轻量化是实现节能减排的重要途径

一、节能减排需要汽车轻量化

要实现国家《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》提出的第四阶段油耗指标5L/100km,轻量化是重要技术路径之一。

汽车的行驶阻力与车重成正比,车重的不断增加,会使汽车的能耗大部分消耗在自重上,而不是满足客货运输的需要,汽车轻量化能够有效减缓因车载装备的增加而导致汽车增重速度加快。世界铝业协会报告指出,汽车自重每减少10%,燃油消耗可降低6%~8%。巴斯夫公司统计结果表明,汽车每减重100公斤,百公里油耗可降低0.4升、二氧化碳排放可减少1公斤。

所谓汽车轻量化,是在满足汽车结构强度、刚度、振动噪声、被动安全性和耐久性条件下的轻量化。通过优化汽车结构和零部件的用材,选择合理的制造工艺,让合适的材料、最优的结构形状和尺寸用在汽车合适的位置,充分发挥每一部分材料的承载、吸能、加刚作用,来有效减少汽车重量。

可见,汽车轻量化能够有效改善汽车燃料经济性,提升汽车动力性、制动性能和通过性,降低有害气体排放。同时,在不改变汽车结构材质的条件下,通过结构优化设计使汽车轻量化,还可以节省原材料消耗,降低材料成本。

然而,近年来随着消费者对汽车安全、环保、舒适和智能化要求的不断提高,像电子稳定程序、牵引力控制系统、主动避撞系统、自动泊车系统、卫星定位导航系统、尾气后处理系统等大量新的系统和部件被安装在汽车上,导致汽车的自重越来越大。因此汽车轻量化技术的研发与应用就越来越重要。

二、轻量化与车辆安全性并不矛盾

汽车轻量化并不意味着降低汽车的安全性能和使用性能。只要设计、选材和制造工艺合理,轻量化完全能够满足国家汽车被动安全性、行驶平顺性、振动噪声标准以及耐久性要求,保证使用性能。近年来我国乘用车轻量化技术水平已经得到了明显提高,整备质量平均降低5%~10%,但其被动安全性并没有下降,已经从2000年前后的平均CNCAP 3~4星级的水平,普遍提高到现在的CNCAP 4~5星级水平,整车被动安全性得到了大幅提升。

从理论上说,汽车碰撞时的冲击能量与汽车的质量成正比。在同等条件下汽车越轻,碰撞时冲击能量越小,车身结构的变形、侵入量和乘员受到的冲击加速度就越小,汽车对乘员的保护性能越好、越安全。

实际上,汽车的碰撞安全性不能用车的轻重和钣金覆盖件的薄厚来简单地衡量,汽车重不等于它的碰撞安全性就一定好,反之亦然。对汽车碰撞安全性的评价,国内外都用相应的汽车被动安全性法规和标准。汽车的重量轻,只要其碰撞吸能区结构设计、选材和连接方式合理,也能达到优异的被动安全性;汽车重量大,如果碰撞时缓冲、压溃、吸能和载荷传递不够合理,也不会取得好的被动安全性。

汽车制动时消耗的能量也与汽车质量成正比,汽车越轻,在以相同初速度刹车时,制动器要消耗的能量就越小,制动减速度就越快,制动距离越短,制动性能就会有明显改善,汽车主动安全性会变好。因此,合理的汽车轻量化不仅不会降低汽车的安全性,还有利于汽车安全性能的提升。

三、轻量化的技术路径

概括地说,汽车轻量化主要有以下三种途径:

一是汽车结构的轻量化优化设计,如结构拓扑优化、尺寸优化、形貌优化和多目标协同优化设计等。

二是应用高强度和轻质材料;如应用高强度钢、先进高强度钢和超高强度钢,铝镁合金,工程塑料、纤维增强复合材料等。

三是采用先进的轻量化制造工艺技术。如激光拼焊、辊压成形、高强钢热成形、内高压成形等先进制造技术,结构胶粘接和异种材料铆接等先进连接技术。

上述三种途径的有机结合与合理应用,才能在控制成本、保证汽车性价比的前提下,有效实现汽车的轻量化。

四、我国轻量化技术和应用已取得突破

近些年,我国汽车轻量化技术有所突破,车企也日益重视轻量化技术,具体表现为以下四方面:

第一,汽车企业从原来的不太关注轻量化,到把轻量化作为产品开发的一个重要指标,多数企业制定了汽车轻量化产品开发流程,建立了汽车轻量化技术体系。

第二,汽车轻量化设计能力和水平不断提高,已经把拓扑优化、多目标优化等现代结构优化设计方法应用于汽车产品的设计开发,优化了汽车结构,取得了良好的减重效果。

第三,轻量化材料应用技术明显提升。高强钢应用比例平均提高了20%左右;镁铝合金在汽车上的应用比例也有一定提升,全铝大客车车身、挂车、车厢和发动机舱盖板等产品相继问世;工程塑料、纤维增强复合材料在车身覆盖件、内外饰件、前端模块上的应用也越来越多。

第四,先进的轻量化制造工艺技术得到了普遍应用;高强钢热成形A柱、B 柱加强板、前防撞横梁、车门防撞梁等;内高压成形前、后副车架、扭力梁、吸能盒;三维辊压成形门槛加强板,中通道、地板横梁等,均已经开始在自主品牌汽车上得到应用。

上述轻量化设计、用材和先进制造工艺方面的技术成果均已应用在自主品牌汽车上,让合适的材料、合理的结构用在汽车合适的位置,优化了汽车碰撞时的缓冲、吸能和能量流传递路径,在自主品牌整车重量明显降低的情况下,提高了整车碰撞安全性。近年来,许多新上市的自主品牌车型的被动安全性均达到CNCAP 5星级水平。

 
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