论文部分内容阅读
摘 要：汽车的轻量化是指通过优化汽车结构和材料、生产工艺模块化等途径，在保证汽车成品质量的同时降低车身质量。它能在提供高安全性的同时有效减少能耗，提升经济性和稳定性。而中国实现轻量化的途径可通过联合新能源汽车共同开发、技术共享和政府扶持等方式来实现。
关键词：汽车；轻量化；材料
0 引言
汽车轻量化是汽车产业在21世纪的发展大趋势。它是在保证汽车安全性和质量的同时，采用轻型材料或改进型生产工艺，以降低整车的质量。在目前工业4.0时代和环境污染的双重背景下，它也是降低能耗、减少环境污染的有效措施之一。中国是汽车保有量大国，数据统计，截止2014年底，中国的汽车保有量达到1.54亿辆，这一数字比10年前翻了一番，开展汽车产业的节能减排措施刻不容缓。
文章主要阐述了汽车轻量化的相关背景和概念，重点分析了汽车轻量化的实现途径、意义及相关特色工艺，提出了当今汽车轻量化趋势中存在的问题。最后也结合中国目前汽车轻量化工艺现状，对未来作出了展望。
1 汽车轻量化的历史与发展
顾名思义，物体的轻量化是指通过相关技术来降低其质量。这一概念最早可追溯到20世纪20年代的赛车运动，当时的Auto Union（现在的奥迪）联合其他几家汽车公司，通过采用轻量化技术、空气动力学理念和高性能发动机，合力建造了世界上第一辆速度超过400km/h的赛车，轰动了世界。此后，随着越来越多优质材料的发现和生产工艺的进步，这一概念不再局限于赛车领域，逐渐被广泛应用到整个汽车行业以及飞行器材行业。
数据统计，20世纪80年代，中小型汽车的驾驶室平均质量为1500kg，而这一数字在90年代末降低了18%，为1230kg。而如今，这一数字普遍在1100kg附近。汽车的轻量化一般采用轻型高强度材料和先进生产工艺，使得现在的汽车体积更小，外观更加流线化，因此，从这个层面上来说，汽车的轻量化可以作如下定义——在不降低汽车成品质量的同时减少车身质量。
2 汽车轻量化的意义
目前全球社会正处于工业4.0时代的开端，制造业的宗旨主要以“智能生产”、“智能物流”为主，汽车轻量化的实施正是基于这样一个大背景，它寻求的是车身智能化、去繁琐化，从而达到智能生产、节能生产、高质量生产。
首先，汽车轻量化能显著降低油耗，节约能源。数据显示，汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽车整体质量每减少100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L[1]。油耗降低也使车辆续航能力得到提升，相比于近期的热点新能源汽车，轻量化汽车的优势不言而喻。
其次，轻量化之后的汽车安全系数也能得到保证。这里的安全性体现在两个方面，第一，减少的车重意味着汽车重心的降低，这能提升驾驶稳定性，且还可根据车主需求，另行添加雷达等相关安全设备。第二，车体自身携带的动能和惯性均随着整车质量的减少而减少。一旦有碰撞发生时，需要汽车缓冲区吸收的动能也就减少了。在碰撞事故中导致车内乘员受伤的主要原因就是动能没有被车体吸收而是要由车内乘员共同吸收。所以安全的车，在同等速度碰撞时应该是所带动能尽可能少，而车身吸收的动能尽可能多，而轻量化后的车身更易吸能溃缩，从而保证车内人员安全。当然，这里排除了野蛮驾驶、超速驾驶等本身就具有高风险性的违法行为，仅讨论普通驾驶条件下的安全性。
值得一提的是，汽车轻量化对环境保护带来的效益也是不可估量的。耗油量的下降，轻质环保材料的选取都能降低碳排放和尾气排放。在近期召开的巴黎气候大会上，各国达成了全球平均气温较工业化前水平升高幅度控制在2℃之内的目标。汽车轻量化的实施在一定程度上有助于该目标的实现。
