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輕量化:汽車材料升級的方向

2019-06-26 09:28:00     作者:

  本報通訊員 部虎 任雪昭 記者 孫學軍

  今年7月份,上海、廣州、天津等地將實施“國六”排放標準。“國六”排放標準分為ab兩個標準,a標準略嚴于歐洲第六階段排放標準限值水平,b標準限值相當于美國Tier3排放標準中規定的2020年平均限值。“國六”到底有多嚴?我們舉個例子來說,與“國五”排放標準限值相比,“國六”b標準的一氧化碳和氮氧化物限值分別下降了50%和42%。可見,我國推進超低排放的決心之大。這對汽車行業而言相當于指明了發展方向,即實現節能減排和車身輕量化。

  汽車要實現輕量化必然需要研發輕量化材料。“集成高強鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維等多種輕質材料是未來汽車用材的發展方向。”這是《中國冶金報》記者從日前在重慶大學召開的以“新材料、新工藝、新技術”為主題的2019汽車輕量化與高性能材料技術論壇上獲知的信息。

  節能減排要求輕量化

  全球汽車產業正面臨深刻變革,在環保需求、安全法規、信息技術和人工智能的綜合推動下,汽車行業正向著“新四化”(電動化、智能化、網聯化和共享化)的發展方向變革,這就對汽車的開發目標、研發手段和測評技術等都提出了更高要求。

  再加上我國近年來大氣污染嚴重,汽車行業節能減排壓力巨大。從環保需求來看,目前我國汽車用汽、柴油消費量占全國汽、柴油消費量的55%,每年新增石油消費量的70%以上被新增汽車所消耗。石油消費的快速增加,一方面增加了能源供應壓力,造成我國原油對外依存度逐年增加;另一方面也導致我國碳排放量迅速增加,對環境造成不可逆的影響。

  在全球倡導節能減排的背景下,我國明確提出到2020年乘用車新車平均燃料消耗量降至5升/100公里。在采用“國六”的排放標準后,對汽車行業的節能減排技術提出了更高要求。

  “在汽車行業節能減排路徑中,汽車輕量化是最容易實現、潛力相對較大的方式。”長安汽車工程研究總院副總經理馮剛說,“研究發現,汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%~8%;汽車整備質量每減少100千克,百公里油耗可降低0.3升~0.6升。”

  此外,對于新能源汽車而言,汽車輕量化更是解決續航問題的有效途徑。“目前電動化已是汽車產業不可逆轉的潮流。由于電驅動本身的技術及配套產品的成熟度較低,同平臺下的電動車整備質量往往比燃油車更重。為了跨過續航門檻,電動化時代下的輕量化需求更為迫切。”重慶大學汽車工程學院“百人計劃”研究員詹振飛認為。

  輕量化務必選材得當

  實現汽車輕量化主要有兩個途徑:一是通過整車和零部件優化結構設計,如除去零部件多余部分(薄壁化、中空化),減少零件數量,設計全新結構等;二是輕量化材料和工藝開發,即用低密度材料代替鋼鐵材料的應用,主要采用輕量化材料以減輕零部件重量。

  從長期來看,合適的輕量化材料應用到合適的部位,才能最大程度上發揮材料特性。“汽車輕量化首先要選材得當,利用新的成型技術優化零部件結構,使合適的材料用在合適的車身部件上,可以減輕車身重量。”河鋼集團鋼研總院首席工程師王立輝博士在此次論壇上表示。

  從不同材料分析來看,高強鋼可以降低鋼板厚度,主要用于外覆蓋件、白車身和懸掛件等;鋁合金、鎂合金和工程塑料等低密度輕質材料,主要用于發動機缸體、方向盤骨架等非結構件。并且,從近期應用結合未來發展來看,高強鋼、鋁合金仍然是當下主流的輕量化材料,而鎂合金目前呈現出的輕量化效果較好,具有較大的增長空間。

  中國現在已經成為汽車用鎂合金零部件的生產大國。中國工程院院士潘復生教授認為,鎂合金輕量化效果好,資源豐富,功能特性優良,其擴大應用對全球節能減排和緩解礦業資源危機具有重要的戰略意義,再加上鎂合金比強度高可以明顯減輕車身重量,同時可以實現減振降噪、屏蔽電磁輻射等,在汽車、摩托車和其他軌道交通等方面有廣泛的應用前景。

  此外,鋁合金具有比強度高、耐腐蝕和良好的加工成型性,熱處理后強度可與鋼相媲美,是汽車輕量化主要選擇的替代材料。目前,我國交通運輸業用鋁的比例約為20%,增長空間廣闊。

  研發空間巨大

  新材料的應用要經歷一個漫長的過程。由于汽車輕量化包含不確定性分析、最優化方法、近似建模等多領域的理論與技術,又涉及安全性、可靠性、耐久性以及舒適性等多個學科,是多部門、多平臺、多學科的綜合,其問題的復雜性遠遠高于普通產品。雖然與10年前相比,我國基本上解決了汽車材料輕量化的設計問題,但離國際先進水平仍有很長一段距離,頗具挑戰性。

  其中,汽車材料及制造成本、輕量化效果和技術成熟度之間的平衡成為汽車選材、用材和實現輕量化的突破口。“整車結構輕量化必須在保證整車結構力學性能指標的前提下實施,如剛度性能、強度性能、NVH(即噪聲、振動和聲振粗糙度)特性和結構耐撞性,需根據工程經驗反復修正方案。”重慶大學汽車工程學院張志飛副教授說。

  在汽車輕量化用新材料研發方面,上海交通大學劉釗建議,碳纖維復合材料具有多尺度特性,在細觀和介觀尺度上存在結構特征復雜、力學性能參數不確定等難題,可開展不確定性的碳纖維復合材料本構建模以及多尺度不確定性優化方案研究,對推動復合材料在汽車輕量化中的應用意義重大。

  同時,搭建交流合作平臺也是促進汽車輕量化用材料發展的關鍵。在車型開發的不同階段,零部件的優化設計需要綜合考慮安全性、經濟性和技術成熟度等很多復雜因素,研發出的新材料和新技術,必須由材料供應商、車企等緊密配合,經過使用驗證和系統評價才能走向成熟、走向市場,真正達到整車輕量化的目的,從而實現材料替代和節能減排。

  此外,鋼鐵材料是汽車最重要和不可或缺的材料,汽車輕量化和高強度鋼材的研發已經成為鋼鐵行業的重要課題。“從制造到服務 ,實現產學研用的深度融合,才能全方位推進汽車輕量化發展。”河鋼集團鋼研總院首席工程師齊建軍說。

  《中國冶金報》(2019年06月26日 03版三版)

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

編輯:宋玉錚

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