1.3 汽车轻量化趋势

1.3.1 轻量化材料

降低车辆的平均质量可以通过设计开发更小的车型、优化车身设计和使用轻质材料来实现。尽管自第一次石油危机之后乘用车平均质量有了一定程度的降低，然而近几十年随着各种法规的不断完善以及用户对汽车可操作性、舒适性的更高要求，汽车的平均质量实际上在不断增加。图1-11所示为1975年后汽车平均质量的变化趋势，很明显汽车轻量化还有很长的路要走。

图1-11　1975年以来轻型车的平均质量

在满足对汽车性能、成本要求的前提下，采用轻量化材料替代传统材料是实现汽车轻量化的重要途径之一。目前常用的轻量化材料包括以先进高强钢和超高强钢为代表的各类钢材、铝合金、镁合金、工程塑料及复合材料等。

根据抗拉强度以及延伸率的不同，工业界将先进高强钢分为三代。第一代先进高强钢以铁素体为基体，包括双相钢、复相钢、TRIP钢和马氏体钢等。第一代先进高强钢的强度可以达到800MPa以上，然而其强度的提升是以牺牲塑性为代价的。第二代先进高强钢包括TWIP钢、奥氏体型不锈钢，它们在具有高强度的同时具有优异的塑性。但第二代先进高强钢中添加了较多贵金属，生产和使用成本较高，限制了其应用。目前，钢铁公司正致力于开发高强度、高塑性，同时成本较低的第三代先进高强钢，其在汽车结构设计中的应用也被提上了议事日程。本书第2章将对先进高强钢的基础知识、应用及发展前景进行具体介绍。

与汽车用钢铁材料相比，铝及其合金具有比强度高、耐蚀性能优良、适合多种成形方法、抗冲击性能好、较易再生利用等优点，轻量化效果十分显著。据统计，用铝合金代替传统的钢铁制造汽车，可以使整车质量减小30%~40%，用于制造发动机可减小30%的质量。近年来，铝合金的用量及其在汽车平均质量中所占的比重逐年上升，有机构预测到2020年，乘用车平均铝合金用量将达到394磅（1磅=0.45kg）。目前铝合金主要以铸造铝合金的形式用于发动机缸盖、缸体等部件，占铝合金总用量的80%以上；高性能铝合金板件目前还主要用于车身覆盖件，然而其在车身结构件中的应用有巨大的潜力；除此以外，铝合金挤压件、锻压件也有一定程度的应用。本书第3章将具体介绍铝合金在汽车工业中的相关应用。

与其他车用金属材料相比，镁合金密度更小、比强度和比刚度更高，使用镁合金零部件代替其他金属零部件可以显著降低汽车质量，提高燃油经济性。然而，综合成本是阻碍镁合金零部件大规模应用的一大因素。此外，镁合金原材料的产能远远落后于钢铁和铝合金。即便不考虑成本，镁合金目前还不具备在汽车工业上大规模应用的可能性。本书第4章将针对镁合金的应用进行介绍。

塑料具有密度小（平均密度只是铝的1/2）、比强度高（玻纤增强塑料可超过钢）等特点，使用轻量化工程塑料材料成为减小汽车质量的主要途径之一。20世纪90年代，发达国家汽车平均用塑料量为100~130kg/辆，占整车质量的7%~10%；2002年，发达国家汽车平均用塑料量达到300kg/辆以上，占整车质量的20%；预计到2020年，发达国家汽车平均用塑料量将达到500kg/辆以上。纵观汽车产业的发展历程，将塑料零部件应用在汽车中已经发展了很长一段时间。对于汽车用户而言，舒适性、环保性、低成本以及低油耗等要求是汽车工业对塑料零部件有较大需求量的主要原因，也为未来车用塑料的发展提供了方向。本书第5章将主要介绍各种塑料及其应用。

复合材料在汽车中应用的主要驱动力是减重和零部件集成化。目前，汽车中塑料和复合材料的平均用量约为8%，通常小尺寸节能车型中复合材料的使用比例比大尺寸车高，但后者的绝对质量更大。采用玻璃纤维增强复合材料作为结构件可减重20%~35%，而采用碳纤维复合材料的减重潜力为40%~65%。由于汽车轻量化的发展，汽车用复合材料的研究和开发受到了各公司的广泛关注。复合材料还兼具柔性设计、耐蚀、抗疲劳、力学性能优良等特点，这些优点已经为汽车工业界所认可。总体来说，复合材料目前主要用于次承力和非承力结构，其中大部分是玻璃纤维增强热固性复合材料。应用的部位主要是车体面板、悬架、转向机构、制动片和其他附件。但目前受限于材料成本高昂、生产率低下、可回收性等问题，复合材料产品在汽车中的大量应用还有待进一步的研究和开发。本书第6章将着重介绍复合材料的种类、性能及其在汽车中的应用现状及发展前景。