很多人对汽车轻量化存在一定偏见，认为汽车轻量化会导致安全性等系数的降低。但其实，如果片面的追求所谓的安全性，那坦克的安全性要远远高于汽车。事实上，整个工业社会趋势即是轻量化。以飞机为例，当代的飞机比20世纪的飞机更为轻巧，20世纪60年代的波音747客机空重达174000kg，而如今一架体积近似的波音787“梦想客机”空重只有110000kg，质量减轻了36.78%。更轻的飞机意味着更加经济，波音747的每座百公里油耗是3.1L，而最新的波音787每座百公里油耗只有2.4L，减少了22.58%。而且当代的飞机单位承载量也比20世纪的飞机有显著提高，安全系数却并没有受到影响，反而高了几个数量级。这说明，“健康发展”的轻量化并不会带来安全隐患，相反，它会倒逼汽车制造技术的更新换代。
3 汽车轻量化的实现途径
一般而言，汽车轻量化可以从以下几个角度开展：
3.1 采用轻型材料
这一点对轻量化的帮助是最为直观的。常用的轻量化材料可以分为非金属材料和金属材料。其中，非金属主要为碳纤材料、高性能塑料；后者主要为高强钢、各类合金。上表1为美国能源部对各类轻型材料的减重效果的实测数据及材料的优缺点[2]：
从表1可以看出，碳纤复合材和镁合金的减重效果相对较高，但大部分材料都存在自身局限性，且由于各種材料的应用范围和成本各不相同，因此无法具体比较优劣。这里介绍在汽车轻量化应用中的一种新型材料——塑料。众所周知，塑料具有密度小，重量轻的特点，其比重只有钢铁的七分之一。以它为基础制成的复合材料，强度和抗腐蚀性会大大提升，且有一定的绝热效果。因此，将其用于汽车材料尤其是内饰中，能有效降低车身重量。根据马鸣图的研究，塑料复合材料在汽车中的典型构件有发动机的进气歧管、车内的把手、发动机油底壳、发动机盖板等[3]。而在混合动力车上，塑料复合材料还可作为电池支架。而针对塑料材料弹性较差的特点，国外专家向PP塑料中加入一定的橡胶弹性体，极大改善了这一问题。
3.2 制造工艺先进化
一个现代化、自动化的生产工艺能避免多余步骤和工序，避免人力和物力资源的浪费。总的来说，在汽车行业里，制造工艺的先进化体现在模块化生产、智能化生产。在汽车制造时应采用先进制造工艺激光焊接、搅拌摩擦焊、液压成型、热处理、锁锚连接等。以液压成型为例，它是把待加工的组件放入模具中，将液体引入模具内并增加液体压力，从而使材料变形，最终成为所需形状。这种工艺能减少零部件数量，在国外汽车制造工艺中较为常见[4]。 此外，汽车轻量化也可以参考并结合新能源汽车的先进工艺，采用“轻量化+新能源”、“轻量化+3D打印”或是“轻量化+石墨烯”的联合开发技术，这样的技术共享手段有“1+1>2”的效果。巴斯夫在“巴斯夫科技创新汇全球巡展亚洲站”展出的一款Smart Vision电动概念车，其发动机底盘悬架系统、车身系统和内外饰中应用了工程塑料、高性能聚氨酯、特殊功能性泡沫等多项创新产品，使其重量较同款车型轻了三分之一，这意味着同样的电力支持下，这辆车可以多跑20%的路[5]。这是联合开发的典型正面案例。
3.3 汽车结构优化
在生产时使用计算机辅助集成技术来对对原本分散加工的零部件进行辅助集成，模拟这些零件的整体加工工艺；使用CAD等技术仿真模拟行车、碰撞等安全性能实验；使用CAE技术分析汽车的运动干涉。这些都能优化工艺程序，实现轻量化。
3.4 汽车材料回收
在上述提到的汽车新型材料中，相当部分的合金材料具有很高的回收价值，而与此同时，这些材料的制作周期长，成本高。因此，对这些材料的回收加工再利用，在某种程度上也能体现汽车轻量化。
3.5 政府与企业联动
政府在汽车轻量化中也应扮演引导者的角色。政策扶持、资金补贴、人才辅导引进等方式都能有效加快轻量化的进程。当然，轻量化绝不意味着偷工减料，有关部门应建立相关法律条例，明确轻量化的范畴，对于不符合轻量化标准的汽车，也应责令厂家召回。
4 汽车轻量化的前景展望
虽然汽车轻量化是大势所趋，但不可否认的是，它对于国内汽车工业而言仍是新兴事物。相比国外，我国汽车轻量化才刚刚起步。数据显示，目前中国每辆汽车平均消耗汽油（柴油）2.15t/年，远高于欧盟的1.5t/年、日本的1.1t/年，中国车用燃油占燃油总消耗量近55%，而石油的进口依赖度超过55%，已经高于美国，能源安全问题压力巨大[6]。因此，在发展中难免会遇到很多阻碍和限制。目前，国内在汽车轻量化发展上最大的困难仍旧在于技术，由于没有掌握核心技术，对于轻量化零部件只能靠进口等方式进行，这无形之间增加了成本，减缓了轻量化进程。另外国产钢材在满足汽车用钢的强度和耐性方面，其深冲性和强塑性还不到位[7]。归根结底，汽车轻量化受到的关注度和重视程度仍显不足。
