汽车轻量化 能源危机的完美解决方案

虽然钢铁材料仍是汽车的主要用材，但其所占的比例呈下降趋势。有色金属和塑料所占的比例是上升得最快的，特别是最近几年来更为明显。这种变化的最直接原因是对汽车轻量化的要求越来越高，而有色金属和塑料本身性能的改善和加工工艺的进步也为其扩大应用创造了条件。其他非金属材料的比例提高也是令人瞩目的。这主要是由于对车辆的舒适性要求逐渐提高，装饰更为高级、豪华，各种黏结、密封材料、皮革、织物等非金属材料的用量越来越多。也正是由于汽车趋向快速、高级、豪华、舒适、安全，形形色色的附件装置包括电子设备的大量使用，使汽车的总质量有了较大的增加，这进一步加剧了汽车轻量化的迫切性与难度。汽车材料的这种变化趋势还将继续下去。

汽车轻量化可采用“比铁更轻的金属材料”、“可重复使用的塑料”、“车体和部件的结构更趋合理化的中空型结构”等对策。例如，高强度的钢材制造的车体材料、铝制发动机机体、铝合金飞轮、塑料消声器等的使用已趋普遍。而悬架部件、燃油箱轻量化则处于初始阶段，除了大型豪华轿车、豪华SUV采用铝制悬架，而一般中级轿车等绝大多数轿车还是采用传统的钢制悬架。近年来，把铁制部件改用铝件和塑料材料也逐渐增多。此外，还有把发动机的凸轮轴的曲轴等旋转部件制造成中空化结构，以减轻质量。现今汽车引擎的汽缸顶，已大量采用铝合金制造。汽车制造商乐意使用铝合金的原因，首先是这种材料能降低引擎重量，其次是铝合金有较佳的散热特性，尤其适合多气门引擎。还有一个轻量化的例子，保时捷为旗下不少车型装备陶瓷制动盘，被命名为(PCCB Porsche ceramic composite brakes)，制动盘以陶瓷制造的铸模将碳纤维连接在一起。新材料对盐水具有极高的抗蚀能力，硬度极高的表层拥有高强的抗磨特性，其摩擦系数又不受温度变化的影响，反复多次全力制动也没有任何热衰减。尽管制动盘的直径高达350mm，其重量却只有同尺寸钢质制动盘的一半，足以令悬挂的非弹簧负荷重量降低18kg。法拉利在360 Modena 赛车版上使用的陶瓷制动，也是同一哲学下诞生的系统。汽车轻量化，往往是通过这些细小技术的措施来使整体轻量化的。

汽车在陆上交通工具中的优势在于它携带着驱动所需要的能源，因而可以随意选择道路。自汽车发明至今，内燃机仍然是汽车的主导动力机。可存储在轻薄油箱中的汽油或柴油，由于技术上的优势仍是主导的能源。节约能源特别是石油资源，已是一场不可避免的客观挑战，特别是1973年的石油危机，触发石油价格上升至4倍以上，现如今，国际原油价格持续上涨，节约汽车燃油消耗已是一项长期的任务，也是汽车制造业不可回避的新课题。其技术内容是多方面的，如提高发动机效率、改进汽车造型以降低风阻系数、改进汽车轮胎等，而对汽车材料的要求则主要来自汽车轻量化，汽车的油耗主要取决于发动机的排量和汽车的总质量。采用轻量化材料就能在汽车载荷不变的条件下，尽可能降低整车重量，从而显著降低汽车燃油油耗。

以石油能源问题为出发点，汽车的小型轻量化更受到人们的关注。它不仅关系到汽车的经济性，更关系到地球资源的有效利用。在过去汽车大都采用前置式发动机后轮驱动形式。后来从减轻质量与确保车内有效空间的利用方面出发，迅速向FF方式发展（即前置式发动机前轮驱动方式）。发动机小型轻量化，最重要的是发动机总长尺寸改小了，主要是改小各缸间汽缸中心距的尺寸，因它对发动机质量、尺寸影响极大。这可在保证

各缸冷却水腔空间、减小各种受力变形，以及在保持缸盖气密条件下，应力要求减小汽缸中心距。

发动机质量除取决于基本尺寸这一因素之外，还要受材料的选择和制造技术所制约。使用薄壁铸造技术，用轻合金和塑料等所制造的汽缸体和汽缸套，铝合金制的发动机机体和曲轴，回转部分的中空结构，发动机凸轮轴和曲轴以塑代钢、以陶代钢，以及用陶瓷活塞销等，使零部件轻量小型，从而实现提高功率、节能和燃料费用降低的目标。

