樸明洙 金妍青

上海帥豐實業(yè)有限公司

汽車輕量化無非是當前汽車行業(yè)最熱門的話題之一,而輕量化效果最為明顯的方式就是在材料上實現(xiàn)輕量化。用于汽車輕量化的材料大致可分為4種:

◇高強度鋼,包括TWIP(Twinning Induced Plasticity,孿晶誘導塑性鋼)、HSS(High Strength Steel,高強度鋼)、AHSS(Advanced High Strength Steel,先進高強度鋼)、UHSS(Ultra High Strength Steel,超高強度鋼);

◇鋁合金(Aluminum Alloy);

◇鎂合金(Magnesium Alloy);

◇碳纖維增強復合材料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)、玻璃纖維增強復合材料GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer/Plastic)。

這些材料各有不同的密度與特性,能夠在滿足必要功能的同時還能實現(xiàn)輕量化,在汽車開發(fā)領域得到了廣泛應用。

汽車輕量化的必要性

油耗及減排標準的要求

由于全球變暖現(xiàn)象加劇以及汽車需求量的急劇增長,能源枯竭問題越發(fā)嚴重,全球各國正在逐漸強化有關汽車油耗和尾氣排放的標準。隨之,國內(nèi)外汽車行業(yè)為了滿足日益嚴格的相關標準,正在持續(xù)開展多種研發(fā)工作,而汽車輕量化與降低油耗及減少排放量具有密切的關聯(lián)性。

汽車制造領域的先進國家早已開始施行CO2減排義務化。歐洲正在逐年大幅度強化排放標準,從2008年的140 g/km降低到2020年的95 g/km,預計2025年還要降到75 g/km,相比2008年降幅高達46%。歐洲CO2排放標準變化趨勢見圖1。

圖1 歐洲CO2排放標準變化趨勢

油耗標準的變化趨勢也不例外,歐洲2015年的油耗標準為17 km/L,現(xiàn)已制定2020年實現(xiàn)21 km/L,2025年計劃實現(xiàn) 23 km/L,相比2015年各增加了23%和35%。美國2017年的油耗標準為36.2 mpg(15.4 km/L),2020年的目標是44.8 mpg(19.0 km/L),2025年則計劃實現(xiàn)56.2 mpg(23.9 km/L),相比2017年各增加了24%和55%。日本2015年的油耗標準為16.8 km/L, 2020年預計達到20.3 km/L,相比2015年增加了21%。中國油耗標準也在不斷強化,2020年的目標是實現(xiàn)5 L/100 km,相比2015年的6.9 L/100 km降低了28%。歐洲、韓國、美國的油耗標準變化趨勢見圖2,美國、日本、中國的油耗標準變化趨勢見圖3。

圖2 歐洲、韓國、美國的油耗標準變化趨勢

碰撞安全法規(guī)的要求

除了油耗及減排標準,有關碰撞安全的法規(guī)也變得越來越嚴格。以往的汽車碰撞試驗局限于以正面碰撞為中心,因此無法充分反映真實的汽車碰撞事故情形。但現(xiàn)在對于偏置碰撞、側(cè)面碰撞、后部碰撞、頂壓測試等試驗的方法和標準都在持續(xù)強化,美國已要求2013年以后上市的新車必須統(tǒng)一施行25%偏置碰撞。因此,輕量化材料在實現(xiàn)減重的同時,也要保證一定的強度來滿足汽車的安全性。

圖3 美國、日本、中國的油耗標準變化趨勢

汽車行業(yè)技術發(fā)展重要度的變化

此外,汽車行業(yè)相關技術發(fā)展的重要度也有明顯的變化。據(jù)調(diào)查,2012年排在汽車行業(yè)技術發(fā)展前3位的依次為油耗、車輛通信、新能源,輕量化材料在9項調(diào)查項目中排倒數(shù)第2位,可知其重要度還很低。到了2015年,前3位不變,但輕量化材料上升到了第5位,行業(yè)對輕量化技術的關注度有了提高。而2017年輕量化材料占據(jù)了第2位,重要度僅次于油耗,高于造型設計、車輛通信、新能源等,由此看到輕量化材料已是汽車行業(yè)技術發(fā)展中的核心部分。汽車行業(yè)技術發(fā)展重要度變化趨勢見圖4。

汽車輕量化的效果

降低油耗的技術可分為:

◇通過燃油直噴式發(fā)動機、雙離合變速器等提升動力總成效率的技術;

◇利用混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車等代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源的技術;

◇結合空氣動力學的造型設計技術;

◇利用高強度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料等材料的輕量化技術。

若將整車重量減輕10%,會對以下6種車輛性能起到提升作用。

◇可提升3.8%的油耗性能;

◇可提升8%的加速性能(100 km提速);

◇可縮短5%的制動距離;

