月份资本金未708.16亿日元，2016销售额达到7413亿日元，本期净利润为501亿日元，其中高性能纤维及其复合材料的销售额为1368亿日元，占比高达18.4%。主营业务包括高级纤维和复合材料（含高性能纤维、碳纤维及其复合材料两部分），电子材料和化工产品、医药医疗、交易零售、IT等。9月，帝人全资收购了美国CSP公司，将其打造成为高性能复合材料业务的核心企业，持续扩大集团在美国市场的影响力； 三菱化学是日本第三大碳纤维产商，2016年财年的销售收入达到了33761亿日元，其营业利润为3075亿日元，2016包含碳纤维业务在内的功能材料业务销售收入为8067亿日元，利润为815亿日元，同比增长7.66%。主营业务包括碳素材料、碳纤维及其复合材料、塑料加工品、化纤、聚合物、树脂、功能化学品、无机材料、农业及IT等；所生产碳纤维增强塑料被采用生产新奥迪RS 5Coupé车顶； 美国氰特是美国著名的化学材料生产企业，成立于1991年，总部设立在美国新泽西州，是世界上生产特种化学品和原材料的领导者之一。氰特公司是美国第二大小丝束碳纤维生产厂商，主营业务包括从事开发高科技聚亚氨酯、环氧复合物与合成树脂系列，其产品主要涉及浇注、包封、敷形涂层、粘合、密封、模具树脂、合成橡胶等领域。2017年收购了进复合材料和工艺材料的顶级供应商UMECO； 美国赫氏拥有40年的碳纤维制造经验，有大量的航空航天数据资料；是中模量碳纤维技术（小丝束）的领导者。就在2017年11月，赫氏与UTC航空系统公司签署延长协议，将现有协议延长到2030年，为后者发起的商业航空项目供应先进复合材料； 中国石化上海石油化工股份有限公司是中国最大的炼油化工一体化综合性石油化工企业之一，也是全国最大的乙烯生厂商之一，是中国重要的成品油、中间石化产品、合成树脂和合成纤维生产企业，拥有独立的公用工程、环境保护系统，及海运、内河航运、铁路运输和公路运输配套设施。主营业务包括汽油、柴油等炼油产品、丙烯腈等化工产品、聚乙烯等塑料制品、聚酯切片等纤维产品等。公司生产的碳纤维片材应用到立交桥加固工程中，实现了碳纤维在建筑物加固领域的大范围应用； 随着汽车轻量化的进展，铝合金、镁合金以及高强度钢等材料由于比强度高，使用量增幅也非常明显，制造行业的持续快速发展，特别是机械、汽车、机电、造船等行业，对优特钢的需求强劲，成为支撑优特钢市场的直接动力。主流企业有：

大冶特钢：大冶特钢的主导产品为齿轮钢、轴承钢、弹簧钢、工模具钢、高温合金钢、高速工具钢等特殊用途的钢材，有800多个品种,1800多种规格，可向汽车、石油、化工、煤炭、电力、机械制造、铁路运输等行业以及航海、航空、航天等领域提供服务，产品畅销国内外，远销世界五大洲近30个国家和地区。

太钢不锈：目前国内最大的不锈钢生产基地，也是国际上重要的不锈钢生产厂家之一，是国内唯一的全流程不锈钢生产企业，产量和市场占有率居全国第一。方大特钢:公司经营范围包括汽车钢板弹簧、扭杆弹簧、圆簧、弹簧扁钢、减震器等。

西宁特钢：公司旗下共有一家全资子公司、三家控股子公司，拥有铁矿、煤矿、钒矿、石灰石矿等资源。已形成年产铁100万吨、钢120万吨、钢材110万吨、焦煤120万吨、焦炭70万吨、采选铁矿360万吨、铁精粉120万吨的综合生产能力。铝合金生产企业主要有：忠旺铝材：亚铝集团、南山集团、凤铝铝材、帕萨集团、美铝、诺贝利斯、三菱铝业等 忠旺铝材：全球领先的工业铝型材研发制造商，致力于交通运输、机械设备及电力工程等领域的轻量化发展。忠旺集团是目前全球第二大、亚洲及中国最大的工业铝型材研发制造商。集团总部位于中国辽宁省，建有全球领先的铝合金倾动熔铸设备及亚洲规模最大的特种工业铝型材模具设计制造中心。

南山集团：产业链涵盖能源、氧化铝、电解铝、铝型材、铝板带箔、航空材料等各个环节，终端产品广泛应用于航空航天、船舶、高速列车、电力、汽车、集装箱等若干领域。凤铝铝材：集铝合金型材研发、生产与销售等为一体的综合性大型民营铝型材企业。拥有南海和三水两个大型生产基地，占地总面积90万平方米，建筑面积近70万平方米。主要从事研发和生产建筑类、装饰类、工业类、军工类、航空航天类、特种铝合金型材等产品。

萨帕集团：主产品为铝型材（建筑铝型材、建筑门窗幕墙工程、工业铝型材）和铝汽车热传输材。镁合金板材国内外制造商主要有：德国蒂森克虏伯、韩国浦项钢铁公司、英国伊利科创、西部钛业、营口银河等。中铝洛铜：国内最早专业化生产镁合金板材的企业，累积产能国内最高，闻喜银光：国内最早进行车辊铸轧工业化生产和应用的企业，镁合金产业链最为齐全 国内主要的轻量化技术

1）少片簧技术少片簧说得即是用四片或者是三篇板簧代替原来的十片板簧，前桥采用抛物线的板簧结构。在保证承载力的同时可以降低自重数百公斤，刚刚全国上市的超级轻量化卡车乘龙H5也使用了该技术，降低自身自重。且国内高速物流用车大多都是这样的结构，适合标载运输。2）高强度钢板轻量化时代，为达到降低卡车自重的目的，高强度钢也逐渐进入人们的视线，但是目前行业内说的高强度钢就是指高强度钢板，国内能生产先进高强度钢的企业有宝钢、武钢、鞍钢、本钢、首钢等。而我们超级轻量化卡车乘龙H5的大梁与板簧均采用了宝钢超强型钢材，强度高，承载力强，且结构通过优化设计，在保障车架的同等承载力情况下，可降低自重13%。

3）铝合金材质近年来，铝合金材质一直都是卡车行业十分关注的话题，不少卡车上都应用上了铝合金。如超级轻量化卡车乘龙H5，其变速箱、1000L大油箱与储气筒均采用了铝合金材质，自重轻至7.5吨！铝合金不仅在重量上比铁质轻，更重要的是，在讲究环保的当今时代，铝合金的油箱可以大幅减少燃油燃烧后对环境的污染，更加符合国家对于卡车行业的政策要求。

二、轻量化节能减排世界多个国家和地区都制定了节能减排目标，我国也明确到2020年乘用车新车平均燃料消耗量达到5L/100km，节能减排的压力较大。在当前诸多节能减排路径中，汽车轻量化是最容易实现、潜力相对较大的方式，对于乘用汽油车，每降低100kg，最多可节油0.39L/100km。另一方面，对于新能源汽车来说，也需要通过汽车的轻量化来提升续航能力。国际汽车节能标准法规动态及趋势分析

第四阶段乘用车燃料消耗量限值达标要求节能技术方向中国汽车产业的发展面临着能源和环境保护问题的巨大压力。为了减少排放和能源消耗，满足日益增长的消费者对汽车的需求，促进我国汽车轻量化材料及加工工艺技术水平的提高，加快推进汽车轻量化材料新工艺的产业化应用，汽车轻量化是未来环保发展的趋势和必要条件。2018年8月15-17日由英佛会议展览有限公司（InfoGroup）主办的“2018第五届上海国际汽车轻量化技术成果展览会”将于上海汽车会展中心举办，本次的展会主题：高品质、节能化、环保化、功能化。轻量化已成为汽车行业节能环保的重要保障,轻量化应用已由赛车、豪华车和高端车等逐步向中低端车倾斜,其中,铝合金、镁合金和碳纤维已成为替代原来钢材、铸铁等的轻量化材料,市场前景广阔。

本次展会展品的主要范围是轻量化车身及先进制造和轻量化新材料与技术应用。展品类别包括：汽车轻量化部件、车用高轻度钢、车用有色金属合金、车用其他轻量化材料、非金属复合材料、车用化工新材料、材料成型技术与设备、加工技术与设备、元件/模块、相关材料结合技术、为减少汽车重量的其他技术、工艺与仪器等。英佛会议在此热忱欢迎与此领域相关的行业朋友前来参展。CIAIE是按照国际化、专业化、市场化原则举办的唯一国家级汽车行业展会。CIAIE获得了中、德、美、英、法、意、日、韩、西班牙、加拿大、澳大利亚、意大利、印度、伊朗、巴基斯坦、菲律宾、中国台湾等17个国家和地区的39个汽车行业协会的国际参观者。CIAIE国内观众主要来自上汽集团、北汽福田、广汽集团、一汽集团、北京奔驰、华晨宝马、大众、上海通用、北汽控股、北京现代、比亚迪、奇瑞、长城、夏利、吉利、哈飞、力帆、神龙、江南、红塔、青年云雀、吉林通田、郑州宇通、欧曼重型车、北京汽车研究总院、博世集团、电装公司、德尔福、麦格纳、北汽李尔、东风汽车零部件、河北御捷、江苏道爵、延锋、安道拓、小糸、法雷奥、佛吉亚、德尔福、万向集团等超过1000品牌，涵盖传统汽车、新能源整车、电动汽车、动力总成、燃油系统、车身部件、汽车内外饰、汽车模具、汽车轮胎、易损件、质检机构等应用、研发、设计公司参观交流洽谈。展会同期还将举办了“轻量化高峰技术论坛、新技术新产品发布会”等相关活动,同时获得了行业组织、政府相关机构的支持和赞誉。

