1.3.2 汽車輕量化系統(tǒng)工程

一輛汽車的制造涉及許多材料，如鋼鐵、鋁、鎂、銅、塑料、玻璃等。在過去的幾十年，有相當多的材料已經(jīng)被用于實現(xiàn)汽車的輕量化。一般說來，車重減少10%，其燃油經(jīng)濟性可以提高6%~8%。在輕量化設計中，在不犧牲結構整體性和其他性能的前提下，既要考慮材料“輕”的特點，還要考慮材料的安全性、可加工性、可回收性和經(jīng)濟性。如圖1-12所示，汽車輕量化應當是一個設計體系，這個體系包括材料的研究、零部件制造工藝的開發(fā)、汽車整車性能的測試，以及這三方面產(chǎn)生的成本。材料的研究主要是通過金屬的合金化和組織結構來達到最佳的材料性能。零部件制造工藝的開發(fā)集中在工藝的有效性和效率，以及與其相關的連接技術上。整車性能測試要驗證新材料零部件對整車安全性、噪聲、振動、耐久性等產(chǎn)生的影響。如果只研究材料，不從系統(tǒng)全面考慮，那么一個新的輕量化部件將很難得到應用。尤其是這一系統(tǒng)的三方面都需要資源和資金，使得一個新的汽車輕量化產(chǎn)品被接受和采用的關鍵在于其綜合成本是否有競爭力。

圖1-12　汽車輕量化設計體系

汽車公司通常最終比較輕量化產(chǎn)品和被替代產(chǎn)品的綜合成本。在過去二三十年，輕量化產(chǎn)品有明顯成本優(yōu)勢的很快就被采用，有相當數(shù)量是在成本相當?shù)那疤嵯卤粦玫摹Ｓ捎诓牧铣杀竞图夹g難度的增大，新材料的輕量化產(chǎn)品的綜合成本要高于被替代產(chǎn)品的成本。即使在生命周期成本的基礎上，有些新材料輕量化產(chǎn)品的成本也要高出很多。一般說來，超強鋼的輕量化部件成本增加最少，其次是鋁部件；工程塑料的復合材料，特別是碳纖維復合材料成本增加很多。隨著相關法規(guī)的不斷嚴格，汽車輕量化產(chǎn)品綜合成本增高會逐漸成為“新常態(tài)”。圖1-13所示是汽車輕量化零部件應用前景示意圖。在單位減重1磅的前提下，成本增加1美元以下時，鋁發(fā)動機和先進高強鋼車身就可以投入大批量使用；鎂鑄件和工程塑料結構件處于新興應用階段。當成本增加2美元時，鋁車身板件和增強塑料車身板件有可能批量應用；鋁合金車身結構件可能進入新興應用階段。碳纖維復合材料車身件成本會增加5美元，仍然處于研發(fā)階段。

圖1-13　汽車輕量化零部件的應用前景

不同的輕型材料都有自己的優(yōu)點和局限性，很難有哪一種輕型材料能“包打天下”。汽車輕量化是多種輕量化材料并存的未來。輕量化成功的策略應當是“正確的材料用到正確的地方”，也就是說把不同材料的優(yōu)點用到最需要的地方，同時又能避免它的缺點。近期內(nèi)，實現(xiàn)汽車進一步輕量化的最主要材料仍然是超強鋼，緊接著是鋁，再后面才是碳纖維復合材料等其他材料。考慮不同車型輕量化的時候，對豪華車、越野車、皮卡車使用較多的鋁部件更合理，因為大型車減重的潛力更大一些，對增加成本的承受力也大一些；而小型車輕量化材料的主要選擇對象是超強鋼，因為其減重的“潛力”比較小一些，對增加成本的承受力也小一些。處于中間的車型就需要對多種輕量化材料進行全方位的考慮，充分體現(xiàn)“正確的材料用到正確的地方”的策略。圖1-14所示為一輛福特蒙迪歐樣車，這輛車在2013年款蒙迪歐的基礎上，對白車身、覆蓋件、底盤、動力系統(tǒng)、內(nèi)飾系統(tǒng)、電子系統(tǒng)進行了全面的輕量化設計。通過使用各種先進超強鋼、鋁板、鑄鋁、鑄鎂、強化玻璃、碳纖維復合材料等輕型材料，使整車質量從1559kg降低到1195kg，減重23.5%。這是一個汽車輕量化成功使用“正確的材料用到正確的地方”的案例。

圖1-14　使用多種材料減重25%的福特蒙迪歐樣車