用于制造汽车的各种材料的密度有很大差异，因此存在着以低密度材料，即轻量化材料替代高密度材料，从而减少各部件的质量。但是由于各种材料的性能各异，特别是强度和刚性不同，材料间不可能是等容积互代，低密度材料往往需要加大部件的尺寸才能等效地替代高密度材料。这就失去了轻量化材料减轻部件质量的效果。在这种情况下，开发采用性能优异的新材料、合金材料和合成材料就显得尤为重要。现用汽车轻量化材料具有代表性的有轻金属、高弹力钢、塑料等。在构成材料中，这些材料所占有的比例逐渐增加。特别是美国被日本和欧洲汽车制造商推出的小型车占据了市场后，在汽车的小型轻量化方面投入了巨大的研究开发费用，根据通用汽车公司的战略，今后将转向使用铝材料和塑料等轻量化材料。在这之前，有很多例追求轻量化极限的样车，例如，VERA、菲亚特VSS、福特PROBE等，公开在试制样车上大胆使用塑料。菲亚特VSS，在采用了车体钢制壳体构造和外板的塑料化，质量比原车的318kg还要轻68kg，车体框架采用镀锌处理的冲压钢板，前后部分使用高强度的冲压钢板。因为是框架构造，外板不可能很大，所以容易塑料化。前端、后端、侧门外使用聚碳酸酯，侧门内侧、仪表板等使用变性PPO，发动机罩盖和车顶盖分别使用与聚酯和塑料的特性相适应的材料。另外，菲亚特VSS材料费用比菲亚特原车高越100美金，但在骨架（车身）部分因使机械零件容易安装，可在组装过程中降低组装成本，因此应用于批量生产的可能性极大。进而作为创新尝试，以塑料复合材料为主体的复合式发动机在美国试制成功，这种发动机的特性是大量使用玻璃纤维和碳纤维增强环氧、聚酰亚胺、聚酰亚胺基树脂，金属部件仅用于缸套、曲轴、凸轮轴、排气阀、燃烧室等。曲轴在运转时会受到多方压力，包括屈折和扭曲。为了应付这些负荷，曲轴必须使用机械强度极高的材料，而材料本身又必须易于加工，才容易制造出曲轴的复杂形状。锻钢和加入多种成分的铸铁（含有高比例的碳、铜、铬、石墨），数十年来均是曲轴的主流材料。铸铁拥有低成本和易于铸造复杂形状的优点，因此经常应用于曲轴的平衡载重件。若曲轴的体积较大，锻钢当然优于铸铁，因后者重量较高，强度却逊于锻钢，难于承受大型曲轴的工作负荷，所以大型曲轴往往会以表面施以氮元素硬化处理的钢材制造。

在结构方面，德国保时捷汽车公司和奔驰汽车公司采用五构件发动机，用螺栓、衬垫、黏合剂将28个复合材料板粘合在一起。虽然世界各大汽车制造商和研究所对轻型新材料研究十分盛行，但对大批量生产还存在成本平衡问题。在汽车界价格激烈竞争的情况下，轻量化带来的成本提高是不容易得到认可的。要进行轻量化，有必要用铝和塑料来代替钢板，但同时成本也要上升，特别是轻量化20%以上，将带来的成本大幅度提高是不容置疑的。为此，实现轻量化，应尽可能降低成本的提高，是设计者们的目标，如凯迪拉克和别克发动机的油底壳，原采用深冲压钢板，制造时不得不将其分成两部分再作焊接，但改用成型性良好的尼龙，并将它热压成型一体化，就可避免成本的提高，从而达到轻量化的目的。

从20世纪90年代以来，在轻量化的材料当中，象聚酰胺这样的工程塑料也许还不能说成新材料，但它在汽车上使用已经达到实用化阶段，今后还将进一步扩大使用。聚合物的应用范围，今天已扩大至令人意想不到的地方，逐步取代传统材料。例如奔驰S-Class的头灯，镜片就是以热固性碳化聚合物制造的。这种聚合物的高度透光率拥有相对高的折射系数，又能阻隔日光入射灯光。最大的特点还在于极强的防刮本领。聚氯乙烯（PVC）是广泛应用于车厢的材料，但汽车界正在努力寻找它的替代品，原因是聚氯乙烯（PVC）密度高、难于循环再利用，机械强度又极低，本田公司在CIVIC的车厢中大量减少了PVC的应用程度，使用了简称TPO的热固性聚合物，后者在密度、循环再利用和强度三方面均优于PVC。在新材料当中，即使上常见的塑料，作为汽车材料，要考虑其性价比，仅从拉伸强度来看材料价格，它比金属材料的价格要高。应该讲，新材料一般价格要比传统材料的价格高数倍甚至数十倍，这是受到制备工艺的限制。随着制造该材料的制造工艺的不断改进、成熟，生产量的扩大，其价格将会逐渐走低。当价格到达某一区域时，才有可能被正式采用。多数新材料是在航空航天技术领域开发过程中产生的，现在汽车上使用的高强度钢，也是在60年代火箭技术开发中成熟起来的，新型陶瓷、碳纤维和硼纤维，是航天飞机和火箭中必用的材料。受到成本因素限制，现在市场规模有限，只有极少数超级跑车采用碳纤维制造车架和车身，法拉利F50、法拉利ENZO、保时捷 Carrera GT就是典型例子。法拉利ENZO，车架以航天工业的碳纤维制造，重量只有102kg，但抗扭强度却极高，机械强度亦极高，而且能承受1500度以上的高温。车身的碳纤维镶板同样以合成材料制造，强化成分是纤维聚合物，密度低至1.45g/cm3。在今后碳纤维和硼纤维的应用进入成长期，并能迅速批量生产和低价格化时，才能在汽车制造领域得到广泛应用。