轻量化技已经术颠覆了传统汽车的制造工艺，带来整个产业的变革，使行业的发展仍面临一系列新问题，如轻量化评价及测试标准尚未完善、产业间缺乏融合、新型材料成本较高、固有开发模式尚未突破等。整个行业亟需企业调整思路，全力迎接行业变革所带来的挑战，但是在整车轻量化的大趋势面前,相信汽车工程师们一定能做到越来越好。

篇2：【行业关注】轻量化产业发展现状与技术解析

AT&M记者:谈谈您对电动汽车轻量化问题的 看法。

陈一龙:电动汽车作为未来汽车的发展方向,受 到各国政府的高度重视,我国政府亦将其纳入战略新 兴产业,发布了鼓励电动汽车产销的政策,并作出产 业化的规划,这无疑是汽车工业发展的大好机遇。然 而,产业化的电动汽车与轻量化的关系问题却一直没 有受到各方面的足够重视,值得认真探讨。

2011年第4期《中国汽车参考》刊登了 “德国 国家电动汽车平台报告” ,介绍了德国国家电动汽 车平台灯塔项目的内容。显然,德国把电动汽车的轻 量化列为实现产业化的关键技术之一。2011年的奥 迪A3e-tron纯电动汽车自重1 592 kg,只比125 kW的奥迪A3sportback2.0 TDI quattrro 略重,在达到这 种轻量化水平下,仍在轻量化上投入大量资金作为单 列重大项目进行研究与开发,值得深思。据“报告” 所说,轻型车身立项原因很简单,就是要平衡电池引 起的质量增加。其作用定位是,使德国电动汽车和 国际竞争对手在技术上平起平坐,更可能使德国在电 动汽车技术上获得领先优势。这句“和国际竞争对手 在技术上平起平坐”是我们必须考虑的。解析一下就 是,没有一定轻量化水平的电动汽车是没有市场竞争 力的,是不可能实现产业化的,只能做示范用。在这种认识下,我们看一看国内电动汽车的质量 控制情况。目前国内自主品牌电动汽车的质量变化, 与同类对标燃油汽车相比,增重均在30%以上;而 合资品牌的增重在6%16%,不要与国外“略微增 重”(5%相比,已是大大落后了。如果再考虑碰 撞安全性,国外电动汽车均达到欧洲NCAP五星碰撞 标准,自主品牌电动汽车能得几个星呢?

由此看出,电动汽车的轻量化问题必须敲起警钟 了。其实张小虞先生2010年就讲过,轻量化问题已 经成了横亘在电动汽车发展过程中的鸿沟和大课题。其含义有三:一是受电池水平影响,电动汽车更需要 轻量化;二是没有相当轻量化水平的电动汽车由于缺 乏竞争力,不可能实现产业化;三是电池、电机、电 控系统的成本居高难下,国家已拿出巨额资金补贴电 动汽车的销售,电动汽车轻量化面临成本控制的巨大 压力。无论如何,电动汽车应当是具有相当轻量化水 本刊记者 纪维萍

平的汽车,而不是单纯靠电池驱动的汽车,它们应当 有轻量化的定位,达不到定位的电动汽车应当暂停开 发和补贴,否则是对资源的浪费(不可能实现产业 化。人们应当知道,汽车轻量化技术是共性基础应 用技术,是各种汽车不可绕开的技术。

总之,电动汽车列为国家战略新兴产业是汽车工 业发展的重大机遇,但实现电动汽车的轻量化又面临 巨大的挑战。因此,电动汽车轻量化技术路线问题理 应受到行业和政府有关部门的高度重视。

AT&M记者:请您预测一下未来汽车车身的主体 材料。

柏建仁:为了说明这一问题,先看一下目前应用 现状及各种材料的优势与劣势。车身轻量化途径包括 车身设计、材料技术与制造技术三个方面。从材料技 术而言,车身应用的材料有钢铁、铝合金、镁合金及 树脂基复合材料。依据车身应用的材料构成,将车身 分类为钢车身、以钢为主多种材料混合车身、铝车身 及复合材料车身。选择材料与相关的制造技术取决于 车的技术目标及成本结构。目前,市场上有多种车身 概念。

钢车身:通过应用更多的高强度钢及先进制造 技术减重,与软钢相比高强度钢一般减重10% 25%。应用高强度钢及先进制造技术,可提高燃油 经济性,提高被动安全性。与其他材料相比,钢的 价格也较低。典型例子为大众汽车的Passat CC , 高强度钢应用比例为 81%,其中超高强度钢应用比 例为29%。

多种材料混合车身:车身材料以钢为主,其次是 铝合金、复合材料及镁合金。多种材料混合车身充分 挖掘了各种材料的潜力,如铝保险杠梁改善了低速碰 撞性能,铝发动机罩改善了行人保护性能。典型例子 是大众汽车Bentley Continental GTC ,发动机罩及 门防撞梁用铝合金,行李箱盖外板用热固性复合材料 SMC,行李箱盖内板用镁合金。

铝车身:铝密度小,铝零件与钢件相比减重可 达50%以上。如果对零件简单地以铝代钢,减重可达 40%50% ,比以变强度钢代替普通软钢减重更多。但由于铝材价格高,铝车身一般用于高级轿车,目前 新能源汽车应用铝车身也是一种趋势。铝车身包含全 铝车身及以铝为主的车身。典型例子是Audi R8用铝 100%,Audi TT用铝69%。在用铝很多的车身中,也 发挥其他材料改善车身性能的优势。如Audi A8用铝比 例 92% ,部分采用了钢板,如侧面碰撞的关键零件 ——B柱使用钢板。

复合材料车身:以复合材料为主的车身。复合材 料也是轻质材料,减重效果明显。典型例子是丰田汽 车Lexus LFA车型,应用纤维增强复合材料41.3%、SMC13.7%、铝40.4%。

在欧洲车身会议文献中,自2006年至2011年发 布了72个车身,其中有32个钢车身、30个以钢为主 多种材料混合车身、8个铝车身及2个复合材料车身。从上述可见,在相当长的时间里,钢作为车身主 体材料的地位会继续保持;多种材料混合车身是发展 趋势,钢的用量会逐渐减少;高价格车、新能源车车 身应用铝、复合材料等材料也是发展趋势。

AT&M记者:谈谈您对高强度钢应用现状的看法。柏建仁:从上世纪70年代石油危机开始应用高 强度钢,初始目的是提高燃油经济性。伴随着汽车工 业发展,环保及安全日益重要,高强度钢应用也越 来越多。以日本轿车车身高强度钢板应用比例进展说 明:1980年为8.7%、1992年为23.3%、2000年左右 为40%、2002年达到50%。高强度钢应用进展主要 表现在以下几个方面:车身设计理念变化、应用比例 增加、钢的强度提高、零件制造技术发展。最近几年 国外开发的新车,乘用车车身高强度钢应用比例平均 约为60%,多的达到80%以上。第一代先进高强度 钢应用比

例增加,应用比例高的大约为20%。热成形 钢抗拉强度达到1 500 MPa、1 800 MPa。

2007年,成立轻量化技术创新战略联盟的时 候,对自主品牌车作过调查,高强度钢应用比例平均为25%,AHSS、UHSS应用少。这几年变化很 大,新开发车高强度钢应用比例超过45%,高的达到

60%,AHSS、UHSS 应用比例增加。

建议把轻量化纳入设计规范,同时注重安全性, 应用先进的制造技术。AT&M记者:请您谈谈辊压成形技术的应用现状 与发展。

柏建仁:辊压成形技术是一个很老的技术,说它 老,应用了很多年,但一直是等截面辊压。它又是一 个很新的技术,说它新,最近几年开发了变截面三维 辊压技术。其技术优势:生产成本低、生产效率高、材料利用率高、模具磨损低;即使材料为高强度钢, 成形后零件回弹较小;能成形复杂的截面形状,比普 通弯曲成形有更小的圆角半径;柔性,适合同系列车 型开发(零件只是长度、厚度变化;材料抗拉强度 超过1 200 MPa时,冷成形无能为力。制造的主要零 件有门窗框、保险杠梁、门槛、门防撞梁、顶盖横梁 等。欧洲汽车公司辊压零件与车身质量比约为5%, 预计将来可达到20%。最近几年开发了变截面三维 辊压技术。变截面零件合理设计型材的几何断面,提 高承载能力,减轻零件质量。瑞典ORTIC公司、德国 DATA M公司开发了第三代3D柔性辊压成形设备。一 汽与北方工大合作,正在研制3D柔性辊压生产线。应用的钢种主要为高屈服强度双相钢及马氏体钢。瑞 典SSAB公司开发了辊压成形用钢。

AT&M记者:材料轻量化与结构轻量化都属于汽 车轻量化技术,如何看待二者的辩证关系?

