減少汽車自身質(zhì)量是降低油耗最有效的措施之一。數(shù)據(jù)顯示，汽車自重每減少10%，NEDC工況下能耗可降低6%~8%，排放降低5%~6%。而燃油消耗每減少1L，CO2的排放量減少2.45kg。輕量化的實現(xiàn)主要有三種手段：輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化、先進輕量化材料應(yīng)用、先進輕量化制造技術(shù)應(yīng)用。采用新型材料是汽車輕量化最直接有效的方法。

汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。

實驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%；汽車整備質(zhì)量每減少100千克，百公里油耗可降低0.3—0.6升。


常見的輕量化材料分為金屬和非金屬兩大陣營。金屬材料主要包括高強鋼、鋁合金、鎂合金等；非金屬材料包括工程塑料和復(fù)合材料等。提高汽車輕量化程度是各大廠家一直以來的目標，所以也就有了鋁制和碳纖維的材料更多的運用到整體車身中。

1.鋁合金

鋁合金是目前汽車材料中應(yīng)用最多的輕質(zhì)材料，各項相關(guān)技術(shù)也比較成熟。鋁具有良好的機械性能，其密度約為鋼鐵的1/3，易加工，導(dǎo)熱性、耐腐蝕性好，鋁合金強度高，同時具有良好的吸能性。據(jù)美國鋁學(xué)會的報告，汽車上每使用0.45kg鋁就可減輕車重1kg，理論上鋁制汽車可以比鋼制汽車減重40%左右。目前很多車型如奧迪A8、捷豹XFL、特斯拉等均已采用全鋁車身。


近年來，鋁合金用于車身材料的加工方式的成本有所降低。以前都要將厚的鋁合金板沖壓成薄板再進行加工，目前通用引入了和鋼板沖壓類似的熱沖壓成形技術(shù)。

這對工藝的要求是十分嚴格的，由于摩擦力的作用，截面各處材料流動不均，容易在應(yīng)力集中地方產(chǎn)生急劇減薄而發(fā)生破裂。協(xié)調(diào)好壓邊力與沖壓力的關(guān)系，加上良好的潤滑，是實現(xiàn)鋁合金熱沖壓再次降低材料成本的關(guān)鍵。

當然鋁合金作為大范圍量產(chǎn)的輕量化材料固然理想，也有自身的缺點，比如工藝復(fù)雜且后續(xù)維修費用高。

總的來說，鋁合金材料可能會首先取代傳統(tǒng)的鋼材成為汽車輕量化的主要材料，但是由于焊接等一系列技術(shù)難題需要攻克，普通車企還不能把此類材料成熟的應(yīng)用到汽車生產(chǎn)中。

2.鎂合金

鎂的密度約為鋁的2/3，在實際應(yīng)用的金屬中是最輕的。鎂的密度約為鋁的2/3，在實際應(yīng)用的金屬中是最輕的。鎂合金的吸振能力強、切削性能好、金屬模鑄造性能好，很適合制造汽車零件。


鎂鑄件在汽車上使用最早的實例是車輪輪輞。在汽車上應(yīng)用鎂合金的實例還有離合器殼體、離合器踏板、制動踏板固定支架、儀表板骨架、座椅、轉(zhuǎn)向柱部件、轉(zhuǎn)向盤輪芯、變速箱殼體、發(fā)動機懸置、氣缸蓋和氣缸蓋罩蓋等。


由于鎂制車身板件的應(yīng)用，可以得到更好的車身操控，更佳的性能表現(xiàn)以及更經(jīng)濟的燃油成本，更輕的車身將在整體層面上提升車輛的性能。

鎂合金在汽車上的應(yīng)用雖然很早就開始展開，但是目前鎂合金并沒有廣泛的推廣開來，在制造加工方面，相比于鋁制板材件，鎂合金車身板件的成本要高出3至4倍。另外，由于鎂合金板材的特殊性，在修復(fù)工藝方面或許與傳統(tǒng)的鋼鐵板件存在一定差異。

3.高強度鋼

高強度鋼的應(yīng)用成為了汽車輕量化技術(shù)重要發(fā)展方向。但受高強鋼板材強度的提高，傳統(tǒng)的冷沖壓工藝在成型過程中容易產(chǎn)生破裂現(xiàn)象，無法滿足高強度鋼板的加工工藝要求。在無法滿足成型條件的情況下，目前國際上逐漸研究超高強度鋼板的熱沖壓成形技術(shù)。該技術(shù)是綜合了成形、傳熱以及組織相變的一種新工藝，主要是利用高溫奧氏體狀態(tài)下，板料的塑性增加，屈服強度降低的特點，通過模具進行成形的工藝。但是熱成型需要對工藝條件、金屬相變、CAE分析技術(shù)進行深入研究，目前該技術(shù)被國外廠商壟斷，國內(nèi)發(fā)展緩慢。


