1.3 汽車輕量化趨勢

1.3.1 輕量化材料

降低車輛的平均質量可以通過設計開發更小的車型、優化車身設計和使用輕質材料來實現。盡管自第一次石油危機之后乘用車平均質量有了一定程度的降低，然而近幾十年隨著各種法規的不斷完善以及用戶對汽車可操作性、舒適性的更高要求，汽車的平均質量實際上在不斷增加。圖1-11所示為1975年后汽車平均質量的變化趨勢，很明顯汽車輕量化還有很長的路要走。

圖1-11　1975年以來輕型車的平均質量

在滿足對汽車性能、成本要求的前提下，采用輕量化材料替代傳統材料是實現汽車輕量化的重要途徑之一。目前常用的輕量化材料包括以先進高強鋼和超高強鋼為代表的各類鋼材、鋁合金、鎂合金、工程塑料及復合材料等。

根據抗拉強度以及延伸率的不同，工業界將先進高強鋼分為三代。第一代先進高強鋼以鐵素體為基體，包括雙相鋼、復相鋼、TRIP鋼和馬氏體鋼等。第一代先進高強鋼的強度可以達到800MPa以上，然而其強度的提升是以犧牲塑性為代價的。第二代先進高強鋼包括TWIP鋼、奧氏體型不銹鋼，它們在具有高強度的同時具有優異的塑性。但第二代先進高強鋼中添加了較多貴金屬，生產和使用成本較高，限制了其應用。目前，鋼鐵公司正致力于開發高強度、高塑性，同時成本較低的第三代先進高強鋼，其在汽車結構設計中的應用也被提上了議事日程。本書第2章將對先進高強鋼的基礎知識、應用及發展前景進行具體介紹。

與汽車用鋼鐵材料相比，鋁及其合金具有比強度高、耐蝕性能優良、適合多種成形方法、抗沖擊性能好、較易再生利用等優點，輕量化效果十分顯著。據統計，用鋁合金代替傳統的鋼鐵制造汽車，可以使整車質量減小30%~40%，用于制造發動機可減小30%的質量。近年來，鋁合金的用量及其在汽車平均質量中所占的比重逐年上升，有機構預測到2020年，乘用車平均鋁合金用量將達到394磅（1磅=0.45kg）。目前鋁合金主要以鑄造鋁合金的形式用于發動機缸蓋、缸體等部件，占鋁合金總用量的80%以上；高性能鋁合金板件目前還主要用于車身覆蓋件，然而其在車身結構件中的應用有巨大的潛力；除此以外，鋁合金擠壓件、鍛壓件也有一定程度的應用。本書第3章將具體介紹鋁合金在汽車工業中的相關應用。

與其他車用金屬材料相比，鎂合金密度更小、比強度和比剛度更高，使用鎂合金零部件代替其他金屬零部件可以顯著降低汽車質量，提高燃油經濟性。然而，綜合成本是阻礙鎂合金零部件大規模應用的一大因素。此外，鎂合金原材料的產能遠遠落后于鋼鐵和鋁合金。即便不考慮成本，鎂合金目前還不具備在汽車工業上大規模應用的可能性。本書第4章將針對鎂合金的應用進行介紹。

塑料具有密度小（平均密度只是鋁的1/2）、比強度高（玻纖增強塑料可超過鋼）等特點，使用輕量化工程塑料材料成為減小汽車質量的主要途徑之一。20世紀90年代，發達國家汽車平均用塑料量為100~130kg/輛，占整車質量的7%~10%；2002年，發達國家汽車平均用塑料量達到300kg/輛以上，占整車質量的20%；預計到2020年，發達國家汽車平均用塑料量將達到500kg/輛以上。縱觀汽車產業的發展歷程，將塑料零部件應用在汽車中已經發展了很長一段時間。對于汽車用戶而言，舒適性、環保性、低成本以及低油耗等要求是汽車工業對塑料零部件有較大需求量的主要原因，也為未來車用塑料的發展提供了方向。本書第5章將主要介紹各種塑料及其應用。

復合材料在汽車中應用的主要驅動力是減重和零部件集成化。目前，汽車中塑料和復合材料的平均用量約為8%，通常小尺寸節能車型中復合材料的使用比例比大尺寸車高，但后者的絕對質量更大。采用玻璃纖維增強復合材料作為結構件可減重20%~35%，而采用碳纖維復合材料的減重潛力為40%~65%。由于汽車輕量化的發展，汽車用復合材料的研究和開發受到了各公司的廣泛關注。復合材料還兼具柔性設計、耐蝕、抗疲勞、力學性能優良等特點，這些優點已經為汽車工業界所認可。總體來說，復合材料目前主要用于次承力和非承力結構，其中大部分是玻璃纖維增強熱固性復合材料。應用的部位主要是車體面板、懸架、轉向機構、制動片和其他附件。但目前受限于材料成本高昂、生產率低下、可回收性等問題，復合材料產品在汽車中的大量應用還有待進一步的研究和開發。本書第6章將著重介紹復合材料的種類、性能及其在汽車中的應用現狀及發展前景。