1、汽车轻量化汽车轻量化汽车轻量化汽车轻量化 英文名称：英文名称：Lightweight of Automobile 定义：汽车的轻量化定义：汽车的轻量化，就是在，就是在保证汽车的强度和安全性能的前保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。减少燃料消耗，降低排气污染。主要指导思想：在确保稳定提升主要指导思想：在确保稳定提升性能的基础上，节能化设计各总性能的基础上，节能化设计各总成零部件，持续优化车型谱。成零部件，持续优化车型谱。汽车轻量化不能以简单的减重多少来衡量，必须汽车
2、轻量化不能以简单的减重多少来衡量，必须与所设计车身的尺寸和功能相关与所设计车身的尺寸和功能相关 对于已有的功能可满足要求的汽车，轻量化的设对于已有的功能可满足要求的汽车，轻量化的设计是降低重量而保持原功能不变，其轻量化的效计是降低重量而保持原功能不变，其轻量化的效果是直接的减重；果是直接的减重；现有功能尚不能全部满足要求或需要提升的汽车，现有功能尚不能全部满足要求或需要提升的汽车，轻量化设计是完善功能而保持质量不变；轻量化设计是完善功能而保持质量不变；既要提高改进性能，同时也使汽车减重。既要提高改进性能，同时也使汽车减重。汽车轻量化设计实际上是功能改进汽车轻量化设计实际上是功能改进，质量降低，
3、质量降低，结构优化和合理价格的结合结构优化和合理价格的结合。汽车轻量化汽车轻量化汽车轻量化设计与整车性能之间关系汽车轻量化设计与整车性能之间关系注注：此统计数据来源于通用小轿车统计此统计数据来源于通用小轿车统计汽车轻量化对汽车技术的不断发展起到了重要作用汽车轻量化对汽车技术的不断发展起到了重要作用TaesCFbgubPQ/02.1/（1）降低油耗：）降低油耗：汽车行驶方程式为：F =Gf+Gsin+ma+CdAv/21.15 其中：F 为行驶阻力；G 为车重；f 为滚动阻力系数；为道路坡度；为汽车旋转质量换算系数；m为汽车质量；Cd 为风阻系数；A 为迎风面积；v 为车速。等速百公里燃油消耗量
4、：其中，C为常数；F为行驶阻力，F=Ft+Fw降低油耗降低油耗汽车行驶阻力越大，耗油越多。汽车行驶阻力包括滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力和空气阻力等四项，从上式可以看出，其中前三项均与车重成正比。经验数据显示，空气阻力约占行驶阻力的25。目前，减少这部分阻力的措施通常有：流线型车身、全粘接挡风玻璃、隐蔽式雨刮器、下地板全封装等。这些措施能将风阻系数降到0.3，但这已到瓶颈，其进一步减小的可能性只能寄希望于更为流畅低矮的车身。只是这样不仅需要巨大的技术与资金的投入，且不适用于要求空间宽敞的日常用车，因而应该将目光转移到其它的阻力因素上。而剩下的75，即滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力，从公式可以看出，
5、均与车重成正比。因此，减轻汽车质量，就成为减轻阻力从而节约燃油的重要措施。结果表明，轻量化对汽车节能减排具有重要意义 汽车自身质量对燃油消耗的影响 各类车型的燃油效率与车身自重的关系除空气动力学阻力之外除空气动力学阻力之外,车子运动的车子运动的各类阻力都和车子质量呈线性关系各类阻力都和车子质量呈线性关系诸多乘用车，车重减少诸多乘用车，车重减少 100 kg,每升油多行驶每升油多行驶 1 km降低油耗降低油耗降低油耗降低油耗 实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提6%8%，汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.30.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。当前，由于环保