◇方向盤轉(zhuǎn)向能力可提升6%;

◇底盤使用壽命可增加1.7倍;

◇可減少4.5%的一氧化碳(CO)、2.5%的碳氫化合物(HC)、8.8%的氮氧化合物(NOx)的排放。

汽車輕量化的可實現(xiàn)范圍

通常情況下,在整車總重量中各系統(tǒng)所占的比重為:車身系統(tǒng)約25%;底盤系統(tǒng)約25%;動力總成約26%;內(nèi)外飾系統(tǒng)約15%;電氣系統(tǒng)約4%;其他裝置約5%。其中,動力總成雖然也在材料方面進行一定的輕量化,但其重點是在于通過提升發(fā)動機效率、減少尺寸、改善減速器等方式達到降低油耗的目的。而內(nèi)外飾系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及其他裝置主要是考慮功能及美觀性來選擇使用不同材料,其輕量化效果相對較少。因此,輕量化的主要目標在于車身系統(tǒng)和底盤系統(tǒng),2種系統(tǒng)的輕量化可實現(xiàn)范圍較大,在整車重量中的占比也高,是眾多工程師和研究人員需要突破的難題。汽車輕量化的可實現(xiàn)范圍見圖5。

圖4 汽車行業(yè)技術發(fā)展重要度變化趨勢

汽車輕量化的研究領域

汽車輕量化的研究領域可分為:

◇材料輕量化,是通過采用輕質(zhì)材料或?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新材料的研發(fā)生產(chǎn),代替以往使用的鋼鐵,例如高強度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料、碳纖維、玻璃纖維等。

◇結構輕量化,是通過設計滿足剛度要求的最佳結構,實現(xiàn)材料使用量的最小化,例如零部件的模塊化與集成化、采用復合搭接結構、利用空間框架、應用圈型結構等。在工程設計過程中實現(xiàn)結構最優(yōu)化,可達到最大5%的輕量化效果。

◇工藝輕量化,是通過改善和開發(fā)生產(chǎn)工藝技術,在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)輕量化,例如激光焊接(Laser Welding)、液壓成型(Hydro Forming)、滾壓成型(Roll Forming)、激光拼接焊(TWB,Tailor Welded Blanks)、差厚板軋制(TRB， Tailor Rolled Blank) 等技術。

輕量化材料的競爭力分析

考慮到各輕量化材料的性質(zhì),以輕量化效果、費用競爭力、生產(chǎn)性、強度及剛性、功能特性、環(huán)保性等6項為判斷因素,對高強度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料以及碳纖維材料(CFRP)進行了具體的對比分析。輕量化材料的競爭力分析如圖6所示。

輕量化效果方面,由于與鋼鐵的重量密度相差較大,塑料和碳纖維顯然最有優(yōu)勢。但費用競爭力方面,考慮到材料費及加工費,高強度鋼和塑料最為合理,碳纖維則是5種輕量化材料中最貴的材料。在生產(chǎn)性上,仍是高強度鋼和塑料更占優(yōu)勢,而鋁合金也不示弱。綜合考慮抗拉強度、抗沖擊強度、疲勞強度(耐久性)等因素,強度及剛性最強的是碳纖維,其次是高強度鋼。而這5種材料都擁有自身固有的優(yōu)點和缺點:

圖5 汽車輕量化的可實現(xiàn)范圍

圖6 輕量化材料的競爭力分析

◇高強度鋼的耐蝕性較差;

◇鋁合金則具有較高的耐蝕性和美觀性;

◇鎂合金能吸收震動、阻斷電波,但卻易腐蝕、易燃;

◇塑料具有較高的耐蝕性和成型性;

◇碳纖維也擁有吸收震動、耐腐蝕的優(yōu)點;

◇在環(huán)保性方面,相對較高的只有高強度鋼,其他材料都缺少競爭力。

綜合上述分析,高強度鋼是當前最適合用于輕量化的材料。高強度鋼雖然因重量密度與鋼鐵相差較小,在減重效果方面相對其他材料優(yōu)勢較弱,但其強度及剛性可滿足車輛性能和碰撞安全性,而與同樣在強度及剛性優(yōu)勢較大的碳纖維相比,具有很大的費用競爭力。并且,考慮成型、加工、接合等生產(chǎn)技術難度及現(xiàn)有生產(chǎn)設備的沿用率,其生產(chǎn)性也非常可觀。此外,在成本上升方面,使用高強度鋼相比普通鋼鐵只有15%～20%的提升,比其他材料擁有較高的性價比。

汽車行業(yè)的高強度鋼應用趨勢

隨著汽車行業(yè)對輕量化的研究與投資越發(fā)活躍,過去以鋼鐵為主流的車輛開發(fā)時代,逐步進入減少鋼鐵比重、增加相應輕量化材料的新時代。早在1990年,汽車行業(yè)先進國家就已開始開發(fā)鋁合金輕量車身并投入量產(chǎn)。但使用鋁合金在已有生產(chǎn)設備的沿用以及成型、加工、結合技術方面的突破和材料費用上仍存在很多問題。