马鸣图:对二者之间的关系,我想还是从轻量化 的途径谈起。汽车轻量化首先从轻量化的概念开始, 然后通过优化设计取得轻量化的效果,再通过合理选 取高强度轻量化的材料取得轻量化的效果。要合理应 用高强度轻量化的材料,就必需应用先进的成形工 艺,从而取得轻量化的效果。因此,汽车轻量化是多 种专业优势的集成,多种材料优势的集成,多种先进 的加工成形工艺优势的集成。正如问题中所说,材料 轻量化和结构轻量化确实都是属于汽车轻量化技术, 二者是紧密相关的,为进行优化的结构轻量化设计, 就必需深刻理解高强度轻量化材料的性能和应用后的 轻量化效果,也就是在轻量化结构设计中,需要有轻 量化材料的数据库进行支撑,这样才能满足轻量化材 料应用时得到预期的轻量化效果。轻量化的结构是一 个零部件的概念,对某些汽车零部件仅依据某些轻量 化材料的性能尚不能完全准确地预测轻量化优化后的 零部件的功能。这里应该强调的一个概念是材料的性 能和零部件的功能既有关联又有不同。从材料到零部 件要经过一系列的加工,这些加工过程中有的可能提 升性能,有的可能降低性能,所以一定要具体分析。例如,采用双相钢DP600做冲压件,这类双相钢屈服 强度比较低,但加工硬化速率很高,应变硬化+烘烤 硬化可使初始屈服强度增加120160 MPa,如以初 始屈服强度来预测零部件的功能,就不能确切表征成 形后零件的真实功能。所以,在用材料性能预测零部 件功能时,一定要了解材料本身的加工特性和加工后 材料性能的变化。

AT&M记者:国内汽车未大量推广应用轧制铝合 金是什么原因?谈谈您的看法。

马鸣图:在变形铝合金中,有挤压铝合金、轧 制铝合金板材。轧制铝合金板材主要用于汽车的冲压 件。用铝合金板材做汽车冲压件,首先是可以减重, 如用铝合金板材代替钢板,可使发动机罩盖总成减重 40%50%;铝合金导热性好,有利于发动机舱的 散热。另外,用铝合金板材制作的发动机罩盖,还有 利于改善碰撞后对行人的伤害,有利于碰撞对行人法 规的实施,但是铝合金板材做汽车冲压件,需要解决 抗时效稳定性、烘烤硬化性、成形性、翻边延性、油 漆的兼容性、抗凹性等相互矛盾性能的合理匹配。AT&M记者:请您谈谈硼钢材料热冲压成形技术 在中国未来汽车业中的应用前景,在乘用车不同级别 车型中的应用零件种类。

马鸣图:热冲压成形技术最早于1970年在瑞典 首先开发成功。其技术的主要目标是把零件做得更 强、更轻。人们对汽车轻量化一直关注的问题是轻量 化能不能保证汽车的安全性。汽车轻量化是多种技术 优势的集成,其中热冲压成形技术就是使汽车零件更

强从而保证汽车的安全性,而又能够同时实现轻量化 的技术。这种技术是将零件加热到900 ℃以上,进行 奥氏体化,然后迅速移到冲压机的模子上进行冲压, 使零件在热状态下进行成形。不仅大大降低了成形 力,而且使复杂的零件能够一次成形。高温改善了板 材的成形性,在冲压成形的同时,在模子中以大于钢 材淬火时冷却速度的冷速进行冷却,从而使零件在保 压状态下进行淬火,得到全板条马氏体组织,极大地 提升了零件的强度。以目前应用广泛的22MnB5钢种 为例,这种钢种通过热成形后得到的汽车安全件其抗 拉强度可以超过1 500 MPa,有效地提升了在汽车轻 量化前提下汽车的安全性,取得了汽车零件轻量化、高强化和碰撞安全性的综合效果,因此热冲压成形是 一种有前景的先进成形工艺。正因如此,自1970年 以来,热冲压成形工艺发展很快,目前全世界已有近150条生产线,中国已投产和在建的也有10多条。热冲压成形零件在乘用车上有广泛的应用,其典 型零件有前、后保险杠,左、右A柱,左、右门B柱, 门内防撞杆,背顶横梁,中通道,左、右门槛等。最近有资料报道,VOLVO一些车型上,热冲压成形零 件用量已超过15%,新设计的车型将近20%;意大利 的Fiat一些车型上热冲压成形零件用量已超过25%;中国一些新开发的车型上特别是合资品牌,也开始应 用热冲压成形零件。目前,中国一些企业家看到这个 商机,对这一技术产生了很大的兴趣,并纷纷投资建 厂,有的设备全套引进。但是在引进中,国外不可能 给我们关键技术,因此还难以发挥引进设备的效益。更由于一些企业未掌握这一核心技术,导致设备的选 型、制作、工艺参量的制定产生诸多失误,投资不能 发挥效益,带来不少损失。从原理上看,热冲压成形 并不神秘,但是确实有诸多的核心技术和企业生产的 专有技术,这些技术不掌握,盲目投资,必然会带来 一些损失。因此,应该采用产、学、研、用的模式, 踏踏实实做些热冲压成形技术相关设备 的研发和技术 的开发,以形成我国具有自主知识产权的热冲压成形 设备生产线和专用技术,不要一哄而起,否则要么会 出现盲目引进,要么会给企业带来投资损失。目前, 该项目已经获得科技部的支持。中汽院、东北大学、华中科技大学、湖北永吉吉集团在科技部项目的支持 下,集成各方已有的热冲压成形技术方面的优势和研 发成果,打造中国一流的具有自主知识产权的热冲压 成形生产线,并形成完整的热冲压成形专有技术。AT&M记者:请您预测一下硼钢板材热冲压技术 中加热工艺的发展趋势。

马鸣图:目前,热冲压成形的加热工艺主要是采 用辊道式的连续炉。这类炉子的优点是自动化连续生 产,但是能耗大,辊子寿命有问题,更换辊子困难,使 用中有时也会出现一些质量事故,造价高。因此,最近已经出现模块化的多层箱式炉。这类炉子具有节能环保 的特点,但是对自动化的送料和总线控制系统要求比较 高,相对辊道炉炉门开闭次数也较多,影响炉内气氛和 保护气氛的用量。国外也有报道直接采用通电加热的方 式,由于热冲压成形零件的复杂性,这种加热方式难以 保证零件温度的均匀性,目前实施有相当大的难度。中 汽院和华中科技大学也在联合开发有关新的节能的加热 方式,一要保证加热效果,二要保证合理的节能,三要 保证炉子加热元件的使用寿命和可靠性、稳定性,因此 这方面还有大量的工作要做。另外,加热工艺与热冲压 成形的板材表面质量有关系,有镀层和无镀层板的加热 方式都会有些区别。因此,要保证我国热冲压成形技术 健康稳定发展,开发有镀层的热冲压成形用钢也是极为 重要的一个方面。

AT&M记者:请您谈一下铝合金板材成形技术的 发展趋势。

马鸣图:铝合金汽车板冲压成形技术是在铝合 金板材性能保证要求的前提下提出的。这里我应该强 调,汽车用各类钢板,包括高成形性板、一般高强度 钢板、第一代先进高强度钢板、第二代先进高强度 钢板、第三代先进高强度钢板都是钢铁企业的顶级 产品,它代表了钢铁技术的发展水平。而铝合金汽车 板,由于其性能的特殊性,比如它的总伸长率只有同 等强度钢板总伸长率的一半,因此其冲压工艺和成形

工艺、冲压过程中的各种参量和钢铁材料有一定的不 同,这也是铝合金汽车板冲压工艺和冲压模具设计制 造的专用技术。总体来说,铝合金汽车板的冲压成形 性要比钢板差一些。正因如此,为了改进铝合金汽车 板的冲压成形性,最近开发了一系列的专有技术。目 前,以下3个方面的成形技术研究较多。

热力液压成形技术:成形温度增加到170 ℃时, 拉深高度只从35 mm增加到38 mm;而当增加到250 ℃时,拉深高度可增加到60 mm。目前,世界众多著 名汽车制造商都在采用此技术。丰田公司所使用的板 材液压成形机的成形力达40 000 kN,能成形平面尺 寸为1 300 mm× 950 mm, 重达7 kg。

超塑性成形技术:美国摩根汽车生产的Aero 8的 铝制外覆盖件采用了超塑成形与手工成形的结合。在 福特公司生产的Ford GT全铝结构车上,几乎所有的 覆盖件都是用超塑性成形技术来生产的。

电磁复合冲压成形技术:电磁复合冲压成形的 冲裁时间只需10-210-4s;在传统冲压模具和润 滑条件下铝合金板材的成形高度为4.4 cm,在相同 的成形设备安装电磁成形线圈后,利用5.4 kJ 的能量 进行电磁成形,一次成形周期可控制在5 s以内,铝 合金板最高成形高度可达6.4 cm,结果铝合金板成形 极限提高了近47%。