6、和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。车重与燃油车重与燃油利用率利用率的关系的关系 油耗与油耗与CO2排放关系排放关系降低油耗是实现节能减排的有效手段降低油耗是实现节能减排的有效手段 研究表明,约 75%的油耗与整车质量有关,降低汽车质量就可有效降低油耗以及排放。目前,大量研究表明,汽车质量每下降 10%，油耗下降 8%,排放下降 4%。美国在欧洲全顺车的实验表明,在满足欧 标准条件下,每百公里油耗 Y与自重 X满足以下关系 Y=0.003X+3.3434(1)对商用车的研究表明,汽车质量每减少1 000 kg,油耗可降低6%7%。油耗的下降,意味着 CO2,氮氧化物(NOx)
7、等有害气体排放量的下降。据报道,在美国汽车质量如果减少 25%,燃油消耗按减少13%计,一年可节省 2.7亿桶石油,每消耗 1 L燃油,将产生 CO222.5 kg。因此燃油消耗的降低,就意味着温室气体和其他有害气体排放的下降。（2）改善性能(2）改善性能：汽车轻量化，有利于改善汽车的行驶、转向、加速、制动等运动性能和排气性能等多方面的性能。其中，发动机的轻量化还可改善前轮荷重分担率，进而改善汽车的操纵稳定性，还可为降低噪声、振动、实现大功率化创造条件。同时还有利于减轻部件振动和降低噪声，提高舒适性能，对于某些承载件，其承载的重量减轻，有利于降低元件疲劳，提高耐久性。例如一辆重量1543 kg
8、的汽车，若车重减轻25%，可使该车加速到60 km/h的时间从原来的10 秒减少到8 秒。改善动力性改善动力性汽车行驶方程式为汽车行驶方程式为：Ft=Ff+Fi+Fw+Fj 其中：Ft 为行驶阻力；Ff滚动阻力；Fj为加速阻力；Fi为坡道阻力；Fw为空气阻力。Ft Fw/G=+du/gdt令Ft Fw/G=D,D为汽车的动力因数，表示扣去空气阻力后单位车重得到的驱动力。动力因数越大，汽车的动力性越好。因此降低了汽车质量，相应动力因数增大，汽车的动力性增强。(3)波及效果波及效果(3）波及效果：汽车各部分的质量是相互关联的。例如，发动机质量的减轻，使有关底盘部分也 可以相应地减轻，即汽车整车减少
9、的质量将大于发动机减少的质量；又如，车身零部件的轻量化，使支承它的行驶系统（车架、车桥、车轮、悬架等）负荷减小，尺寸和质量即可适当减小，发动机和制动器也可相应减小、减轻。通常，当平衡系统中某个部位质量减少1 kg，给予整个系统的波及效果是质量减少K kg，称K 为增长因子，K 值因部位而异，汽车的K 值在1.5 2.0 之间。轻量化设计的基本思想轻量化设计的基本思想在不降低性能的前提下，通过结构的优化，先进的工艺及轻质的材料应用，同在不降低性能的前提下，通过结构的优化，先进的工艺及轻质的材料应用，同时兼顾性能，质量及成本三大因素，达到最优轻量化目的，实现经济效益最大时兼顾性能，质量及成本三大因