當材料被沖壓成形時，會變硬，不同的鋼材，變硬的程度不同。一般高強度低合金鋼只略有20MPa增加，不到10%。注意：雙相鋼的屈服強度有140MPa增加，增加了40%多！金屬在成形過程中，會變得完全不同，完全不像沖壓加工開始之前。 這些鋼材在受力后，屈服強度增加很多。材料較高的屈服應(yīng)力加上加工硬化，等于流動應(yīng)力的大大增加。因此，開裂、回彈、起皺、工件尺寸、模具磨損、微焊接磨損等成為了高強鋼成型過程中的問題焦點。


基于高強鋼的特點和特性，如果不能改變金屬流動和減少摩擦，那么高強度鋼(HSS)的開裂和質(zhì)地不均性都可能引起部件報廢率的上升。這種材料所具有的高千磅力每平方英寸(KSI)(測量屈變力的單位)、增強的回彈、加工硬化的傾向以及在升高的成型溫度下運行對于模具來說都是一個挑戰(zhàn)。

但在汽車輕量化材料中，高強度鋼板價格低，具有優(yōu)越的經(jīng)濟性。采用高強度鋼板在等強度設(shè)計條件下可以減少板厚，但是車身零件選定鋼板厚度大都以元件剛度為基準，因此實際板厚減少率不一定能達到鋼板強度的增加率，不可能大幅度地減輕車重。高強度鋼板在汽車上應(yīng)用的目的主要有：增加構(gòu)件的變形抗力，提高能量吸收能力和擴大彈性應(yīng)變區(qū)。

由于運用高強度鋼板的經(jīng)濟性和相對容易性，各國都在加速高強度鋼和超高強度鋼在汽車車身、底盤、懸架、轉(zhuǎn)向等零部件上的運用。世界鋼鐵協(xié)會汽車分會提出了新一代鋼鐵汽車的想法：更多使用高強度鋼板，車身的質(zhì)量將比以前減輕35%。

4.塑料及非金屬復(fù)合材料

塑料的應(yīng)用同時滿足降低整車重量和成本兩方面的需求，因此是汽車使用的最多的非金屬材料，相關(guān)技術(shù)也比較成熟。塑料具有比重小、耐腐蝕、隔音隔熱、比強度高、吸收沖擊能量、成本低、易加工、裝飾效果好等諸多優(yōu)點，不僅能減重降成本，而且對整車的安全性、舒適性和外觀都有利。

世界汽車平均塑料用量早在2001年已達115kg，約占汽車總重量的8%~12%，并且這一比重不斷提升。塑料廣泛地應(yīng)用于汽車的內(nèi)外飾上，如儀表盤、側(cè)圍內(nèi)側(cè)板、擾流板、擋泥板、散熱器格柵、翼子板等。今后重點開發(fā)方向是結(jié)構(gòu)件、功能件、外裝件的高性能塑料。


非金屬復(fù)合材料主要是指碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料和有機纖維復(fù)合材料等。其密度小、耐腐蝕、耐疲勞、比強度和比剛度高、易成型、節(jié)能抗震等優(yōu)點，目前主要應(yīng)用于車身、車燈罩、保險杠等。

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為 23000~43000Mpa也高于鋼。但碳纖維材料也只是沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強度，其耐沖擊性卻較差，容易損傷，所以在制造成為結(jié)構(gòu)組件時往往利用其耐拉質(zhì)輕的優(yōu)勢而避免去做承受側(cè)面沖擊的部分。目前，民用車中使用碳纖維材料結(jié)構(gòu)并不多，多是集中在一些跑車上。但這終歸只是富人的玩具，具有碳纖維單體殼結(jié)構(gòu)的汽車往往價格十分昂貴。


碳纖維材料本身并不昂貴，然而要把碳纖維加工成適合車輛行駛、碰撞的成品才真正是其價值所在。

雖然碳纖維增強合成材料良好的形狀既沒有達到用化學(xué)制劑進行預(yù)處理的完美的菱形，也沒有達到完美的堅固性，但是這種方法得到的材料強度仍然可以和鋼媲美，關(guān)鍵在于重量只是鋼材的二分之一。

碳纖維單體殼作為一種質(zhì)量輕、強度大、安全性高的車身結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于性能車中。雖然現(xiàn)在還無法在民用車中普及，但在解決了原材料問題之后，相信距離其技術(shù)下放的時刻已經(jīng)不遠了。

以上我們列舉了一些材料在輕量化中的應(yīng)用，對于采用輕質(zhì)材料的零部件，還可以進行布局進一步分析和運動干涉分析等，使輕量化材料能夠滿足車身設(shè)計的各項要求。相信不斷進步的科技和制造工藝會讓輕量化有更多的延展空間。