AT&M记者:请您谈谈管类零件成形技术的发展 趋势。

苑世剑:空心轻量化构件的传统制造技术是先冲 压成形多个半片再焊接成整体,为减少变形,一般只 能进行点焊,截面不是封闭的,构件的可靠性较差。近20年来,在突破了超高压动密封和计算机闭环伺服 控制技术后,管材内高压成形技术逐步发展起来,并 迅速成为空心轻量化构件的主流制造技术。其基本原 理是以管材作坯料,通过向管材内部施加高压液体和 轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为复杂空心 构件。内高压成形件以空心替代实心、以变截面取代 等截面、以封闭截面取代焊接截面,比传统的冲压焊 接空心构件再减轻15%30%,并且由于构件的整 体化,大

幅提高刚度和疲劳强度,是轻量化结构制造 技术的实质性进步。欧美国家新型轿车大量采用内高 压成形构件,年产达到5 000万件,但是对我国实行 技术封锁和设备垄断。

为了提升我国自主品牌轿车的核心竞争力,哈尔 滨工业大学从1999年开始,在国内率先开展了内高 压成形理论、工艺、模具和装备的系统研究,并在汽 车行业取得大批量应用,多种产品用于航空航天重要 型号研制和批量生产,成为世界三大研发基地之一, 于2010年获得国家科技进步二等奖。2011年,哈尔 滨工业大学与一汽轿车股份有限公司等单位合作,在 汽车轻量化技术创新战略联盟支持下,承担了国家科 技支撑计划项目,进一步开展了内高压成形全过程仿 真技术研究、多孔同步液压冲孔技术研究和典型产品 内高压成形模具和工艺规范研究工作。通过解决各项 产品的内高压成形全过程工艺仿真技术、数控弯曲-预成形-内高压成形全套工艺技术,以及模具结构优 化与变形分析、形状尺寸精度控制、多点液压冲孔等 技术,为一汽轿车、北汽集团、长城汽车等企业自主 品牌轿车开发了20余种零件的内高压成形工艺和批量 生产模具,包括底盘关键构件副车架和扭力梁、车身 前支梁和排气系统管件等。目前,制约我国内高压成 形技术发展的重要因素是我国车企的内高压成形件设 计能力薄弱和内高压成形专用管材供应体系不完善, 哈尔滨工业大学开展了内高压成形零件设计规范研 究,开发了管材内高压成形性能直接测试设备,从汽 车内高压成形构件设计源头出发,到内高压成形件批 量生产,为国内汽车企业提供完整的解决方案。AT&M记者:请您谈谈汽车结构件中实心零件空 心化的发展趋势。

刘钢:石油紧缺、环境污染和气候变暖是人类 生存与发展面临的三大难题,大量石油被汽车等运输 工具消耗,所排放的废气更是空气污染和气候变暖的 主要因素。结构轻量化是运输工具节约燃料、减少废 气排放和提高安全可靠性的主要手段之一。轿车减重 10%,油耗降低6%8%;载货车减重会提高载货

AT & M A T & M I N T E 量；质量轻，惯性力小，利于提高汽车碰撞安全性。结构轻量化有两个主要途径：一是材料减重，也 就是采用低密度轻质材料；二是结构减重，主要是采 用空心变截面结构，进一步减重可在空心基础上采用 变厚度壳体和整体结构。因轻质材料成本往往较高，而力学性能往往较低，就金属材料来说，结构减重的 代价更小，范围更广，因此也更为重要。对于承受弯扭载荷为主的结构，采用空心变截面 构件，既可减轻质量又可充分利用材料强度。例如，采用内外径之比为0.85的空心轴代替实心轴，在抗扭 能力不变的前提下，质量可以减轻近50％。所以，国 内外汽车制造业均大量采用空心构件取代实心构件，不但实现结构的轻量化，而且节省材料、降低成本。AT&M记者：您认为怎样评价汽车车身轻量化水平最合适？ 王登峰：首先，介绍车身轻量化系数和轻量化评 价方法。汽车轻量化是汽车节能、减排、降耗的有效途径 之一，符合国家汽车产业中长期发展规划。汽车车身分为内外饰车身和白车身。带有内外饰 的全装备车身质量约为整车质量的2/3左右，而白车 身质量接近整车质量的1/3，该比例会随着不同类型 和级别的乘用车而有所不同，但差异不大。因此，车 身的轻量化对汽车轻量化意义重大。按照国家标准GB/T 4780—2000《汽车车身术 语》中的定义，白车身是由车身本体、开启件及其他 可拆卸结构件组成的总成，不含门窗和风挡玻璃，其 中车身本体定义为结构件和覆盖件焊接或铆接后不可 拆卸的总成。欧洲关于白车身的定义通常不包括四门 两盖等开启件和其他可拆卸结构件，相当于国标中车 身本体的定义。不论白车身的定义如何，其轻量化水平均可用白车身轻量化系数进行评价。该评价指标表 明，白车身的轻量化系数越小，其轻量化水平越高。但在对不同车型白车身轻量化水平进行对比评价时，必须明确白车身是如何进行定义的。按不同定义方法 计算出的白车身轻量化系数差异较大，只有按同一白 访 R 谈 V I E W 车身定义方法计算出的白车身轻量化系数才具有可比 性。目前，国内许多文献上关于白车身轻量化系数的 计算方法比较模糊和混乱。有些文献在计算白车身轻 量化系数时，参考欧洲的定义方法计算白车身的结 构质量，其中不包含四门两盖等开启件和其他可拆卸 结构件以及风挡玻璃，有的包括风挡玻璃。也有按国 标GB/T 4780—2000定义的白车身计算其结构质量，从而导致计算出来的不同车型白车身轻量化系数不具 有可比性。因此，用轻量化系数对

篇3：【行业关注】轻量化产业发展现状与技术解析

AT&M记者:谈谈您对电动汽车轻量化问题的看法。

陈一龙:电动汽车作为未来汽车的发展方向, 受到各国政府的高度重视, 我国政府亦将其纳入战略新兴产业, 发布了鼓励电动汽车产销的政策, 并作出产业化的规划, 这无疑是汽车工业发展的大好机遇。然而, 产业化的电动汽车与轻量化的关系问题却一直没有受到各方面的足够重视, 值得认真探讨。

2011年第4期《中国汽车参考》刊登了“德国国家电动汽车平台报告”, 介绍了德国国家电动汽车平台灯塔项目的内容。显然, 德国把电动汽车的轻量化列为实现产业化的关键技术之一。2011年的奥迪A3e-tron纯电动汽车自重1 592 kg, 只比125 k W的奥迪A3sportback2.0 TDI quattrro略重, 在达到这种轻量化水平下, 仍在轻量化上投入大量资金作为单

本刊记者纪维萍

列重大项目进行研究与开发, 值得深思。据“报告”所说, 轻型车身立项原因很简单, 就是要平衡电池引起的质量增加。其作用定位是, 使德国电动汽车和国际竞争对手在技术上平起平坐, 更可能使德国在电动汽车技术上获得领先优势。这句“和国际竞争对手在技术上平起平坐”是我们必须考虑的。解析一下就是, 没有一定轻量化水平的电动汽车是没有市场竞争力的, 是不可能实现产业化的, 只能做示范用。

在这种认识下, 我们看一看国内电动汽车的质量控制情况。目前国内自主品牌电动汽车的质量变化, 与同类对标燃油汽车相比, 增重均在30%以上;而合资品牌的增重在6%�16%, 不要与国外“略微增重” (5%) 相比, 已是大大落后了。如果再考虑碰撞安全性, 国外电动汽车均达到欧洲NCAP五星碰撞标准, 自主品牌电动汽车能得几个星呢?