针对这些问题，可以从多角度探寻解决方案。第一，政府应做到正确引导、超前部署。这里的引导不仅仅是从资金和法律扶持角度而言，更应该在大学汽车类专业中开展相关课程，培养专业性人才。掌握了关键技术后，汽车轻量化将会有突飞猛进的发展。第二，汽车厂商在生产时也应淘汰现有旧工艺，勇于尝试新材料，不能故步自封。事实上早在2008年，中国汽车轻量化产业创新联盟就已经建立，但是其作用相对有限，无法起到实质性的效果[8]。最后，消費者也应通过各种渠道去熟悉汽车轻量化这一概念，排除认知上的误区。通过政府—厂家—消费者的良性合作联动，汽车轻量化在中国的未来一定是光明的。
5 结论
汽车轻量化通过改进生产工艺、采用轻型材料等手段，在保证汽车性能的同时减轻其重量，以达到高效、节能环保的特点。这一理念在中国刚刚起步，存在一定发展瓶颈，需要通过多方合作，以改变现状。
参考文献
[1]范军锋，陈铭.中国汽车轻量化之路初探[J].铸造，2006，55（10）：995-998.
[2]陈一龙.我们需要什么样的轻量化？[J].能源评论，2012，（6）：86-88.
[3]马鸣图，易红亮，路洪洲，等.论汽车轻量化[J].中国工程科学，2009，11（9）：20-27.
[4]韩英淳，于多年，马若丁.汽车轻量化中的管材液压成形技术[J].汽车工艺与材料，2003，（8）：23-27.
[5]朱海霞.化学推动可持续发展的未来 巴斯夫科技创新汇巡展上海站观感记[J].汽车与配件，2012，（46）：34-35.
[6]文岩.油耗限值压力倒逼汽车轻量化[N].工人日报，2015-06-10（08）.
[7]康永林.汽车轻量化先进高强钢与节能减排[J].钢铁，2008，43（6）：1-7.
[8]高振华.轻量化：一个不轻松的话题[J].汽车观察，2015，（2）：21.
关键词：汽车；轻量化；材料
0 引言
汽车轻量化是汽车产业在21世纪的发展大趋势。它是在保证汽车安全性和质量的同时，采用轻型材料或改进型生产工艺，以降低整车的质量。在目前工业4.0时代和环境污染的双重背景下，它也是降低能耗、减少环境污染的有效措施之一。中国是汽车保有量大国，数据统计，截止2014年底，中国的汽车保有量达到1.54亿辆，这一数字比10年前翻了一番，开展汽车产业的节能减排措施刻不容缓。
文章主要阐述了汽车轻量化的相关背景和概念，重点分析了汽车轻量化的实现途径、意义及相关特色工艺，提出了当今汽车轻量化趋势中存在的问题。最后也结合中国目前汽车轻量化工艺现状，对未来作出了展望。
1 汽车轻量化的历史与发展
顾名思义，物体的轻量化是指通过相关技术来降低其质量。这一概念最早可追溯到20世纪20年代的赛车运动，当时的Auto Union（现在的奥迪）联合其他几家汽车公司，通过采用轻量化技术、空气动力学理念和高性能发动机，合力建造了世界上第一辆速度超过400km/h的赛车，轰动了世界。此后，随着越来越多优质材料的发现和生产工艺的进步，这一概念不再局限于赛车领域，逐渐被广泛应用到整个汽车行业以及飞行器材行业。
数据统计，20世纪80年代，中小型汽车的驾驶室平均质量为1500kg，而这一数字在90年代末降低了18%，为1230kg。而如今，这一数字普遍在1100kg附近。汽车的轻量化一般采用轻型高强度材料和先进生产工艺，使得现在的汽车体积更小，外观更加流线化，因此，从这个层面上来说，汽车的轻量化可以作如下定义——在不降低汽车成品质量的同时减少车身质量。
2 汽车轻量化的意义
目前全球社会正处于工业4.0时代的开端，制造业的宗旨主要以“智能生产”、“智能物流”为主，汽车轻量化的实施正是基于这样一个大背景，它寻求的是车身智能化、去繁琐化，从而达到智能生产、节能生产、高质量生产。