10、素，达到最优轻量化目的，实现经济效益最大化化。轻量化设计的步骤轻量化设计的步骤轻量化设计四部曲轻量化设计四部曲减少用户不必要的功能去除冗余结构结构优化新材料及新工艺使用以整车重量为管控目标，制定分解轻量化目标，基于成本及工艺考虑，以整车重量为管控目标，制定分解轻量化目标，基于成本及工艺考虑，采用轻量化设计四部曲的方法，对整车材料选择，结构优化及工艺实采用轻量化设计四部曲的方法，对整车材料选择，结构优化及工艺实施进行全方位的考虑实施。施进行全方位的考虑实施。轻量化设计方法轻量化设计方法面积和厚度减少面积和厚度减少通过通过CAE分析，优化设计，减少多余分析，优化设计，减少多余的面积和厚度是取得轻量
11、化设计的主的面积和厚度是取得轻量化设计的主要手段。要手段。功能减少或体积减少功能减少或体积减少形状和截面更改形状和截面更改底盘支架拓底盘支架拓扑优化扑优化转向节臂结转向节臂结构优化构优化座椅框架优座椅框架优化设计化设计车门结构优化车门结构优化材料更换材料更换新工艺的使用新工艺的使用 行业、企业、高校、院所联盟是推动行业、企业、高校、院所联盟是推动 汽车材料技术进步的有效组织形式汽车材料技术进步的有效组织形式l 美国的新一代汽车合作项目（美国的新一代汽车合作项目（PNGV）l 欧盟超轻车身联合研发项目欧盟超轻车身联合研发项目(ER Collaborative R&D Project-SuperL
12、IGHT-CAR)l 美国汽车材料合作项目美国汽车材料合作项目U.S.Automotive Materials Partnership（USAMP）l 新型钢车身项目新型钢车身项目New Steel Body（NBS）l 国际钢铁协会超轻钢汽车车身项目国际钢铁协会超轻钢汽车车身项目Ultralight Steel Auto Body（ULSA）l 世界各大铝业公司结成了汽车铝材联盟世界各大铝业公司结成了汽车铝材联盟 （Auto Aluminum Alliance）中国汽车轻量化产业技术联盟中国汽车轻量化产业技术联盟工作任务工作任务典型车型轻量化技术典型车型轻量化技术轻量化材料的共性技术研究轻量
13、化材料的共性技术研究汽车轻量化材料的开发和研究汽车轻量化材料的开发和研究 轻量化联盟的主要成员单位轻量化联盟的主要成员单位 中国汽车工程学会、一汽、东风、吉利、奇瑞、长安、中国汽车工程学会、一汽、东风、吉利、奇瑞、长安、重庆汽车研究院、吉林大学、哈工大、宝钢、西南铝业、重庆汽车研究院、吉林大学、哈工大、宝钢、西南铝业、中国石油天然气股份有限公司、石油化工科学研究院中国石油天然气股份有限公司、石油化工科学研究院铝合金板材在汽车车身上的应用铝合金板材在汽车车身上的应用汽车车身约占汽车总重的汽车车身约占汽车总重的30%，而在汽车内外板上用铝合金，而在汽车内外板上用铝合金来代替传统钢板就可使白车身减重
14、约来代替传统钢板就可使白车身减重约40%-50%，进而使整，进而使整车减重车减重10%左右左右l亨利亨利福特福特Model T 型汽车型汽车l福特福特Prodigy、Jaguar new XJl法拉利法拉利360等赛车等赛车lDaimlerChrysler Prowlerl大众大众 3L Lupo、奥迪、奥迪A2、A8l本田混合动力轿车本田混合动力轿车 Insight、NSX均采用铝制车身均采用铝制车身典型的镁合金汽典型的镁合金汽车零件车零件 镁密集轻量化车身结构镁密集轻量化车身结构 Daimler-Chrysler-Benz轿车轿车 镁合金门内板镁合金门内板 AM50 重量：重量：2.5kg