由此看出, 电动汽车的轻量化问题必须敲起警钟了。其实张小虞先生2010年就讲过, 轻量化问题已经成了横亘在电动汽车发展过程中的鸿沟和大课题。其含义有三:一是受电池水平影响, 电动汽车更需要轻量化;二是没有相当轻量化水平的电动汽车由于缺乏竞争力, 不可能实现产业化;三是电池、电机、电控系统的成本居高难下, 国家已拿出巨额资金补贴电动汽车的销售, 电动汽车轻量化面临成本控制的巨大压力。无论如何, 电动汽车应当是具有相当轻量化水平的汽车, 而不是单纯靠电池驱动的汽车, 它们应当有轻量化的定位, 达不到定位的电动汽车应当暂停开发和补贴, 否则是对资源的浪费 (不可能实现产业化) 。人们应当知道, 汽车轻量化技术是共性基础应用技术, 是各种汽车不可绕开的技术。

总之, 电动汽车列为国家战略新兴产业是汽车工业发展的重大机遇, 但实现电动汽车的轻量化又面临巨大的挑战。因此, 电动汽车轻量化技术路线问题理应受到行业和政府有关部门的高度重视。

AT&M记者:请您预测一下未来汽车车身的主体材料。

柏建仁:为了说明这一问题, 先看一下目前应用现状及各种材料的优势与劣势。车身轻量化途径包括车身设计、材料技术与制造技术三个方面。从材料技术而言, 车身应用的材料有钢铁、铝合金、镁合金及树脂基复合材料。依据车身应用的材料构成, 将车身分类为钢车身、以钢为主多种材料混合车身、铝车身及复合材料车身。选择材料与相关的制造技术取决于车的技术目标及成本结构。目前, 市场上有多种车身概念。

钢车身:通过应用更多的高强度钢及先进制造技术减重, 与软钢相比高强度钢一般减重10%�25%。应用高强度钢及先进制造技术, 可提高燃油经济性, 提高被动安全性。与其他材料相比, 钢的价格也较低。典型例子为大众汽车的Passat CC, 高强度钢应用比例为81%, 其中超高强度钢应用比例为29%。

多种材料混合车身:车身材料以钢为主, 其次是铝合金、复合材料及镁合金。多种材料混合车身充分挖掘了各种材料的潜力, 如铝保险杠梁改善了低速碰撞性能, 铝发动机罩改善了行人保护性能。典型例子是大众汽车Bentley Continental GTC, 发动机罩及门防撞梁用铝合金, 行李箱盖外板用热固性复合材料SMC, 行李箱盖内板用镁合金。

铝车身:铝密度小, 铝零件与钢件相比减重可达50%以上。如果对零件简单地以铝代钢, 减重可达40%�50%, 比以变强度钢代替普通软钢减重更多。但由于铝材价格高, 铝车身一般用于高级轿车, 目前新能源汽车应用铝车身也是一种趋势。铝车身包含全铝车身及以铝为主的车身。典型例子是Audi R8用铝100%, Audi TT用铝69%。在用铝很多的车身中, 也发挥其他材料改善车身性能的优势。如Audi A8用铝比例92%, 部分采用了钢板, 如侧面碰撞的关键零件——B柱使用钢板。

复合材料车身:以复合材料为主的车身。复合材料也是轻质材料, 减重效果明显。典型例子是丰田汽车Lexus LFA车型, 应用纤维增强复合材料41.3%、SMC13.7%、铝40.4%。

在欧洲车身会议文献中, 自2006年至2011年发布了72个车身, 其中有32个钢车身、30个以钢为主多种材料混合车身、8个铝车身及2个复合材料车身。

从上述可见, 在相当长的时间里, 钢作为车身主体材料的地位会继续保持;多种材料混合车身是发展趋势, 钢的用量会逐渐减少;高价格车、新能源车车身应用铝、复合材料等材料也是发展趋势。

AT&M记者:谈谈您对高强度钢应用现状的看法。

柏建仁:从上世纪70年代石油危机开始应用高强度钢, 初始目的是提高燃油经济性。伴随着汽车工业发展, 环保及安全日益重要, 高强度钢应用也越来越多。以日本轿车车身高强度钢板应用比例进展说明:1980年为8.7%、1992年为23.3%、2000年左右为40%、2002年达到50%。高强度钢应用进展主要表现在以下几个方面:车身设计理念变化、应用比例增加、钢的强度提高、零件制造技术发展。最近几年国外开发的新车, 乘用车车身高强度钢应用比例平均约为60%, 多的达到80%以上。第一代先进高强度钢应用比例增加, 应用比例高的大约为20%。热成形钢抗拉强度达到1 500 MPa、1 800 MPa。

2007年, 成立轻量化技术创新战略联盟的时候, 对自主品牌车作过调查, 高强度钢应用比例平均为25%, AHSS、UHSS应用少。这几年变化很大, 新开发车高强度钢应用比例超过45%, 高的达到60%, AHSS、UHSS应用比例增加。

建议把轻量化纳入设计规范, 同时注重安全性, 应用先进的制造技术。

AT&M记者:请您谈谈辊压成形技术的应用现状与发展。

柏建仁:辊压成形技术是一个很老的技术, 说它老, 应用了很多年, 但一直是等截面辊压。它又是一个很新的技术, 说它新, 最近几年开发了变截面三维辊压技术。其技术优势:生产成本低、生产效率高、材料利用率高、模具磨损低;即使材料为高强度钢, 成形后零件回弹较小;能成形复杂的截面形状, 比普通弯曲成形有更小的圆角半径;柔性, 适合同系列车型开发 (零件只是长度、厚度变化) ;材料抗拉强度超过1 200 MPa时, 冷成形无能为力。制造的主要零件有门窗框、保险杠梁、门槛、门防撞梁、顶盖横梁等。欧洲汽车公司辊压零件与车身质量比约为5%, 预计将来可达到20%。最近几年开发了变截面三维辊压技术。变截面零件合理设计型材的几何断面, 提高承载能力, 减轻零件质量。瑞典ORTIC公司、德国DATA M公司开发了第三代3D柔性辊压成形设备。一汽与北方工大合作, 正在研制3D柔性辊压生产线。应用的钢种主要为高屈服强度双相钢及马氏体钢。瑞典SSAB公司开发了辊压成形用钢。

AT&M记者:材料轻量化与结构轻量化都属于汽车轻量化技术, 如何看待二者的辩证关系?

马鸣图:对二者之间的关系, 我想还是从轻量化的途径谈起。汽车轻量化首先从轻量化的概念开始, 然后通过优化设计取得轻量化的效果, 再通过合理选取高强度轻量化的材料取得轻量化的效果。要合理应用高强度轻量化的材料, 就必需应用先进的成形工艺, 从而取得轻量化的效果。因此, 汽车轻量化是多种专业优势的集成, 多种材料优势的集成, 多种先进的加工成形工艺优势的集成。正如问题中所说, 材料轻量化和结构轻量化确实都是属于汽车轻量化技术, 二者是紧密相关的, 为进行优化的结构轻量化设计, 就必需深刻理解高强度轻量化材料的性能和应用后的轻量化效果, 也就是在轻量化结构设计中, 需要有轻量化材料的数据库进行支撑, 这样才能满足轻量化材料应用时得到预期的轻量化效果。轻量化的结构是一个零部件的概念, 对某些汽车零部件仅依据某些轻量化材料的性能尚不能完全准确地预测轻量化优化后的零部件的功能。这里应该强调的一个概念是材料的性能和零部件的功能既有关联又有不同。从材料到零部件要经过一系列的加工, 这些加工过程中有的可能提升性能, 有的可能降低性能, 所以一定要具体分析。例如, 采用双相钢DP600做冲压件, 这类双相钢屈服强度比较低, 但加工硬化速率很高, 应变硬化+烘烤硬化可使初始屈服强度增加120�160 MPa, 如以初始屈服强度来预测零部件的功能, 就不能确切表征成形后零件的真实功能。所以, 在用材料性能预测零部件功能时, 一定要了解材料本身的加工特性和加工后材料性能的变化。

AT&M记者:国内汽车未大量推广应用轧制铝合金是什么原因?谈谈您的看法。

马鸣图:在变形铝合金中, 有挤压铝合金、轧制铝合金板材。轧制铝合金板材主要用于汽车的冲压件。用铝合金板材做汽车冲压件, 首先是可以减重, 如用铝合金板材代替钢板, 可使发动机罩盖总成减重40%�50%;铝合金导热性好, 有利于发动机舱的散热。另外, 用铝合金板材制作的发动机罩盖, 还有利于改善碰撞后对行人的伤害, 有利于碰撞对行人法规的实施, 但是铝合金板材做汽车冲压件, 需要解决抗时效稳定性、烘烤硬化性、成形性、翻边延性、油漆的兼容性、抗凹性等相互矛盾性能的合理匹配。

AT&M记者:请您谈谈硼钢材料热冲压成形技术在中国未来汽车业中的应用前景, 在乘用车不同级别车型中的应用零件种类。

马鸣图:热冲压成形技术最早于1970年在瑞典首先开发成功。其技术的主要目标是把零件做得更强、更轻。人们对汽车轻量化一直关注的问题是轻量化能不能保证汽车的安全性。汽车轻量化是多种技术优势的集成, 其中热冲压成形技术就是使汽车零件更强从而保证汽车的安全性, 而又能够同时实现轻量化的技术。这种技术是将零件加热到900℃以上, 进行奥氏体化, 然后迅速移到冲压机的模子上进行冲压, 使零件在热状态下进行成形。不仅大大降低了成形力, 而且使复杂的零件能够一次成形。高温改善了板材的成形性, 在冲压成形的同时, 在模子中以大于钢材淬火时冷却速度的冷速进行冷却, 从而使零件在保压状态下进行淬火, 得到全板条马氏体组织, 极大地提升了零件的强度。以目前应用广泛的22Mn B5钢种为例, 这种钢种通过热成形后得到的汽车安全件其抗拉强度可以超过1 500 MPa, 有效地提升了在汽车轻量化前提下汽车的安全性, 取得了汽车零件轻量化、高强化和碰撞安全性的综合效果, 因此热冲压成形是一种有前景的先进成形工艺。正因如此, 自1970年以来, 热冲压成形工艺发展很快, 目前全世界已有近150条生产线, 中国已投产和在建的也有10多条。