首先，汽车轻量化能显著降低油耗，节约能源。数据显示，汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽车整体质量每减少100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L[1]。油耗降低也使车辆续航能力得到提升，相比于近期的热点新能源汽车，轻量化汽车的优势不言而喻。
其次，轻量化之后的汽车安全系数也能得到保证。这里的安全性体现在两个方面，第一，减少的车重意味着汽车重心的降低，这能提升驾驶稳定性，且还可根据车主需求，另行添加雷达等相关安全设备。第二，车体自身携带的动能和惯性均随着整车质量的减少而减少。一旦有碰撞发生时，需要汽车缓冲区吸收的动能也就减少了。在碰撞事故中导致车内乘员受伤的主要原因就是动能没有被车体吸收而是要由车内乘员共同吸收。所以安全的车，在同等速度碰撞时应该是所带动能尽可能少，而车身吸收的动能尽可能多，而轻量化后的车身更易吸能溃缩，从而保证车内人员安全。当然，这里排除了野蛮驾驶、超速驾驶等本身就具有高风险性的违法行为，仅讨论普通驾驶条件下的安全性。
值得一提的是，汽车轻量化对环境保护带来的效益也是不可估量的。耗油量的下降，轻质环保材料的选取都能降低碳排放和尾气排放。在近期召开的巴黎气候大会上，各国达成了全球平均气温较工业化前水平升高幅度控制在2℃之内的目标。汽车轻量化的实施在一定程度上有助于该目标的实现。
很多人对汽车轻量化存在一定偏见，认为汽车轻量化会导致安全性等系数的降低。但其实，如果片面的追求所谓的安全性，那坦克的安全性要远远高于汽车。事实上，整个工业社会趋势即是轻量化。以飞机为例，当代的飞机比20世纪的飞机更为轻巧，20世纪60年代的波音747客机空重达174000kg，而如今一架体积近似的波音787“梦想客机”空重只有110000kg，质量减轻了36.78%。更轻的飞机意味着更加经济，波音747的每座百公里油耗是3.1L，而最新的波音787每座百公里油耗只有2.4L，减少了22.58%。而且当代的飞机单位承载量也比20世纪的飞机有显著提高，安全系数却并没有受到影响，反而高了几个数量级。这说明，“健康发展”的轻量化并不会带来安全隐患，相反，它会倒逼汽车制造技术的更新换代。
3 汽车轻量化的实现途径
一般而言，汽车轻量化可以从以下几个角度开展：
3.1 采用轻型材料
这一点对轻量化的帮助是最为直观的。常用的轻量化材料可以分为非金属材料和金属材料。其中，非金属主要为碳纤材料、高性能塑料；后者主要为高强钢、各类合金。上表1为美国能源部对各类轻型材料的减重效果的实测数据及材料的优缺点[2]：
从表1可以看出，碳纤复合材和镁合金的减重效果相对较高，但大部分材料都存在自身局限性，且由于各種材料的应用范围和成本各不相同，因此无法具体比较优劣。这里介绍在汽车轻量化应用中的一种新型材料——塑料。众所周知，塑料具有密度小，重量轻的特点，其比重只有钢铁的七分之一。以它为基础制成的复合材料，强度和抗腐蚀性会大大提升，且有一定的绝热效果。因此，将其用于汽车材料尤其是内饰中，能有效降低车身重量。根据马鸣图的研究，塑料复合材料在汽车中的典型构件有发动机的进气歧管、车内的把手、发动机油底壳、发动机盖板等[3]。而在混合动力车上，塑料复合材料还可作为电池支架。而针对塑料材料弹性较差的特点，国外专家向PP塑料中加入一定的橡胶弹性体，极大改善了这一问题。
3.2 制造工艺先进化
