車身輕量化的思路及途徑——輕量化材料的應用（一）

作者：北京現代汽車有限公司滄州分公司

慕溫周、楊人傑、羅艷路、張劍、呂順、朱珍厚（韓）

車身輕量化對減少尾氣排放、提高燃油效率和車輛安全性意義重大。

汽車輕量化發展主要有三個方向：

除了第一項「新型材料」，後面兩項是什麼呢？敬請期待明天的內容

今天小編先從輕量化材料應用為大家梳理

輕量化材料的應用

1. 高強度鋼

高強度鋼的分類和定義國內外尚無統一的定義和分類方法，一般按照強度劃分和強化機理劃分。車身輕量化實現的總體思路及途徑如圖 1 所示，將屈服強度小於 210 MPa 的鋼稱為「軟鋼」，210 ～ 550 MPa 之間的稱為「高強度」鋼，高於 550 MPa 的稱為「超高強度鋼」。

高強度鋼的價格相對較低，具有較高的結構強度、優越的碰撞吸能性和抗疲勞強度，且衝壓成形性、焊接性和可塗裝性優良，關鍵是能夠利用現有汽車生產線生產從而節約設備投資，所以在現階段，高強度鋼是車身減重的首選材料。

如圖 2 的例子所示，車身上高強度鋼多用於車身側圍板、頂蓋、發動機罩和車門板等覆蓋件上，其中影響車身整體強度的車身框架部分又多選用超高強度鋼，如保險杠、底板梁和頂蓋橫樑等。

2. 鋁合金材料

鋁合金材料密度是鋼的 1/3，吸能性是鋼的 2倍，在碰撞安全性方面有明顯優勢，且鋁的可回收性和耐腐蝕性較好，是最常見的車身用輕金屬材料。雖然鋁材的彈性模量較低，但它有很好的擠壓性，能夠得到複雜界面從而從結構上補償部件的剛度，因此在滿足剛性和強度等多方面力學性能的前提下，能夠大大降低材料消耗和製件的質量，進而實現車身輕量化、提高整車燃油效率。

目前階段，鋁合金在車身上多應用於發動機罩內外板上，如長城汽車某車型的零部件，通過應用鋁合金材料並優化結構設計，實現了部件整體減重 50% 以上的目標（如表所示）。

由於鋁合金具有上述優良特性，自 20 世紀 70年代石油危機以來，歐美日等汽車大國就開始在量產車上應用鋁合金，如鋁合金機罩、行李箱蓋、翼子板、保險杠、車廂地板和散熱器框架等，隨著鋁合金加工工藝和裝配工藝日漸成熟，奧迪 A8和捷豹路虎 XJ 系列車型甚至實現了全鋁車身的設計和製造（見圖 3），實現了車身減重 40% 以上的效果。

3. 鎂合金材料

鎂的密度是 1.74 kg/m3，是鋁的 2/3，且鎂合金材料吸振性好，生產模具壽命高、尺寸穩定，作為輕量化材料應該更合適，但鎂的化學活性高，加工過程中容易發生燃燒和爆炸，存在安全生產問題，且耐腐蝕性、蠕變強度和再生技術不如鋁，所以現階段相比於鋁合金，鎂合金的研究和發展很不充分，只應用於個別車型的發動機罩蓋、轉向盤、座椅支架、車內門板和變速器外殼等方面。圖 4 所示的奇瑞 L11 車型鎂合金轉向盤，相比傳統鋼材質減重 0.83 kg。

4. 工程塑料和複合材料

現代汽車為節約資源、滿足輕量化、防腐蝕、低成本和美觀等要求，材料方面正在大量採用非金屬材料，目前主要有工程塑料和複合材料。

汽車上的工程塑料主要有PP、PE、PVC、ABS 和 PA 等，這些工程塑料具有密度小、成形性好、耐腐蝕、防振和隔音隔熱等優良特性的同時，又具有金屬鋼板不具備的外觀（顏色、光澤）和觸感，所以在汽車上應用廣泛，例如，前後保險杠、儀錶板、前後車燈、後備箱蓋、翼子板及眾多內外飾件等。

複合材料是指兩種或兩種以上物理性質和化學性質不同的物質結合起來而製成的一種多相固體材料，通常由增強材料和基體材料複合而成，其中增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維和高分子材料。複合材料具有很多金屬材料無法比擬的優點，例如，防鏽、隔熱、隔音、保護人體、密度小、強度高以及抗疲勞度大等特點。

近年來複合材料主要應用於前端托架、儀錶板骨架、電池托架、懸架和車架等汽車結構件上，如高強度有機纖維增強複合材料有很高的機械強度，能代替鋼架材料從而減輕車身質量；碳纖維增強複合材料能夠代替鋼板彈簧運用於懸架系統。如圖 5 所示，奧迪 A8 行李箱隔艙隔板採用碳纖維材質，質量僅 2.6 kg，卻能夠將後部車身剛性強度提高 30%。

未完待續，敬請期待

明日：車身輕量化的思路及途徑——輕量化結構設計（二）

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