热冲压成形零件在乘用车上有广泛的应用, 其典型零件有前、后保险杠, 左、右A柱, 左、右门B柱, 门内防撞杆, 背顶横梁, 中通道, 左、右门槛等。最近有资料报道, VOLVO一些车型上, 热冲压成形零件用量已超过15%, 新设计的车型将近20%;意大利的Fiat一些车型上热冲压成形零件用量已超过25%;中国一些新开发的车型上特别是合资品牌, 也开始应用热冲压成形零件。目前, 中国一些企业家看到这个商机, 对这一技术产生了很大的兴趣, 并纷纷投资建厂, 有的设备全套引进。但是在引进中, 国外不可能给我们关键技术, 因此还难以发挥引进设备的效益。更由于一些企业未掌握这一核心技术, 导致设备的选型、制作、工艺参量的制定产生诸多失误, 投资不能发挥效益, 带来不少损失。从原理上看, 热冲压成形并不神秘, 但是确实有诸多的核心技术和企业生产的专有技术, 这些技术不掌握, 盲目投资, 必然会带来一些损失。因此, 应该采用产、学、研、用的模式, 踏踏实实做些热冲压成形技术相关设备的研发和技术的开发, 以形成我国具有自主知识产权的热冲压成形设备生产线和专用技术, 不要一哄而起, 否则要么会出现盲目引进, 要么会给企业带来投资损失。目前, 该项目已经获得科技部的支持。中汽院、东北大学、华中科技大学、湖北永吉吉集团在科技部项目的支持下, 集成各方已有的热冲压成形技术方面的优势和研发成果, 打造中国一流的具有自主知识产权的热冲压成形生产线, 并形成完整的热冲压成形专有技术。

AT&M记者:请您预测一下硼钢板材热冲压技术中加热工艺的发展趋势。

马鸣图:目前, 热冲压成形的加热工艺主要是采用辊道式的连续炉。这类炉子的优点是自动化连续生产, 但是能耗大, 辊子寿命有问题, 更换辊子困难, 使用中有时也会出现一些质量事故, 造价高。因此, 最近已经出现模块化的多层箱式炉。这类炉子具有节能环保的特点, 但是对自动化的送料和总线控制系统要求比较高, 相对辊道炉炉门开闭次数也较多, 影响炉内气氛和保护气氛的用量。国外也有报道直接采用通电加热的方式, 由于热冲压成形零件的复杂性, 这种加热方式难以保证零件温度的均匀性, 目前实施有相当大的难度。中汽院和华中科技大学也在联合开发有关新的节能的加热方式, 一要保证加热效果, 二要保证合理的节能, 三要保证炉子加热元件的使用寿命和可靠性、稳定性, 因此这方面还有大量的工作要做。另外, 加热工艺与热冲压成形的板材表面质量有关系, 有镀层和无镀层板的加热方式都会有些区别。因此, 要保证我国热冲压成形技术健康稳定发展, 开发有镀层的热冲压成形用钢也是极为重要的一个方面。

AT&M记者:请您谈一下铝合金板材成形技术的发展趋势。

马鸣图:铝合金汽车板冲压成形技术是在铝合金板材性能保证要求的前提下提出的。这里我应该强调, 汽车用各类钢板, 包括高成形性板、一般高强度钢板、第一代先进高强度钢板、第二代先进高强度钢板、第三代先进高强度钢板都是钢铁企业的顶级产品, 它代表了钢铁技术的发展水平。而铝合金汽车板, 由于其性能的特殊性, 比如它的总伸长率只有同等强度钢板总伸长率的一半, 因此其冲压工艺和成形工艺、冲压过程中的各种参量和钢铁材料有一定的不同, 这也是铝合金汽车板冲压工艺和冲压模具设计制造的专用技术。总体来说, 铝合金汽车板的冲压成形性要比钢板差一些。正因如此, 为了改进铝合金汽车板的冲压成形性, 最近开发了一系列的专有技术。目前, 以下3个方面的成形技术研究较多。

热力液压成形技术:成形温度增加到170℃时, 拉深高度只从35 mm增加到38 mm;而当增加到250℃时, 拉深高度可增加到60 mm。目前, 世界众多著名汽车制造商都在采用此技术。丰田公司所使用的板材液压成形机的成形力达40 000 k N, 能成形平面尺寸为1 300 mm×950 mm, 重达7 kg。

超塑性成形技术:美国摩根汽车生产的Aero 8的铝制外覆盖件采用了超塑成形与手工成形的结合。在福特公司生产的Ford GT全铝结构车上, 几乎所有的覆盖件都是用超塑性成形技术来生产的。

电磁复合冲压成形技术:电磁复合冲压成形的冲裁时间只需10-2�10-4s;在传统冲压模具和润滑条件下铝合金板材的成形高度为4.4 cm, 在相同的成形设备安装电磁成形线圈后, 利用5.4 k J的能量进行电磁成形, 一次成形周期可控制在5 s以内, 铝合金板最高成形高度可达6.4 cm, 结果铝合金板成形极限提高了近47%。

AT&M记者:请您谈谈管类零件成形技术的发展趋势。

苑世剑:空心轻量化构件的传统制造技术是先冲压成形多个半片再焊接成整体, 为减少变形, 一般只能进行点焊, 截面不是封闭的, 构件的可靠性较差。近20年来, 在突破了超高压动密封和计算机闭环伺服控制技术后, 管材内高压成形技术逐步发展起来, 并迅速成为空心轻量化构件的主流制造技术。其基本原理是以管材作坯料, 通过向管材内部施加高压液体和轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为复杂空心构件。内高压成形件以空心替代实心、以变截面取代等截面、以封闭截面取代焊接截面, 比传统的冲压焊接空心构件再减轻15%�30%, 并且由于构件的整体化, 大幅提高刚度和疲劳强度, 是轻量化结构制造技术的实质性进步。欧美国家新型轿车大量采用内高压成形构件, 年产达到5 000万件, 但是对我国实行技术封锁和设备垄断。

为了提升我国自主品牌轿车的核心竞争力, 哈尔滨工业大学从1999年开始, 在国内率先开展了内高压成形理论、工艺、模具和装备的系统研究, 并在汽车行业取得大批量应用, 多种产品用于航空航天重要型号研制和批量生产, 成为世界三大研发基地之一, 于2010年获得国家科技进步二等奖。2011年, 哈尔滨工业大学与一汽轿车股份有限公司等单位合作, 在汽车轻量化技术创新战略联盟支持下, 承担了国家科技支撑计划项目, 进一步开展了内高压成形全过程仿真技术研究、多孔同步液压冲孔技术研究和典型产品内高压成形模具和工艺规范研究工作。通过解决各项产品的内高压成形全过程工艺仿真技术、数控弯曲-预成形-内高压成形全套工艺技术, 以及模具结构优化与变形分析、形状尺寸精度控制、多点液压冲孔等技术, 为一汽轿车、北汽集团、长城汽车等企业自主品牌轿车开发了20余种零件的内高压成形工艺和批量生产模具, 包括底盘关键构件副车架和扭力梁、车身前支梁和排气系统管件等。目前, 制约我国内高压成形技术发展的重要因素是我国车企的内高压成形件设计能力薄弱和内高压成形专用管材供应体系不完善, 哈尔滨工业大学开展了内高压成形零件设计规范研究, 开发了管材内高压成形性能直接测试设备, 从汽车内高压成形构件设计源头出发, 到内高压成形件批量生产, 为国内汽车企业提供完整的解决方案。

AT&M记者:请您谈谈汽车结构件中实心零件空心化的发展趋势。

刘钢:石油紧缺、环境污染和气候变暖是人类生存与发展面临的三大难题, 大量石油被汽车等运输工具消耗, 所排放的废气更是空气污染和气候变暖的主要因素。结构轻量化是运输工具节约燃料、减少废气排放和提高安全可靠性的主要手段之一。轿车减重10%, 油耗降低6%�8%;载货车减重会提高载货量;质量轻, 惯性力小, 利于提高汽车碰撞安全性。

结构轻量化有两个主要途径:一是材料减重, 也就是采用低密度轻质材料;二是结构减重, 主要是采用空心变截面结构, 进一步减重可在空心基础上采用变厚度壳体和整体结构。因轻质材料成本往往较高, 而力学性能往往较低, 就金属材料来说, 结构减重的代价更小, 范围更广, 因此也更为重要。

对于承受弯扭载荷为主的结构, 采用空心变截面构件, 既可减轻质量又可充分利用材料强度。例如, 采用内外径之比为0.85的空心轴代替实心轴, 在抗扭能力不变的前提下, 质量可以减轻近50%。所以, 国内外汽车制造业均大量采用空心构件取代实心构件, 不但实现结构的轻量化, 而且节省材料、降低成本。

AT&M记者:您认为怎样评价汽车车身轻量化水平最合适?