作為汽車輕量化的必要條件,輕量化材料的選擇極為重要。據(jù)了解,在2000年,軟鋼(Mild Steel)和高強度鋼(HSS)的使用率各占49%和46%,先進高強度鋼(AHSS)和超高強度鋼(UHSS)的使用率只有3%和2%,以A級SUV車型為準的車身重量高達440～460 kg。而到了2010年,軟鋼和高強度鋼的使用率出現(xiàn)了明顯下降,先進高強度鋼和超高強度鋼的使用率上升到了5%和10%,并開始使用熱壓成形鋼(HPF， Hot Press Forming),其使用率高達11%。根據(jù)推測,預計2020年先進高強度鋼、超高強度鋼、熱壓成形鋼將占據(jù)車身材料的絕大部分,其使用率各為22%、12%、35%,從而實現(xiàn)20～30%以上的輕量化效果。2000-2020年,高強度鋼的應用趨勢見圖7,車身的重量變化見圖8。圖7中所提及的不同強度的材料包括:

◇300 MPa以下,為軟鋼(Mild Steel);

◇300～600 MPa,為高強度鋼(HSS);

◇600～1 000 MPa,為先進高強度鋼(AHSS);

◇1 000 MPa以上,為超高強度鋼(UHSS);

◇1 500 MPa以上,為熱壓成形鋼 (HPF)。

圖7 高強度鋼的應用趨勢

圖8 車身的重量變化

根據(jù)在車輛中的不同用途,對材料特性的要求也各不相同,材質(zhì)的抗拉強度和延伸率就是重要的判斷標準。當前使用最廣泛的高強度鋼是雙相鋼(DP， Dual Phase)、 復 相 鋼(CP， Complex Phase)、相變誘導塑性鋼(TRIP， Transformation Induced Plasticity)、孿晶誘發(fā)塑性鋼(TWIP，Twinning Induced Plasticity)等,通常用于車身外板、碰撞沖擊力吸收件、車身保護件、重量支撐件、車身結構加強件等。高強度鋼在車身上的應用見圖9。

圖9 高強度鋼在車身上的應用

近期韓國的一家鋼鐵材料公司研發(fā)出一種名為“千兆鋼(Giga Steel)”的超高強度鋼,獲得了行業(yè)內(nèi)的高度關注,該材料在剛度、加工性、輕量化、環(huán)保性、經(jīng)濟性方面都能滿足有關汽車開發(fā)的多項要求。10 cm×15 cm大小的千兆鋼可承受一噸左右緊湊型乘用車1 500臺的荷重,其剛度是車身用鋁材的3倍以上。通常剛度太高會導致材料過硬,很難加工成所需形態(tài),而千兆鋼可通過調(diào)整錳(Mn)的配比,同時滿足剛度和加工性。關于重量,鋼鐵的密度比鋁高3倍,所以重量也是鋁的3倍,但千兆鋼恰好相反,千兆鋼的剛度是車身用鋁材的3倍以上,只用1/3的厚度也可以滿足相同的剛度需求,因此對汽車輕量化非常有利。綜合考慮汽車的制造階段、使用階段、使用后階段,使用千兆鋼可以在車輛的生命周期中減少10%左右的二氧化碳累計排放量。在經(jīng)濟性方面,使用千兆鋼相比鋁材可以節(jié)約78%的材料費及68%的加工費,能夠有效節(jié)省生產(chǎn)成本。

長遠看來,當前的材料技術還遠遠不夠,為滿足不斷增長的汽車輕量化及碰撞安全性的需求,今后仍需持續(xù)不斷地研發(fā)新型材料,尤其是處于高強度鋼和超高強度鋼之間并滿足車身各結構的成型及生產(chǎn)工藝需求的先進高強度鋼材料。

汽車開發(fā)的研究課題

未來汽車的發(fā)展方向以安全和環(huán)保為核心,隨之,抑制CO2等尾氣的排放以及開發(fā)輕量化材料和新的環(huán)保能源成為了當前汽車行業(yè)的重點研究課題。一方面,對汽車環(huán)保標準、能源效率、安全性、方便性的要求越來越嚴格,另一方面,電池開發(fā)、電機開發(fā)、輕量化材料、車輛智能運行、無人駕駛等技術的發(fā)展越來越快,汽車開發(fā)真正要做的就是通過這種需求的引導和技術的支撐,實現(xiàn)未來汽車的電動化、智能化、輕量化。而在這其中,輕量化不僅能夠彌補其他油耗改善技術的局限性,其地位還逐漸上升為增加續(xù)航里程以及改善環(huán)保性能的必要條件。