15、 Ford Jaguar轿车轿车 镁合金仪表板镁合金仪表板 AM50 重量重量2.07 kg Audi PP-GM40:3.8 kg(2/3),2.8 kg(1/3)Nissan MuranoGMT,以连续玻纤毡为芯材以连续玻纤毡为芯材,与热塑性树脂改性聚丙烯复合而成与热塑性树脂改性聚丙烯复合而成的片材。成型快，压力低，密度低，韧性好，可再生利用。绿色的片材。成型快，压力低，密度低，韧性好，可再生利用。绿色环保复合材料。环保复合材料。用于座椅骨架可以显著减重，降幅可达用于座椅骨架可以显著减重，降幅可达50成本可降低成本可降低1020PP-GM40GMTexTM:10.5 kgl 长玻璃纤维增强
16、聚丙烯（长玻璃纤维增强聚丙烯（LGF-PP）l STAMAX公司最近开发了一种高弹性模量复合材料公司最近开发了一种高弹性模量复合材料LGF-PP，玻璃纤维的长度为，玻璃纤维的长度为1225毫米毫米l LGF-PP可取代现有的材料，用于仪表板托架、保险杠梁、可取代现有的材料，用于仪表板托架、保险杠梁、防溅板、车门等零件防溅板、车门等零件l 图为用图为用LGF-PP制造的福特制造的福特Fiesta后车门，同钢车门相比，后车门，同钢车门相比，其重量减少了其重量减少了50 LGF-PP制造的制造的福特福特Fiesta后车门后车门长玻纤材料用于高度集成的前端系统长玻纤材料用于高度集成的前端系统福特福特
17、Fusion 车型车型-集成了超过集成了超过10个传统金属部个传统金属部于一个塑料部件于一个塑料部件l把多个金属零部件的功能集成把多个金属零部件的功能集成 在同一塑料零件上，如前端模块在同一塑料零件上，如前端模块 支架支架l 减轻重量减轻重量40%l 降低制造成本降低制造成本l 欧洲和美国欧洲和美国 SMC SMC（复合材料）（复合材料）汽车部件用量最多汽车部件用量最多l 应用领域包括悬架零件、车身及车身部件、发动应用领域包括悬架零件、车身及车身部件、发动机盖下部件、车内装饰部件等机盖下部件、车内装饰部件等l 尤以保险杠、车顶、发动机罩、发动机隔音板、尤以保险杠、车顶、发动机罩、发动机隔音板、
18、前后翼子板等部件用量最大前后翼子板等部件用量最大 奔驰驾驶室奔驰驾驶室MAN驾驶室驾驶室结构泡沫实际上是一种泡沫材料结构泡沫实际上是一种泡沫材料聚氨酯、环氧树脂和尼龙玻璃纤维复合材料聚氨酯、环氧树脂和尼龙玻璃纤维复合材料作为加强内衬用于轿车前端、摆梁（作为加强内衬用于轿车前端、摆梁（Rocker）、后侧骨架）、后侧骨架和保险杠，和保险杠，A型柱铰链柱结合部、车顶纵梁型柱铰链柱结合部、车顶纵梁B型柱结合型柱结合部等关键部位部等关键部位结构泡沫能吸收更多的冲击能量结构泡沫能吸收更多的冲击能量l 碳纤维增强聚合物基复合材料。适于制造车身和底盘零部件碳纤维增强聚合物基复合材料。适于制造车身和底盘零部件
19、l 减重幅度通常可达减重幅度通常可达5065%l 欧盟最近采用树脂传递模塑成型欧盟最近采用树脂传递模塑成型(RTM)工艺成功地试制出某轿车碳纤维底板工艺成功地试制出某轿车碳纤维底板l 零件的数量由零件的数量由28个减少到个减少到8个，重量较钢约减轻个，重量较钢约减轻50，而白车身的性能达到，而白车身的性能达到了原钢车身水平材料了原钢车身水平材料l 美国除低成本碳纤维制备技术开发外，还在进行碳纤维增强树脂的开发，探美国除低成本碳纤维制备技术开发外，还在进行碳纤维增强树脂的开发，探索碳纤维增强塑料零部件的大规模制造工艺索碳纤维增强塑料零部件的大规模制造工艺 试制的轿车试制的轿车碳纤维底板碳纤维底板
