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我国汽车轻量化现状及发展趋势

发表时间：2021/6/29 来源：《基层建设》2021年第6期作者：付清洁李新雷

[导读] 摘要：本文从我国汽车轻量化技术的现状及当前存在的问题，分析了我国汽车轻量化面临的困境。

        山东交通技师学院山东临沂 276000
        摘要：本文从我国汽车轻量化技术的现状及当前存在的问题，分析了我国汽车轻量化面临的困境。从轻量化材料发展、轻量化先进工艺技术发展和轻量化结构优化设计技术发展三方面对汽车轻量化技术发展趋势进行了研究，并提出了我国汽车轻量化发展的愿景。
        关键词：轻量化节能减排现状趋势
        当前，能源需求与环境污染的压力日益加大，但汽车在人们的生产生活中所起的作用决定了其不可替代性，因此，如何减少汽车能源消耗与降低排放污染物成为必须面对和解决的主要问题之一。
        汽车轻量化是实现汽车节能减排的重要途径，已经成为世界汽车发展的潮流。汽油乘用车每减重100kg将节油0.39L/100Km，汽车质量每降低10%，可降低油耗6%—8%，排放下降4%。发展汽车轻量化，是我国节能减排的需要，也是产业结构调整的需要，更是提升我国汽车产品国际竞争力、建设汽车强国的需要。
        一、我国汽车轻量化技术现状
        经过多年发展，我国自主品牌乘用车在轻量化设计、材料和工艺的应用方面都取得了长足的进步，缩小了与合资品牌的差距。政府、社会、企业和用户对汽车轻量化的认识也在不断加深。在《中国制造2025》等一些列文件中，都已将支持轻量化材料的发展和应用列入其中，并在国家“十三五”重点研发计划中做出了相应的安排。但是，由于我们起步较晚，基础较弱，跟国外发达国家的差距仍然不可忽视，汽车产品的轻量化水平仍有较大提升空间，汽车轻量化技术发展环境也需要进一步改善，主要表现在：
        1.1对轻量化的认识深度。现在，经常用车辆的整备质量或某种材料的用量来衡量一个车型的轻量化水平，因此忽略了针对不同市场或不同消费群体车辆的用材策略对产品市场竞争力的影响。
        1.2技术的系统性。汽车轻量化技术包括产品策划环节的轻量化目标确定和质量分配相关技术、产品开发技术（包括整车和零件、设计和评价）、生产技术（包括材料制备、成形工艺和装备）、维修技术、回收再利用技术等。我国在这些技术领域的研究工作不具有系统性，无法对轻量化水平提升带来有效帮助。
        1.3决策支撑体系。随着技术的进步，许多零件有个更多的用材选择，如高强度钢、铝合金、镁合金、复合材料等，在确定用材的基本种类之后，又有了更多的成形工艺选择，如高强度钢的热成形、温成形和冷成形。由于缺乏相关的技术经济性分析数据作支撑，面对诸多轻量化技术方案和可能导致的生产供应链体系的变化，企业往往难以定夺。
        1.4成果产业化方式。国内一些高校、材料企业和汽车企业合作，开展了以零件材料替换为目标的轻量化工作，虽然取得了一定成果，但忽略了部分零件重量减轻对整车性能的影响，以及整车开发系统集成能力对先进轻量化技术应用的影响，导致科技成果对减重的贡献有限，甚至出现整车性能的劣化，影响了企业采用新技术的信心。
        1.5产业创新效率。一方面企业为提升自主创新能力，在推进汽车轻量化技术发展方面投入了大量的人力、物力和财力；另一方面，大量的研究工作在一个又一个的企业中重复进行。汽车产业整体技术实力的提升有待新的创新模式加以推动。
        1.6相关工业支撑能力。部分材料企业片面强调自身的就似乎和性能优势，认为汽车轻量化技术是否得到应用的关键在于汽车企业，忽略了材料性能和质量稳定性对零件生产工艺、质量、成本和效率的影响。
        出现上述差距的原因是多方面的，其直接后果是所开发的材料难以在汽车生产中得到规模化应用，大量的科研成果难以产业化，实现轻量化的相关工业体系和零件生产体系不完整，单个企业的技术进步无法对产业整体自主创新能力发展提供强有力的支持，同时也消弱了汽车产业发展的成果对相关工业的产品结构调整和产业升级的影响。
        二、我国发展汽车轻量化技术存在的问题
        汽车轻量化是一项复杂的系统工程，涉及多个领域，汽车轻量化技术水平的提高，仅依靠汽车行业或者材料行业的力量是难以实现的。由于我国的工业基础，直接导致跨产业、跨学科的汽车轻量化产业化技术难以快速提升。主要表现在以下几个方面：
        2.1材料基础相对薄弱。目前，我国材料企业对于材料基础研究的重视程度不足，尤其是新型的高强度轻量化材料的研究不足，造成了下游用户在设计开发时没有充足的数据支撑，使得模拟过程与实际经验过程偏差较大，造成生产过程中不必要的浪费。
        2.2工艺和装备发展滞后。随着我国汽车产业的快速发展和汽车轻量化技术的应用不断提升，轻量化汽车零部件的需求也越来越大，但我国装备水平暂时还达不到工艺要求，许多高强度钢成形装备依赖进口。
        2.3设计能力不足。我国整车及零部件企业在汽车轻量化设计方面经验不足，材料企业也无能为力，造成了有想法却难以实现，只能更多地依靠外资或者合资企业，甚至造成了从设计到生产全部外包的局面。
        2.4轻量化评价标准欠缺。汽车实施轻量化以后，如何评价汽车的轻量化水平是我们所关心的问题。由于我国汽车轻量化相关技术起步较晚，汽车轻量化评价尚未形成统一的评价标准，需要不断探索和实践。