一个现代化、自动化的生产工艺能避免多余步骤和工序，避免人力和物力资源的浪费。总的来说，在汽车行业里，制造工艺的先进化体现在模块化生产、智能化生产。在汽车制造时应采用先进制造工艺激光焊接、搅拌摩擦焊、液压成型、热处理、锁锚连接等。以液压成型为例，它是把待加工的组件放入模具中，将液体引入模具内并增加液体压力，从而使材料变形，最终成为所需形状。这种工艺能减少零部件数量，在国外汽车制造工艺中较为常见[4]。 此外，汽车轻量化也可以参考并结合新能源汽车的先进工艺，采用“轻量化+新能源”、“轻量化+3D打印”或是“轻量化+石墨烯”的联合开发技术，这样的技术共享手段有“1+1>2”的效果。巴斯夫在“巴斯夫科技创新汇全球巡展亚洲站”展出的一款Smart Vision电动概念车，其发动机底盘悬架系统、车身系统和内外饰中应用了工程塑料、高性能聚氨酯、特殊功能性泡沫等多项创新产品，使其重量较同款车型轻了三分之一，这意味着同样的电力支持下，这辆车可以多跑20%的路[5]。这是联合开发的典型正面案例。
3.3 汽车结构优化
在生产时使用计算机辅助集成技术来对对原本分散加工的零部件进行辅助集成，模拟这些零件的整体加工工艺；使用CAD等技术仿真模拟行车、碰撞等安全性能实验；使用CAE技术分析汽车的运动干涉。这些都能优化工艺程序，实现轻量化。
3.4 汽车材料回收
在上述提到的汽车新型材料中，相当部分的合金材料具有很高的回收价值，而与此同时，这些材料的制作周期长，成本高。因此，对这些材料的回收加工再利用，在某种程度上也能体现汽车轻量化。
3.5 政府与企业联动
政府在汽车轻量化中也应扮演引导者的角色。政策扶持、资金补贴、人才辅导引进等方式都能有效加快轻量化的进程。当然，轻量化绝不意味着偷工减料，有关部门应建立相关法律条例，明确轻量化的范畴，对于不符合轻量化标准的汽车，也应责令厂家召回。
4 汽车轻量化的前景展望
虽然汽车轻量化是大势所趋，但不可否认的是，它对于国内汽车工业而言仍是新兴事物。相比国外，我国汽车轻量化才刚刚起步。数据显示，目前中国每辆汽车平均消耗汽油（柴油）2.15t/年，远高于欧盟的1.5t/年、日本的1.1t/年，中国车用燃油占燃油总消耗量近55%，而石油的进口依赖度超过55%，已经高于美国，能源安全问题压力巨大[6]。因此，在发展中难免会遇到很多阻碍和限制。目前，国内在汽车轻量化发展上最大的困难仍旧在于技术，由于没有掌握核心技术，对于轻量化零部件只能靠进口等方式进行，这无形之间增加了成本，减缓了轻量化进程。另外国产钢材在满足汽车用钢的强度和耐性方面，其深冲性和强塑性还不到位[7]。归根结底，汽车轻量化受到的关注度和重视程度仍显不足。
针对这些问题，可以从多角度探寻解决方案。第一，政府应做到正确引导、超前部署。这里的引导不仅仅是从资金和法律扶持角度而言，更应该在大学汽车类专业中开展相关课程，培养专业性人才。掌握了关键技术后，汽车轻量化将会有突飞猛进的发展。第二，汽车厂商在生产时也应淘汰现有旧工艺，勇于尝试新材料，不能故步自封。事实上早在2008年，中国汽车轻量化产业创新联盟就已经建立，但是其作用相对有限，无法起到实质性的效果[8]。最后，消費者也应通过各种渠道去熟悉汽车轻量化这一概念，排除认知上的误区。通过政府—厂家—消费者的良性合作联动，汽车轻量化在中国的未来一定是光明的。
5 结论
汽车轻量化通过改进生产工艺、采用轻型材料等手段，在保证汽车性能的同时减轻其重量，以达到高效、节能环保的特点。这一理念在中国刚刚起步，存在一定发展瓶颈，需要通过多方合作，以改变现状。
参考文献
[1]范军锋，陈铭.中国汽车轻量化之路初探[J].铸造，2006，55（10）：995-998.
[2]陈一龙.我们需要什么样的轻量化？[J].能源评论，2012，（6）：86-88.
[3]马鸣图，易红亮，路洪洲，等.论汽车轻量化[J].中国工程科学，2009，11（9）：20-27.
[4]韩英淳，于多年，马若丁.汽车轻量化中的管材液压成形技术[J].汽车工艺与材料，2003，（8）：23-27.
[5]朱海霞.化学推动可持续发展的未来 巴斯夫科技创新汇巡展上海站观感记[J].汽车与配件，2012，（46）：34-35.
[6]文岩.油耗限值压力倒逼汽车轻量化[N].工人日报，2015-06-10（08）.
[7]康永林.汽车轻量化先进高强钢与节能减排[J].钢铁，2008，43（6）：1-7.
[8]高振华.轻量化：一个不轻松的话题[J].汽车观察，2015，（2）：21.