王登峰:首先, 介绍车身轻量化系数和轻量化评价方法。

汽车轻量化是汽车节能、减排、降耗的有效途径之一, 符合国家汽车产业中长期发展规划。

汽车车身分为内外饰车身和白车身。带有内外饰的全装备车身质量约为整车质量的2/3左右, 而白车身质量接近整车质量的1/3, 该比例会随着不同类型和级别的乘用车而有所不同, 但差异不大。因此, 车身的轻量化对汽车轻量化意义重大。

按照国家标准GB/T 4780—2000《汽车车身术语》中的定义, 白车身是由车身本体、开启件及其他可拆卸结构件组成的总成, 不含门窗和风挡玻璃, 其中车身本体定义为结构件和覆盖件焊接或铆接后不可拆卸的总成。欧洲关于白车身的定义通常不包括四门两盖等开启件和其他可拆卸结构件, 相当于国标中车身本体的定义。不论白车身的定义如何, 其轻量化水平均可用白车身轻量化系数进行评价。该评价指标表明, 白车身的轻量化系数越小, 其轻量化水平越高。但在对不同车型白车身轻量化水平进行对比评价时, 必须明确白车身是如何进行定义的。按不同定义方法计算出的白车身轻量化系数差异较大, 只有按同一白车身定义方法计算出的白车身轻量化系数才具有可比性。目前, 国内许多文献上关于白车身轻量化系数的计算方法比较模糊和混乱。有些文献在计算白车身轻量化系数时, 参考欧洲的定义方法计算白车身的结构质量, 其中不包含四门两盖等开启件和其他可拆卸结构件以及风挡玻璃, 有的包括风挡玻璃。也有按国标GB/T 4780—2000定义的白车身计算其结构质量, 从而导致计算出来的不同车型白车身轻量化系数不具有可比性。因此, 用轻量化系数对白车身轻量化水平进行评价时, 首先必须给出明确的白车身定义, 这样才能对不同车型白车身的轻量化水平进行有效对比评价。带有内外饰的全装备车身的轻量化水平也可以参考白车身的轻量化系数来定义车身的轻量化系数, 并对其轻量化水平进行评价, 但白车身的结构质量应改为整个内外饰车身的质量, 白车身静态扭转刚度应改为带有内外饰时车身的静态扭转刚度。

其次, 谈谈影响车身轻量化水平的主要因素。车身的轻量化水平主要受车身结构和内外饰的轻量化优化设计、高强钢和轻质材料的应用和轻量化制造工艺三方面应用程度影响。在控制车身成本的基础上, 只有综合运用高强度钢、轻质合金、塑料和非金属复合材料, 进行结构和材料一体化轻量化优化设计, 才能使合适的材料用在车身合适的位置, 使每部分材料都能发挥出其最大的承载、抗撞、吸能和减振吸声作用。再通过合理选用高强度钢先进成形、激光拼焊、内高压成形、辊压成形、复合材料成形和先进连接技术等轻量化制造工艺, 才能研发出满足强度、刚度、振动噪声、被动安全性和耐久性要求, 轻量化水平高的车身结构。

篇4：【行业关注】轻量化产业发展现状与技术解析

关键词：CFRP 汽车轻量化 路径 布局

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（b）-0062-02

轻量化是满足节能环保需求，保证汽车安全舒适的有效手段之一，已成为世界汽车发展的潮流和趋势。研究显示，汽车每减少100 kg，百公里油耗降低0.3～0.6 L，CO2排放量减少约5 g/km，0～100 km/h加速性提升8%～10%，制动距离缩短2～7 m。汽车轻量化是设计、材料和先进的加工成型技术的优势集成。文章对汽车轻量化设计的常用路径（“积木式”和“正向设计”）进行总结分析，提出两者交互融合的新型路径，并概述了国内外汽车轻量化用CFRP产业布局现状。

1 轻量化技术路径

1.1 从原材料到零部件的“积木式”技术路径

在汽车领域，CFRP的应用缺乏成熟的分析方法和足够的设计经验，常采用从原材料到零部件的“积木式”技术路径，又叫逆向设计。该路径通过材料试样、元件、组合件和部件4个层次“积木式”方法的逐步验证，如图1左所示。

CFRP在汽车中应用典型的“积木式”设计过程从选材入手，围绕碳纤维、树脂性能开展，建立材料数据库，筛选并确定设计许用值及碳纤维、树脂基本参数；其次，进行零部件结构选型和细节设计、工艺筛选，开展零部件制备，进行结构件验证；最终，进行零部件集成应用，验证结构部件是否满足结构完整性要求。

1.2 整车开发“正向设计”技术路径

“正向设计”即按照设计将功能、任务分解，并逐步验证，是从无到有的设计，常借助计算机辅助工程（CAE）等关键技术，如图1右所示。设计从整车CAE和Correlation入手，如：汽车车身要满足法规和碰撞、行人保护等要求，在对整车性能要求基础上，通过对系统的CAE分析及Correlation，进行制造工艺仿真，完成零件CAE，然后进行元件和典型结构分析，最后实现样件CAE仿真。目标分解后，从样件、元件、零件、系统、整车逐步验证性能，最终进行试生产。

1.3 “积木式”与“正向设计”路径交互融合

“积木式”设计方法从汽车零部件轻量化出发，效率高，研制周期短，但CFRP与金属部件连接难，整车性能难控制。“正向设计”以整车为目标，对设计能力、生产能力要求高，成本合理，性能可控。有效合理地将“积木式”和“正向设计”理念相互交叉融合，可加快汽车轻量化用CFRP的推广。“正向设计”可对整车设计生产加以宏观指导，“积木式”设计对部件生产进行微观导向。即从整车市场定位、减重出发，结合批量生产案例，将整车重量分解以确定模块数量，从而进入各模块强量化设计方案。由部件形貌厚度、力学性能要求等确定原材料形态、结构，根据CAE模拟和实验确定工艺，经验证，整车集成进行白车身轻量化及功能性验证。

2 国内外CFRP应用于汽车轻量化的产业布局

2.1 国外产业化路径特色鲜明

目前，世界上各大碳纤维厂家已纷纷和各大汽车公司联手，不少甚至已形成了“碳纤维复合材料+零部件供应商+主机厂”的产业化布局。

德国宝马公司已经率先完成了CFRP车身产业化工作，建成了空间跨度3国5地的工厂，实现了超过5 000 km的国际产业化布局，形成了从原丝（日本三菱）、碳丝（摩西湖碳纤维工厂）、编织布（德国瓦克斯多夫工厂）、复合材料/零部件（德国BMW蓝茨胡顿工厂）到主机（BMW莱比锡工厂）的CFRP车身产业链。

此外，国外大量碳纤维、树脂原材料企业通过创办公司、签署协议等形式开展不同程度的合作，以加速CFRP应用于汽车轻量化的脚步。2008年本田和日产与东丽联合开发用于汽车的新型碳素纤维材料，旨在批量生产比钢铁汽车轻40%的汽车。2011年通用与日本帝人签署协议，双方将联合开发碳纤维汽车零部件。2015年，福特与美国陶氏化学正式签署合作协议，计划合作开发先进碳纤维复合材料。2015年，福特汽车和土耳其DowAksa公司正式签署了联合开发协议，双方将共同研发低成本汽车CFRP，以减轻车身重量。

2.2 国内产业化路径初露端倪

10年前，我国汽车轻量化开始发展，如今已形成战略联盟、联合实验室、投资等多种产业合作形式。如今，3个国家级研发平台和两个国家级碳纤维联盟已成功建立。此外，为推广汽车用复合材料零部件工程化应用，中航复材分别与一汽、北汽联合成立“汽车用先进材料联合实验室”、与北汽联合成立“汽车用先进材料技术中心”，与长安汽车、比亚迪集团也开展合作。同时，康得投资集团与德国高盛集团就“新能源电动汽车碳纤维车体及部件的产业化项目”签署投资合作协议，近日，其跑车已顺利展出，全车重量970 kg，座椅1.5 kg，尾门3.4 kg，车门4 kg。

整体而言，国内汽车企业，如：长城、奇瑞、北汽、东风、比亚迪等正开展CFRP在汽车上的应用研究，但零部件开发较多、整车开发不足；概念样车不少，量产车型鲜见，加快建立涉及先进复合材料“材料研发—原材料生产—零部件制造—整车集成—回收利用”等全产业链的需求迫在眉睫。

3 汽车轻量化用CFRP产业布局

作为中国近代工业的发源地之一，上海在先进制造业领域具有得天独厚的优势，聚集大量科研人员，拥有全球布局的研发机构，配备了汽车轻量化产业布局中活跃度较高的企业，例如：金山石化、东华大学等碳纤维研发生产企业；亨斯曼、巴斯夫、拜耳等先进树脂企业；晋飞新材料、赛科利、延峰彼欧等CFRP零部件制造企业；以及上汽集团和泛亚汽车技术中心等。

为了快速推广我国碳纤维及相关领域的发展，提高我国汽车品牌影响力，打造“制造强国”，可由政府牵头，加快轻量化复合材料产业布局，优化产业发展环境；由整车厂牵头，加速建立汽车轻量化用CFRP相关测试标准体系；由科研院所牵头，突破大丝束碳纤维、回收利用和低成本快速成型工艺装备等关键技术。

参考文献

[1]范子杰，桂良进，苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报，2014（1）：1-16.

[2]鲁春艳.汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径[J]. 上海汽车，2007（6）：28-31.