20、在在2005年年JEC展会中展展会中展出的复合材料车身结构出的复合材料车身结构一款A级轿车轻量化工作：高强度钢目前现生产车型应用的品种有：烘烤硬化钢、加磷钢、低合金高强度钢、双相钢及TRIPTRIP钢 在个别车型中，为了达到轻量化设计要求，满足碰撞法规，在设计中使用了780MPa780MPa和980MPa980MPa 高强度钢应用研究：双相钢980Y980Y原从日本进口，现与宝钢合作试制；将在一车型中研究成形性及回弹补偿工艺 完成TRIPTRIP钢与HSLAHSLA钢点焊工艺研究 进行门防撞梁（强度1200MPa1200MPa）冷成形工艺研究一汽一汽 高强度钢应用技术高强度钢应用技术l 一汽卡
21、车大量采用抗拉强度一汽卡车大量采用抗拉强度340MPa级烘烤硬化级烘烤硬化钢板、含磷钢板代替普通强度钢板生产钢板、含磷钢板代替普通强度钢板生产CA1092车身及驾驶室零件，使零件厚度减薄车身及驾驶室零件，使零件厚度减薄l BH340烘烤硬化钢板共有烘烤硬化钢板共有23种零件，种零件，BIF340钢板钢板共有共有18种零件，两种钢板每车用量种零件，两种钢板每车用量228kg，单车，单车降重约降重约21kgl 高强度冷轧钢板高强度冷轧钢板BIF340、BH340在商用车驾驶室在商用车驾驶室上上41种零件的应用，使高强度钢板占整车用冷轧种零件的应用，使高强度钢板占整车用冷轧钢板的用量由原来的钢板的用
22、量由原来的8提高到当前的提高到当前的57.6一汽一汽与韩华综化（北京）与韩华综化（北京）合作完成了合作完成了V221车型车型GMT材料材料保险杠加强板的开发保险杠加强板的开发一汽热冲压成型轻量化制造技术研究一汽热冲压成型轻量化制造技术研究l高强度钢板防撞梁等零件成形工艺研究高强度钢板防撞梁等零件成形工艺研究l与大连理工大学合作在长春建生产线与大连理工大学合作在长春建生产线l现为一汽大众试制部件，逐渐为一汽集团配套生产现为一汽大众试制部件，逐渐为一汽集团配套生产l 一汽卡车大量采用抗拉强度一汽卡车大量采用抗拉强度340MPa级烘烤硬化级烘烤硬化钢板、含磷钢板代替普通强度钢板生产钢板、含磷钢板代替
23、普通强度钢板生产CA1092车身及驾驶室零件，使零件厚度减薄车身及驾驶室零件，使零件厚度减薄l BH340烘烤硬化钢板共有烘烤硬化钢板共有23种零件，种零件，BIF340钢板钢板共有共有18种零件，两种钢板每车用量种零件，两种钢板每车用量228kg，单车，单车降重约降重约21kgl 高强度冷轧钢板高强度冷轧钢板BIF340、BH340在商用车驾驶室在商用车驾驶室上上41种零件的应用，使高强度钢板占整车用冷轧种零件的应用，使高强度钢板占整车用冷轧钢板的用量由原来的钢板的用量由原来的8提高到当前的提高到当前的57.6一汽一汽 滚压成型技术应用研究滚压成型技术应用研究滚压设备模型滚压设备模型车门窗框
24、、前后保险杠骨架采用了滚压成型技术；高强度钢板纵梁的成形试验研究；北方工业大学试制一种柔性滚压设备，生产变截面零件；正协商一种零件的柔性滚压技术，已发去数模。滚压成型窗框滚压成型窗框滚压成型窗框断面滚压成型窗框断面奇瑞轻量化材料的应用奇瑞轻量化材料的应用长安轻量化材料技术长安轻量化材料技术340 MPa390 MPa440 MPa590 MPa780 MPa 吉利吉利 NL-1车型已采用的轻量化技术车型已采用的轻量化技术 大量应用高强度钢板大量应用高强度钢板 241.1/445.6=54.2%，车身减重车身减重39.3 Kg(采用激光拼焊新工艺：采用激光拼焊新工艺：减重减重1.66 Kg；设计