目前汽车材料的主导材料仍然是钢。钢在汽车材料中的主导地位已受到密度较小的轻金属以及塑料的竞争而动摇。竞争的主要领域仍限于轿车的车身，而不是动力和传动系统，这是因为后者所包含的零部件大多是高应力件，所用钢种是高强度的中碳钢或合金中碳钢，往往还运用热处理以及渗碳等化学热处理增强工艺，这就使得强度较低的塑料难以派上用场。但车身应用低强度的低碳钢，因而其地位受到其他轻金属以及塑料的挑战。

轿车质量的很大份额是车身壳体及车门、发动机罩、行李舱盖板、前后保险杠以及座椅等薄板附件。塑料和铝合金首先问津的正是这些附件。现在轿车前后保险杠已基本实现了塑料代钢，发动机罩和行李舱盖板等水平零部件是塑料和铝合金材料发展的热点。在垂直零部件中，钢板在车门内板上也早已丧失了阵地，车门外板也有逐步被取代的趋势。车身壳体也已成为三种材料的争夺领域。不仅汽车厂商从减轻质量及提高性能、成本角度出发，在优选用料，而且各种材料的生产厂商也表现出极大的积极性在争取市场份额。早在20世纪80年代，美国用非钢新材料试制汽车，并开发了以铝合金压铸件作节点，连接铝合金挤压材料形成空间构架，上覆铝板制造成轿车车身，减轻质量47%。铝合金制成的轿车，已经进入商业化生产，豪华轿车奥迪A8、捷豹XJ已经作出表率。奥迪是首家将铝合金车架投入量产车系的汽车制造商，奥迪A8和A2、就采用了全铝合金车架。A2的车架由238个不同的铝件构成，厂方公布的质量是128kg，比传统的钢制车架轻了43%，但抗扭强度却更高。在整个车架的材料中，铝板占了六成，铸铝部分占22%，其余的18%是拉展成型的铝件。为了焊接这些组件，采用了激光焊接，焊接总长度达到30m，车架的大部分组件以高强度铝合金制造，而且多数属于大面积组件，但是生产成本仍然高昂，而且车身撞击受损后，也缺乏大规模的维修服务网支援。

传统的轿车车身是一种薄壳体，所用钢板已经很薄。由于钢的密度远远超过铝和塑料，因此从竞争角度出发，还需继续减薄和降低质量。为此，车身用钢的发展方向一个是提高强度以满足减薄要求，另一个是提高延展性，以改善零件形状和可使几个零件组合成单一的大件以减轻质量，第三是提高抗蚀性，配合减薄并延长车身寿命，还要在采用这些新材料基础上，改善结构设计和制造成型技术。正是在这样的激烈竞争背景下和新钢材、新工艺、新设计逐步成熟的基础上，全世界主要钢铁巨头联合起来，在20世纪90年代初期共同出资，并委托一家有汽车业背景的保时捷公司执行，组成了“轿车特轻钢质车身”联合体，开发独特创意的全钢轿车白车身。该车身按四门五座中级轿车设计试制，其质量与奔驰、宝马、福特、通用、丰田、本田等30多种轿车的白车身平均质量相比，要求有大幅度的下降，同时还不能在舒适性和刚性方面有所妥协，并要满足严格的碰撞安全标准，还必须造价低廉和具有良好的工艺性。由于采用了先进钢材和制备工艺，并融合于新车身设计中，已获得成功。与其他传统轿车白车身的平均质量相比，新开发出的白车身的质量减轻了24%，但其抗扭刚度提高了65%，抗弯刚度提高了5%，振动频率也有很大改善，碰撞安全性提高，而成本却下降了14%。

不同种类的汽车对材料的需求是不同的，一般来说，轿车用铸铁和铸钢件较少，它们大多被铸铝件取代，因而相对来说轿车使用有色金属是比较多的。汽车所用的材料，由于节省能源、节省资源、轻量化的需要而有所变化，新材料相继被推出、应用。在比较成熟的金属材料中，钢铁材料和轻金属材料也出现了新的发展趋势。