[3]张定金，陈虹，于今.汽车轻量化对碳纤维的需求[J].中国石油和化工经济分析，2014（10）：30-33.

[4]我国碳纤维需追上汽车轻量化脚步[J].玻璃钢/复合材料，2015（2）：92-94.

[5]汽车轻量化开启碳纤维应用“蓝海”[J].非织造布，2013

篇5：发动机连杆轻量化设计解析

0 引 言

连杆是发动机中传递动力的重要零件。它将活塞的往复运动变为区轴的旋转运动并把作用在活塞组上的力传给曲轴。连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷。因此在设计连杆时应首先保证其具有足够的疲劳强度和结构刚度。显然为了增加连杆的强度和刚度不能简单地加大结构尺寸因为连杆重量的增加会使惯性力相应增加所以连杆设计的一个重要要求是在尽可能轻巧的结构下保证足够的强度和刚度即连杆轻量化设计是最终设计目标。

为了优化设计某发动机连杆减轻连杆重量选用朝柴发动机连杆作为评判的参考样品。分析某连杆发动机连杆现生产方案及其3 种改进设计方案以连杆疲劳安全系数为量的指标从3种改进设计方案中选出满足强度和刚度设计要求的重量最轻的方案为最终优化设计方案。1 有限元模型的建立

1.1 网格划分

发动机连杆是由连杆体连杆盖连杆轴瓦和连杆螺栓等零件组成连杆螺栓以巨大的预紧力5104 N 把连杆体和连杆盖连接在一起连杆轴瓦主要起耐磨作用因此进行有限元分析时不考虑连杆轴瓦和连杆螺栓而代之以连接预紧力作用于连杆体和连杆盖上连杆体和连杆盖接触面考虑接触和摩擦力。由于连杆结构和载荷的对称性。在建模型时仅取其一半结构进行有限元模型化。连杆的有限元模型采用四面体单元。

本文CAE分析前后处理软件为Altair/Hyper Mesh V7.0 分析软件为MSC Nastran 2001 各方案有限元模型规模见表1，有限元分析模型见图1。

图 1 有限元模型和连杆边界条件示意图

1.2 连杆有限元模型受力和约束

连杆总成的往复和旋转惯性力:

活塞组的往复惯性力：

拉伸工况下连杆大头载荷：

拉伸工况下连杆小头载荷：

活塞最大爆发压力载荷：

压缩工况下连杆大头受压力：

压缩工况下连杆小头受压力：

拉伸工况下沿连杆小头方向施加连杆总成的往复和旋转惯性力：

篇6：【行业关注】轻量化产业发展现状与技术解析

(1) 商用车轻量化的意义——节能

我国2006年民用汽车保有量3 697万辆, 其中载货车和大、中型客车合计为1 210.6万辆, 约占汽车总数的1/3, 而消耗的燃油则达到70%, 我国各车型燃油消耗比例现状及未来见图1。

(2) 商用车轻量化的驱动力——法规

●GB 20997—2007《轻型商用车辆燃料消耗量限值》。

●《中华人民共和国节约能源法》 (2008.04.01生效) 第四十六条国务院有关部门制定交通运输营运车船的燃料消耗量限值标准;不符合标准的不得用于营运。

●交通部等九部委2007年10月18日《关于印发全国车辆超限超载长效治理实施意见的通知》。

●交通运输部2008年发布了《营运客车燃料消耗量限值及测量方法》和《营运货车燃料消耗量限值及测量方法》, 于2008年9月1日起正式实施。

(3) 商用车轻量化的驱动力——市场需求

●在治理超载的背景下, 自重轻的商用车市场需求呈现出暴发性增长, 商品出现供不应求的局面。

●轻量化为用户创造价值。

2技术现状

(1) 自质量水平

a.牵引车 (GCW=40 t)

几款国产车的自重较Volvo FE约重1/4左右, 见图2。

b.自卸车 (GVW=25～26 t)

自卸车的载质量利用系数=载质量/整备质量。见图3。

c.厢式车 (GVW=12 t)

参见图4。

主要零部件用材见表1。

(2) 轻量化结构设计现状

a.特点

●处于起步阶段。

●以单纯结构改进为主:结构优化, 功能组合, 配置优化等。

●以局部 (零部件) 优化为主。

●优化设计水平亟待提高。

b.典型范例

●低温液体运输车轻量化设计。改变绝热形式;改变液体排放方式;优化结构;整车减重2 700 kg。

●某型大客车车身骨架轻量化设计。该客车为高级双层卧铺车, 属全承载式车身结构, 利用有限元分析进行车身骨架轻量化的设计, 质量减轻约490 kg。见图5。

●车架总成优化设计。优化前后对比见图6。

●底盘零件优化设计。保险杠支架、转向机支架结构优化见图7。

●电瓶框结构优化见图8。

●储气筒框架优化设计见图9。

c.新技术 (以悬架为例)

●钢板弹簧:多片改为少片簧。

●空气悬架。

●橡胶悬架。见图10。

(3) 轻量化材料的应用

a.总体情况

轻量化材料所占的比例逐年增大但目前水平仍然较低。

●随着治理超载力度的加大, 成本上升已成为轻量化材料在商用车上应用的最大障碍。

●我国汽车轻量化材料体系已初步形成, 基本上能满足商用车减重的需求;相比之下, 设计技术、制造技术则有很大的差距。

b.车身

●内饰已基本塑料化。

●外装塑料件越来越多, 如水箱面罩、导流板、翼子板、脚踏板、灯壳和灯罩。见图11。

高强度钢在白车身上应用的比例逐步提高, 采用激光拼焊板的零件增多, 但不同企业的应用水平相差较大 (0～58%) 。见图12。

c.底盘

●主流载货车企业车架纵梁的强度级别已普遍提高到600 MPa, 见图13。

●新产品越来越多采用铝合金或塑料燃油箱;塑料保险杠、轮罩、挡泥板的比例较高。见图14。

●铝合金、镁合金逐步在壳体类零件及踏板、支架类零件上得到应用。见图15。

d.发动机

●齿轮室、发动机散热器、中冷器基本上都用铝合金, 铝合金飞轮壳、油底壳、进气歧管、气门室罩盖等的应用日益普及, 某些新机型中铝的比例大于10%, 有的重型机动力系统铝用量已超过100 kg。见图16。

●已批量应用的镁合金零件有气门室罩盖、齿轮室、变速器上盖等零件。见图17。

●塑料进气歧管、油底壳和气门室罩盖得到了实际应用。见图18。

●蠕墨铸铁气缸体、气缸盖的开发成为热点, 个别机型已有应用。

(4) 零部件制造技术

目前, 我国商用车主要零部件的成形、连接、表面处理和机械加工仍沿用传统技术。在轻量化的推动下, 国内的几大商用车制造商已开始或正在规划与轻量化材料应用相关的先进制造技术的开发。如激光拼焊、液压成形、半固态成形。

3未来发展动向

(1) 产品 (整车) 轻量化策略研究将日益受到重视, 参见图19。

(2) 未来轻量化材料技术热点将逐渐由高强度钢转向铝合金。

●近中期:以高强度钢材料技术为主, 应用主要对象为车身、车架、车箱、车轮钢板弹簧等零部件。

●中长期:在继续发展高强度钢材料技术的同时, 将重点发展以铝合金为主导的轻合金材料技术, 应用主要对象为发动机、车箱、车轮、车身和底盘零部件。

(3) 在市场对轻量化产品需求的推动下, 零部件优化设计技术将得到快速发展。

●基于有限元分析的拓扑优化设计有可能成为主要的结构轻量化设计工具。

●对基础材料数据和工艺数据的需求将呈现爆发性增长。

●大力发展零部件的成本模型。

●设计与材料、工艺之间的关系将会变得愈来愈密不可分。

(4) 与轻量化材料相关的制造技术开发力度将会逐渐加大。

●高强度钢车身、车架零部件成形技术、连接技术。

●桥壳、框架类零件、支架类零件液压成形技术。

●热成形技术。

●铝合金车身、车箱零部件成形技术与连接技术。

●铝合金车轮的成形与加工技术。

●铝合金半固态铸造技术。

●镁合金表面处理技术。

●大型金属-塑料组合件制造技术。

4结束语

(1) 商用车轻量化对于我国节能减排战略具有重要意义。

(2) 制约商用车轻量化发展的最大障碍是超载得不到有效治理, 其次是成本。

(3) 高强度钢在商用车的轻量化中将发挥重要作用, 尤其是在近期与中期。

(4) 从现有的条件看, 我国商用车用3年的时间实现减重10%的目标是有可能实现的。

汽车轻量化材料技术发展的特点

1政府引导作用和行业合作不断加强, 共同开发已成为轻量化材料技术发展的主流。

2为降低轻量化的成本, 低成本的材料制备技术和先进的零部件制造技术已成为研究的热点。

3轻量化与车辆安全的冲突越来越受到重视, 新材料在解决这一问题中将发挥重要作用。

4汽车轻量化对环境的影响受到了广泛关注, 传统的看法已开始发生某些变化。

5汽车轻量化材料的范畴正在扩大。