汽车轻量化设计︱节能减排和新能源车

近年来，汽车保有量及产量在不断增长，由不可再生的燃油消耗及环境污染带来的压力也越来越大，随着节能减排的需求及国家环保政策逐渐加严，汽车轻量化越来越受到关注。

1. 整车轻量化的意义

燃油车辆
车身质量	↓10%	↓100Kg
燃油效率	↑6%~8%
油耗	↓6-8%	3L~0.6L/百公里
排放	↓4%
加速动力性		↑7%
制动距离（低速）		缩短2-7m
制动距离（高速）		缩短1-2m

燃油车辆
车身质量	↓10%	↓100Kg
行程	↑8%
续航里程		15-20km

2. 整车轻量化的实现途径

整车轻量化是一个整体概念，不能靠一两个零件的减重来实现，应从设计开始入手，制定品质目标设计，性能目标设计，减重目标，给整车重量进行重量管理，达到减重的目标。汽车轻量化从实现途径看，可分为：轻量化结构设计及优化、先进的轻量化材料应用、和先进轻量化制造技术的应用。

（1）轻量化结构设计及优化

车身重量约占汽车自重的1/3，车身结构的设计以及车身材料的选择是车身重量减轻的关键因素。

车身减重的常见的轻量化材料分为金属及非金属两大类，金属材料主要包含：高强钢，铝合金、镁合金等，非金属材料包含：改性塑料和复合材料等。

所用材料相关物性如下：

材料体系	拉伸强度（MPa）	拉伸模量（GPa）	密度 （g/cm³）	比强度MPa/（g/cm³）	比刚度 GPa/（g/cm³）
铝合金	420	72	2.8	116	26
镁合金	220	45	1.8	138	25.85
钢	1200	206	7.8	153	26

（2）先进的轻量化材料应用 

轻量化材料的应用一般包含：轻质复合材料，微发泡材料，低密度PP材料，薄壁轻量化材料等。

轻质复合材料：

编号	材料类别	材料定义	零件中玻纤保留长度
1	SGF	短波增强热塑性颗粒材料	0.2-0.4mm
2	LFT-G	注塑级长玻纤热塑性颗粒材料	1-3mm
3	LFT-D	长纤维增强热塑性材料在线模压成型工艺技术	厘米级
4	GMT	玻璃毡增强热塑性塑料片材，分为连续玻纤及短玻纤	2.5-10cm
5	CFRT	连续增强热塑性塑料片材	连续玻纤单向增强

A. 微发泡材料通过特殊的微发泡注塑设备，使零件内形成微小的气孔，从来达到减重的目的。目前在宝马车的仪表板已经采用，可以减重约20%。 

B. PP塑料的使用约占整车塑料的使用量的70%左右，而PP塑料及PP改性塑料的密度一般在0.9-1.15克/立方厘米，在满足使用性能要求的情况，选择低密度的PP塑料，也有助于减轻整车重量。

C. 薄壁轻量化材料，随着材料技术及工艺技术的进步， 要求的材料具有三高特性，如高流动、高韧性、高模量。常规塑件的厚度3.0-3.5mm也逐渐薄壁化转变，如前后保厚度一般为2.5mm，最低可做到1.8mm厚度，可以减重约20%-40%左右。

D. 其他材料的使用，如洋麻植物纤维等在内饰上的使用，可有效的达到了减重的重量，但该材料具有的烟煤色若隐若现的天然纤维结构，给予独特的视觉和触觉感受 （露纤，按目前主流的外观审核是无法通过的）。

（3）先进轻量化制造技术的应用

A. 铝合金用于车身材料的加工方式近几年有所降低，以前都要将厚的铝合金板冲压成薄板在进行加工，目前通过引入了和钢板冲压类似的热冲压成型技术，该工艺的要求十分严格，由于摩擦力的作用，截面各处材料流动的不均，容易在应力集中地方产生急剧减薄而发生破裂，协调好压边力与冲压力的关系，再加上良好的润滑，是实现铝合金热冲压再次降低材料成本的关键。

B. 传统的冷冲压工艺在成型过程中容易产生破裂现象，无法满足高强度高板的加工工艺要求，目前国内对高强度钢板的热成型冲压技术还发展比较缓慢。

C. 碳纤维材料的高模量以及比强度，比刚度高的一种力学性能优异的新材料，但碳纤维也只是沿着纤维轴方向表现出很高的强度，其耐冲击性确较差，容易损伤，作为结构组件时候有局限性，同时因不可修补，后续的保养及维护费用也非常高，目前暂无法普及。在解决原材料的问题后，相信将逐渐普及。

D. 微孔发泡技术起源于1982年MIT聚合物实验室的发明，对气液均相熔体的置备，气泡成核的控制，以及气泡的生长和稳定是微孔发泡的关键因素，目前国内对该技术的产业化还处于起步阶段。

3. 整车轻量化案例

（1）车身设计：全铝车身；塑料尾门、塑料翼子板等。

A. 捷豹XJ和XK车型采用的是全铝车身，整体（包含蒙皮）都是铝合金材料，各部分通过铆接和粘结而成，白车身重量比同等钢制车身减轻40%，刚性确提高了60%。

B. 奥迪R8采用ASF铝合金车身技术，借助先进的焊接技术将铝合金冲压件接合，整个车身由70%的冲压件，22%的钣件和8%的铸件组成，车身仅重210公斤。

同时新款奥迪R8其发动机装饰罩及饰条上等都采用了碳纤维材料；超级小跑阿尔法罗密欧4C，采用的铝合金框架及全车碳纤维车身，具有不足一吨的车重。

C. 塑料尾门早在2009年4月份上市的沃尔沃的XC60就是塑料尾门，2012年上市的荣威E50电动车、2013年初上市的五门版路虎极光、2014年4月上市的DS6，2014款的奇骏等均采用的是塑料尾门。目前各大主机厂开始尝试使用塑料尾门。一般塑料尾门分三种，全热固定塑料尾门，热固定塑料内板加热塑性塑料外板，全热塑性塑料尾门。均指内外板均是塑料的为塑料尾门。

D. 塑料翼子板的使用历史已经接近30年了，包含通用、福特、大众、雷诺等大多数车企都有导入塑料翼子板的使用，如标致307、世嘉、迈腾等车型。

（2）内外饰设计：铝镁合金仪表横梁、天窗、塑料备胎室、门内模块，前端模块等。

铝合金，镁合金，铝镁合金较传统钢材的最大优势是轻，但成本也较高，还有一些物理特性的限制。 这一领域里的发展趋势是：部件的表面积变大，集成更多的功能，单位价格下降。目前很多车型都逐渐开始使用铝合金或铝镁合金的管梁。

维度	钢	铝合金	镁合金
面积	1m²	1m²	1m²
厚度	1.0mm	1.5mm	1.7mm
密度	7850kg/m³	2702kg/m³	1800kg/m³
重量	7.85kg	4.05kg	3.06
减重百分比		48.41%	61.02%

（3）其他常见减重方案：

宝马仪表板骨架类注塑件目前已经基本采用发泡塑料,可以减重约20% ，宝马I3前端板是由洋麻植物纤维制成。

▲ 前端模块

▲ 塑料加油口盖

 ▲ 宝马i3

随着能源和环境问题的日趋严重，汽车轻量化发展似在必行，越来越多的轻量化材料及工艺也将应用越来越广，也将是各大材料厂商的机遇及挑战。

来源：智享汽车圈

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