鋼板厚不一定強度大，車輕反而更安全！詳解汽車輕量化技術

06-26

輕量化是汽車工業當前遇到重要挑戰，許多主機廠商都對該命題展開了巨大的研發投入，雖已經取得了非常大的成就，相比五、六十年前的汽車，當前的汽車平均重量已經下降了50%，但輕量化依然還有很大可以深挖的餘地……

?在國家部委聯合發布的《中國製造2025》中，已把輕量化當成汽車產業發展的重要方向，當節能減排成為當前汽車工業面對的必然要求時，汽車輕量化對於節省能源和保護環境都有著非常重要的意義。接下來就為大家介紹汽車輕量化的相關內容，以及汽車輕量化的途徑方法，解析汽車輕量化與安全性之間的影響。

?什麼是汽車輕量化？輕量化係數又是什麼？

汽車輕量化並不是一味地降低質量或門板厚度，與「減重」的概念並不能簡單等同。汽車輕量化是在完善或改進汽車綜合性能的基礎上，儘可能地降低車身重量，達到質量降低、結構優化、安全性能提高和成本降低這四者有機結合的目標。根據相關研究表明，汽車75%的油耗都與其質量有關，比如滾動阻力、加速阻力和梯度阻力等，汽車整備質量每下降10%，油耗即可下降6-8%，排放下降4%；車輛質量降低100KG，百公里油耗即可降低0.3-0.6L。因此，汽車質量越大，燃油經濟性就表現的越差。

?隨著材料科技和製造工藝的進步，汽車輕量化的趨勢也越來越明顯。汽車工業為了研究汽車的輕量化水平，還提出了汽車輕量化係數指標來進行衡量：汽車輕量化係數L=白車身（無門蓋、無前後風擋玻璃）質量×1000/（車身扭轉剛度×四輪間正投影面積），該係數越小，表示車輛輕量化水平越高。因此，汽車輕量化的途徑就主要有以下內容構成（途徑一與白車身質量有關，途徑二和途徑三與車身扭轉剛度有關）：

途徑一：採用輕質複合和高強度材料

?汽車輕量化常採用的新型材料包括：輕金屬材料和非金屬材料（陶瓷、碳纖維、工程塑料等），在輕金屬材料中，鋁合金是目前輕量化材料中應用最多，也是最成熟的材料，它的密度只有鋼的三分之一，抗衝擊性能好、耐腐蝕，減重效果明顯，可廣泛應用於車身、底盤和發動機等部件上；鎂合金具備密度小、比強度高、比彈性模量大等優點，相比鋁合金減重效果還要高15-20%，目前在汽車輪轂、進氣歧管、離合器、傳動外殼、齒輪箱等應用較多，在航天領域應用更廣泛；此外，航空領域昂貴的鈦合金也在汽車工業中也有少量應用。

?在非金屬材料中，碳纖維具備非常低的密度（比鋁合金強2-4倍減重效果），拉伸強度是鋼的7-9倍，還具有耐腐蝕、高模量特性，同樣限於成本原因，在風力發電和航空航天領域應用非常普遍，如今在汽車領域也逐漸開始普及，如例如寶馬i8、i3等車型上碳纖維複合增強材料的比例已佔60%， i8的輕量化係數已經達到0.99，i3也已經達到1.26，輕量化效果非常明顯。

?工程塑料如PP、PUR、PVC、ABS、PE等等也在汽車上得到了廣泛的應用。此外，還有精細陶瓷、玻璃增強材料、紡織複合材料、高強度結構發泡材料等等。

?高強度材料則是在傳統鋼材上繼續挖掘潛能，性能卻更加優越（部分材料的屈服強度可超過1000Mpa），如高強度鋼板、熱衝壓成型鋼、高強度鑄鐵等，成本相比普通鋼材有所增加，但是相較之上述輕質複合材料而言還是顯得便宜得多。高強度鋼材在汽車底盤橫樑加強板、懸架支架、發動機支架等地方應用非常廣泛。

當然了，鋼材並沒有全部敗給輕合金陣營，值得注意的是，奧迪全新A8就逆潮流而動，「拋棄」了堅持了二十餘年的全鋁合金車身。全新A8內部40%的車身結構件將使用鋼鐵，17%車身結構件將由熱成形用鋼（PHS），屈服強度高達1500Mpa，相比全鋁合金車身強度更高，「相對」輕量化程度更好，雖然相比上一代車型增重了51KG，但車身剛度增強，安全性大幅增強，同時也大幅降低了成本，為汽車輕量化的方向提出了新的解決方案。

?目前輕量化材質主要面對的問題確實是應對製造成本升高的挑戰，這些高科技材料只有通過技術進步或規模效應來降低成本，才能使得它們從專業級賽車、超跑、豪華車型陣營下放到經濟車型中來。

途徑二：車身結構優化設計和計算機輔助集成（CAX）

?車身結構優化設計可以很好地解決因上述新材料所帶來的成本問題，在保證碰撞安全和操控穩定性的基礎上，通過結構優化設計（如傳力路徑的優化，環形迴路設計提升剛性）、拓撲優化等，來達到在相同的材質基礎上提升受力性能。

?當前，汽車設計工程師還會通過計算機系統進行CAD和CAE進行輔助分析和優化等，與結構優化一起結合，保證汽車的綜合性能。此外，提高汽車零件總成水平，減少零件數量和體積，按工況優化零部件的形狀，提高組件集成化程度等也可以達到優化的目的。

途徑三：輕量化製造工藝技術

?汽車輕量化製造工藝技術包括了新的材料成型方法和連接技術，比如激光焊接、液壓成型、半固態鑄造技術、噴射成型技術等，這些技術可以大幅度減少零部件數量、提高車身質量穩定性、提高結構可靠性，在高強度負荷下可以保持強度均衡。不過這些技術都會導致整個生產線技術的更迭，對於規模較小的汽車企業來說，製造成本壓力將非常大。

汽車輕量化反而有助於提升安全性

?汽車碰撞安全性能並不能簡單地通過車重來衡量，有人列舉坦克撞轎車的例子有失偏頗，但即便是坦克高速行駛時發生碰撞，內部人員同樣也會受到巨大的傷害。對於該問題，其實要去追究汽車本身安全設計的碰撞吸能結構、高強度材料和受力載荷傳遞等內容是否優秀，碰撞後乘員艙的完整程度等，其實都與汽車重量的大小沒有直接關係，國內外各大安全碰撞測試機構都有大量的數據來驗證，有些網友到現在還在根據鋼板的厚度來判斷汽車安全，那可真是典型的鍵盤俠了。輕量化並不是簡單地減重，而是匯聚了目前汽車工業最頂尖的製造科技和工藝，安全性一定能夠得到更好的保證。

?而反過來在汽車制動方面，由於輕量化所致汽車質量降低，在相同速度減速時，減速系統所消耗的能量就會降低，相同的制動器條件下，制動效果就更大，制動距離也會縮短，制動性能則有明顯的提升，因此，汽車在輕量化之後，主動安全性能反而會得到提升。

結語

到底如何看待以上的這些輕量化的問題？輕量化並不難做到，而做到車輛的性能、安全、成本和重量四者之間的平衡才是我們需要去追求的，這四者只兼顧一方並不算是高明，而是四者做到和諧統一才是最高的境界。鋁合金、鎂合金等高科技材料的應用必然受到高昂的成本阻隔，但是在整車輕量化的大趨勢面前，相信汽車工程師們一定能找到更加完美的解決方案。

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