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        2.5行业机构、汽车企业、研究院所等合作主体间协作能力与成果分享以及应用效果仍不理想。需要行业机构定期开展轻量化研究成果交流，建立共性技术研究平台，促进各方合作。
        三、汽车轻量化技术的发展趋势
        3.1轻量化材料发展趋势
        1.高强度钢发展趋势
        高强度钢在抗碰撞性能、加工工艺、成本和生产的环保性等方面较铝/镁合金具有明显的优势，在未来相当长的一段时期内，高强度钢仍然是满足车身轻量化、提高撞击安全性的最佳材料。高强度钢呈现出以下几个方面的发展趋势：
        （1）高强度、高韧性汽车钢发展趋势。钢铁材料高强度化是汽车用钢发展的必然趋势。我国已经形成了780 MPa、980 MPa、1180 MPa、1350 MPa温成形钢，1470 MPa热成形钢等（超）高强度汽车钢产品。开发和应用自主的高强高韧汽车用钢、1500 MPa温成形钢和马氏体钢、1800MPa及以上热成形钢已经成为汽车轻量化高强度钢用材发展趋势。另外，我国具备第三代汽车钢（包括中锰钢、Q＆P钢）开发基础与优势，加大第三代汽车钢也是我国汽车用钢的重要发展方向之一。
        （2）低密度高模量汽车钢。通过向钢中加入Al、Si、Mn等轻量化合金元素使合金钢密度降低的低密度钢，以及向铁基合金中引入高模量粒子（如TiB2）的高弹性模量钢都是汽车轻量化用钢的重要发展趋势。
        （3）高强度钢应用比例和强度等级。现阶段国内汽车企业新开发车型高强度钢应用比例在50%左右，部分车型高强度钢应用比例在60%以上。980 MPa、1180 MPa、1470 MPa等汽车钢已经开始使用，但是使用比例、应用等级还需要进一步提高。
        2.铝合金发展趋势
        铝合金作为汽车用第二大材料，具有密度小、易成形、易回收利用、易制造等特点，在汽车上用量会明显增加。随着技术进步带来的成本降低，汽车用铝量在2020年可以提升到190kg/车左右，到2025年可达到250kg/车。
        3.镁合金发展趋势
        镁合金正在逐渐在原有合金系的基础上由二元、三元向多元化发展，这将是未来提高镁合金综合性能的主要趋势。随着对镁合金研究的不断深入，未来镁合金铸件在汽车上的应用仍会以较快速度增长，变形镁合金在汽车零部件中的应用也将逐步增加。预计在2030年，使用镁合金的零部件将逐渐向结构件发展，乘用车用镁量将会达到45kg/辆。
        4.复合材料发展趋势
        随着复合材料技术的发展，原材料价格降低，制造工艺优化，成形周期缩短，复合材料在汽车零部件上的应用越来越多。特别是对于碳纤维增强复合材料来说，随着碳纤维价格逐渐下降，复合材料制造工艺不断成熟，各主机厂纷纷进行碳纤维零部件的开发。预计到2030年，碳纤维复合材料将成为汽车零部件轻量化的主流材料。
        3.2轻量化先进工艺技术发展趋势
        先进工艺是产品实现轻量化的重要因素之一，汽车零部件的模块化、薄壁化、空心化发展趋势，对工艺技术提出了新的挑战。未来金属冷冲压、热成形技术、半固态成形技术、辊压成形技术、复合材料在线混合成形技术、激光拼焊技术等实现结构轻量化的先进制造技术将迅速推广与应用。这些先进制造工艺在减轻重量、减少零件数量和模具数量、提高刚度与强度、降低生产成本等方面具有明显的技术和经济优势，会在汽车工业中得到越来越多的应用。
        3.3轻量化结构优化设计技术发展趋势
        轻量化结构设计是实现汽车轻量化的主要途径之一，也是轻量化汽车产品开发的基础和前提。国内外各大汽车企业已经各自行程一套成熟的汽车轻量化设计流程体系，轻量化设计已经成为各企业强化提升汽车结构强度的核心概念之一。随着结构分析能力和方法的不断完善，以及现代优化设计理论的不断发展，考虑结构强度、刚度、耐撞性、NVH性能和耐久性优化在内的多学科和多目标优化设计是轻量化设计的重要发展趋势。未来，轻量化结构优化设计技术将能在轻量化与材料特性、工艺性、生产批量、成本及其制约因素中找到一个最佳的结合点，实现结构-材料-性能-成本一体化设计，使合适的材料用于合适的部位，缩短产品开发周期，降低生产成本。
        四、发展愿景
        以《中国制造2025》为指引，进一步规划我国汽车轻量化技术五年到十年产业技术发展路径，提出了我国汽车轻量化的发展愿景：到2030年，高强度钢、铝/镁合金、碳纤维复合材料等轻量化材料技术方面取得较大突破，轻量化多材料体系达到较好的应用水平，具备先进的制造和连接工艺技术，拥有完善的零部件优化设计和结构-材料-性能-成本一体化设计能力，大幅提升我国汽车轻量化技术水平，形成汽车轻量化整车产品和关键零部件自主开发和生产能力。轻量化技术综合应用进入国际先进行列，由轻量化带动的节能减排效果显著呈现。
        参考文献：
        [1]节能与新能源汽车技术路线图战略咨询委员会，中国汽车工程学会.节能与新能源汽车技术路线图.[M]机械工业出版社，2017，1.
        [2]武万斌，年雪山.汽车轻量化技术发展趋势[J].汽车工程师，2017（1）.
        [3]郭玉琴等.汽车轻量化材料及制造工艺研究现状[J].锻压技术，2015（3）.