25、已完成设计已完成,正在进行模具开发正在进行模具开发厚度1.8mm厚度1.2mm厚度1.6mm厚度1.2mm左左/右中柱加强板右中柱加强板左左/右门槛加强板右门槛加强板此部位减薄此部位减薄0.6重量减少重量减少1.04Kg此部位减薄此部位减薄0.4重量减少重量减少0.62KgNL-1前横梁总成采用前横梁总成采用GMT减重减重2.86kg东风驾驶室钢板材料技术应用东风驾驶室钢板材料技术应用驾驶室共有冲压件驾驶室共有冲压件539种种约有约有160余件采用余件采用高强度钢高强度钢冷轧板冷轧板340MPa热轧板热轧板510MPa用量约用量约86我国汽车轻量化技术发展面临的主要问题我国汽车轻量化技术发展面
26、临的主要问题目前，我国汽车轻量化技术无论在理论研究方面还是在实际应用目前，我国汽车轻量化技术无论在理论研究方面还是在实际应用方面与国外均有较大差距。轻量化技术的发展主要面临如下问题：方面与国外均有较大差距。轻量化技术的发展主要面临如下问题：1、轻量化技术涉及众多学科的研究领域、轻量化技术涉及众多学科的研究领域 需要运用多学科交叉融合所形成的综合性、系统性知识体系需要运用多学科交叉融合所形成的综合性、系统性知识体系,而在目前的研发体系下，各研发机构往往只注重单个技术的研发而在目前的研发体系下，各研发机构往往只注重单个技术的研发很少开展各技术间的交叉与融合很少开展各技术间的交叉与融合2、汽车轻量化
27、技术涉及众多的共性技术和前沿技术、汽车轻量化技术涉及众多的共性技术和前沿技术 其关键、核心技术的突破不可能由单个企业或科研机构独立完其关键、核心技术的突破不可能由单个企业或科研机构独立完成。必须要由国家级的研究机构对其关键、重大问题进行战略性成。必须要由国家级的研究机构对其关键、重大问题进行战略性和前瞻性的超前部署。而目前此类机构尚未建立。和前瞻性的超前部署。而目前此类机构尚未建立。3、产产、学、研结合不够紧密、学、研结合不够紧密 没有明确定位、合理分工。基础研究和技术开发研究的有机衔没有明确定位、合理分工。基础研究和技术开发研究的有机衔接不够。企业规模小而分散。轻量化技术开发能力薄弱，研发人
28、接不够。企业规模小而分散。轻量化技术开发能力薄弱，研发人才短缺，工艺水平落后。才短缺，工艺水平落后。结论结论 尽管面临种种障碍，人们仍然没有放弃努力，专业软件的尽管面临种种障碍，人们仍然没有放弃努力，专业软件的开发成果越来越多，新材料技术、新生开发成果越来越多，新材料技术、新生 产技术和新设计产技术和新设计方法不断进步，铝、镁、复合材料方法不断进步，铝、镁、复合材料 和特种钢等新材料在和特种钢等新材料在汽车制造中的使用比例在逐步加大。虽然在目前看来汽车汽车制造中的使用比例在逐步加大。虽然在目前看来汽车工业短期内不会在减重方面出现革命性突破，但是由于不工业短期内不会在减重方面出现革命性突破，但是由于不断地努力，人们断地努力，人们 实际上正在一步步接近制造出轻量廉价实际上正在一步步接近制造出轻量廉价的新一代汽车的目标。的新一代汽车的目标。轻量化技术是一项涉及基础理论、工程设计、工厂制造、轻量化技术是一项涉及基础理论、工程设计、工厂制造、实践验证的内容丰富、涉及广泛的课题，必将经历一个努实践验证的内容丰富、涉及广泛的课题，必将经历一个努力的探索过程。经过努力，汽车将在不远的将来，以清洁、力的探索过程。经过努力，汽车将在不远的将来，以清洁、强大、轻量的崭新形象引导新一代的潮流。强大、轻量的崭新形象引导新一代的潮流。
