轻量化

汽车生产的技术

轻量化是最先起源于赛车运动的概念，它的优势其实不难理解，重量轻了，可以带来更好的操控性，发动机输出的动力能够产生更高的加速度。

基本概念

由于车辆轻，起步时加速性能更好。

随着“节能环保”越来越成为了广泛关注的话题，轻量化也广泛应用到普通汽车领域，在提高操控性的同时还能有出色的节油表现。汽车的油耗主要取决于发动机的排量和汽车的总质量，在保持汽车整体品质、性能和造价不变甚至优化的前提下，降低汽车自身重量可以提高输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性，提高车速、降低油耗、减少废气排放量、提升安全性。有研究数字显示，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；若滚动阻力减少10%，燃油效率可提高3%；若车桥、变速器等装置的传动效率提高10%，燃油效率可提高7%。汽车车身约占汽车总质量的30%，空载情况下，约70%的油耗用在车身质量上。因此，车身变轻对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。

主要指导思想：在确保稳定提升性能的基础上，节能化设计各总成零部件，持续优化车型谱。

汽车的轻量化，就是在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质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。

途径

①汽车主流规格车型持续优化，规格主参数尺寸保留的前提下，提升整车结构强度，降低耗材用量；

②采用轻质材料。如铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等；

③采用计算机进行结构设计。如采用有限元分析、局部加强设计等；

④采用承载式车身，减薄车身板料厚度等。

其中，当前的主要汽车轻量化措施主要是采用轻质材料。

举措

钢铁材料在与有色合金和高分子材料的竞争中继续发挥其价格便宜、工艺成熟的优势，通过高强度化和有效的强化措施可充分发挥其强度潜力，以致迄今为止仍然是在汽车生产上使用最多的材料。

高强度钢板

轿车自重的25%在车身，车身材料的轻量化举足轻重。20世纪90年代，世界范围内的35家主要钢铁企业合作完成了“超轻钢质汽车车身”（ULSAB－Ultra Light Steel Auto Body）课题。该课题的研究成果表明，车身钢板的90%使用现已大量生产的高强度钢板（包括高强度、超高强度和夹层减重钢板），可以在不增加成本的前提下实现车身降重25%（以4门轿车为参照），且静态扭转刚度提高80%，静态弯曲刚度提高52%，第一车身结构模量提高58%，满足全部碰撞法规要求。当然，这还是一个研究的成果，高强度钢板在车身上的实际应用还未达到如此高的水平。在普通的IF钢板的基础上相继开发了高强度IF钢板和烘烤硬化IF钢板，在保持高成型性的同时提高了强度和抗凹陷性，为车身钢板的减薄和实现轻量化创造了条件。

加入Ti、Nb和V等元素的析出强化钢板拉伸强度在500~750MPa，可用于车轮和其它底盘零件。

近来开发的多相钢有相当大的应用潜力。其中铁素体－贝氏体钢强度级别为500MPa，双相（DP）钢和相变诱发塑性（TRIP）钢强度级别为600~800MPa,复相（CP）钢强度级别在1000MPa或更高。这些钢的成型性能也很好。日本日产汽车公司进行了590MPa级高强度钢板在车身上的应用研究，他们选用TRIP钢和DP钢裸板以及DP钢镀锌板并运用有限元分析技术解决了冲压开裂和回弹问题，优化了焊接工艺参数，通过实车检测，刚度和碰撞性能满足要求，比采用440MPa级钢板时降重10kg。

激光拼焊毛坯（Tailored Blank）是新近开发并应用的钢板轻量化技术。在前述ULSAB车身有18个零件采用了此技术。

结构钢

钢铁材料的用量虽逐年减少，但高强度钢的用量却有相当大的增加。高强度结构钢使零件设计得更紧凑和小型化，有助于汽车的轻量化。

(1) 弹簧

悬架弹簧轻量化的最有效方法是提高弹簧的设计许用应力。但是为了实现这种高应力下的轻量化，材料的高强度化是不可少的。在传统的Si-Mn弹簧钢的基础上通过降低C并添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素，开发出强度和韧性都很高的钢种，设计许用应力可达1270MPa，这种弹簧钢的应用可实现40%的轻量化。在传统的Cr-V系弹簧钢中添加Nb可提高钢的抗延迟断裂性能，结合改进的奥氏体轧制成型，可使钢的拉伸强度达到1800MPa的水平。

气门弹簧用的Si-Cr钢中添加V，通过晶粒细化确保韧性，由增C提高强度。这样改进后，弹簧的高周疲劳强度约提高8%，可实现15%的轻量化。通过有限元分析，螺旋弹簧内、外侧应力均匀分布的柠檬形断面弹簧钢丝得以开发，使弹簧实现7%的轻量化。

(2) 齿轮

汽车发动机有高功率化的趋势，而传动器有紧凑小型化的倾向。这势必加大传动齿轮的负荷，从而对齿轮钢的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度的要求也相应提高。

提高钢中Ni、Cr、Mo等合金元素的含量可以提高齿轮钢的淬透性和强度，但单纯靠合金元素来强化齿轮钢会使钢的切削性能变坏、热处理工艺复杂，原材料成本和生产成本都会大幅度提高。齿轮渗碳时，为了防止或减少异常层的出现，降低钢中的Si和P含量，Mo量增加到0.35%~0.45%，并采用经改良的碳氮共渗工艺。改进的钢种可使齿轮实物的冲击寿命提高3~5倍，若在上述降低表面异常层钢种加上强力喷丸，可使齿轮疲劳极限提高20%~30%。

齿轮钢中的非金属夹杂物是疲劳裂纹的起点，会降低强力喷丸的强化效果，为此开发了高纯净度齿轮钢。例如对SCM420HZ钢，将氧浓度降到9ppm以下、磷浓度降到90ppm以下时，与前述降低表面异常层的低Si高Mo钢相比，齿轮齿根弯曲疲劳寿命提高10%~17%，接触疲劳寿命提高25%。

原理

由于车辆轻，起步时加速性能更好。

特性

汽车的轻量化，就是在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质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。

历史

近来开发的多相钢有相当大的应用潜力。其中铁素体－贝氏体钢强度级别为500MPa，双相（DP）钢和相变诱发塑性（TRIP）钢强度级别为600~800MPa,复相（CP）钢强度级别在1000MPa或更高。这些钢的成型性能也很好。

现象

在提高操控性的同时还能有出色的节油表现。汽车的油耗主要取决于发动机的排量和汽车的总质量，在保持汽车整体品质、性能和造价不变甚至优化的前提下，降低汽车自身重量可以提高输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性，提高车速、降低油耗、减少废气排放量、提升安全性。

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