汽车轻量化是一个涵义非常广泛的设计准则,其目标是减少工业产品的重量亦即质量。轻量化设计的任务是在最小的构造质量下,达到最大限度的使用范围。
汽车轻量化有助于节能减排、提高发动机的效率、降低尾气排放、减少驱动环节中的“摩擦损失”,是低碳时代汽车技术的发展方向。
一、 轻量化大势所趋
国家工信部发布了《工业转型升级投资指南》,在这份政府、金融机 构开展工业投资项目相关工作的重要参考中,汽车轻量化产业赫然在列。
我国的汽车用油已经占5%,石油对外依存度55.5%,已经超过美国。我国汽车工业的发展面临着能源环保问题的巨大压力。数据显示,2011年我国汽车平均燃料消耗量为百公里7.5升,若要达到2020年百公里5升的目标,除大力发展节能环保型汽车外,还须加快推动汽车 向小型化、轻量化及小排量化发展。
汽车轻量化技术目前已被众多汽车企业高度认同和重视。
节油仅是轻量化追求的一个方面而已。实际上,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,具有高输出功率、低噪声、低振动和良好的操纵性、高可靠性等优点。
车企追求轻量化的风潮渐渐走入国内公众视野。早在去年4月的上海国际车展,汽车轻量化趋势就已初露端倪;今年北京国际车展更是国内汽车轻量化成果的一次集体展示。随着消费者对节能减排和车辆安全性的要求越来越高,汽车厂商不得不努力寻求更坚固、更轻的造车原料。
汽车轻量化技术要以创新需求为纽带,以获取汽车轻量化核心技术为长期战略目标,要加强产学研合作,大力发展新材料、新技术、新工艺、新产品。突破汽车轻量化技术发展瓶颈,将其纳入现代汽车制造业,对于节约能源与减少排放意义重大。从轻量化技术的内涵来看,需要在满足产品功能要求和成本控制的条件下,将结构优化设计、多材料与多种制造技术集成应用,实现产品的减重。
二、 与国外差距明显
虽然汽车轻量化已是大势所趋,但国内汽车轻量 化相关产业还未形成较大规模。目前国内汽车在 轻量化技术方面与国外先进水平相比存在较大差 距。例如铝及钢用量都比国际先进水平少一半,镁合金则差距更大。目前,北美每辆汽车镁合金的使用量平均为3.5千克,欧洲先进水平则能达到 14千克,而国产汽车每辆仅1.5千克。
汽车轻量化技术并非仅仅依靠材料,汽车轻量化 是设计、制造、材料技术集成的工程。例如,东风牵引车减重1400公斤,其中结构优化占19%,功能配置优化占40%,两者共占59%,真正新材料新技术只占41%。把轻量化看成材料供应问题是我国从事逆向设计、仿制造成的结果,是当前阻碍我国轻量化水平提高的主要技术瓶颈之一。
轻量化并非偷工减料,也并非只是简单的车 身或者汽车某个零部件的轻量化。中汽协曾发布的关于《汽车轻量化意义》的报告中指出:对汽车总体结构进行分析和优化,实现对汽车零部件的精简、整体化和轻质化;发动机轻量化;变速器轻量化;悬架轻量化;车身轻量化和附件轻量化是当前实现整车轻量化的6个方面。
我国汽车轻量化技术的研发面临两大困难。一方面,要打破轻量化技术的发展所涉及的众多学科之间的壁垒,形成的综合性、系统性知识体系,另一方面,国家应该发挥作用,做出战略性和前瞻性的超前部署。
事实也证明,尽管早在2008年,汽车轻量化产业创新联盟就已经建立,但是企业基本在这一领域处于单打独斗状态,郭硕文(北方工业大学的汽车技术与产业发展研究学者)说,汽车企业对汽车轻量化关注度明显不够,尤其是国产品牌。如果持续下去,汽车企业将会失去一次技术跨越的绝好机会。
汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用两大方面。汽车工业共性关键核心技术的缺失,是制约我国汽车创新发展的瓶颈。其实解决轻量化材料问题,不仅需要采用更轻的材料,同时还要掌握这些材料的应用技术,汽车轻量化也不是越轻越好,它需要在一个合理的、 科学的范围内进行;对于轻量化的成本问题也是如此,也需要在一定的的成本控制下实现。
轻量化产品,如果想在市场上有所突破,除了让客户率先认识轻量化的优势外,还要在价格上满足客户的心理需求,同时也要尽快实现产品的规模化生产,降低新型轻量化材料的生产成本。
三、 商用车潜力巨大
商用车实际上是一个耗油大户,要想节约能源,降低二氧化碳排放,最有效手段就是轻量化。数据显示,中国乘用车重量平均比欧洲汽车重5%- 10%,商用车的数字则是17%。例如,国内载重40吨的牵引车自重为9吨,国外先进同等车型只有7吨;而国内自卸车自重则比国外重3-4吨。
从保有量来看,目前我国乘用车和商用车的比例为7:3,耗油量却相反。经测算,如果国内商用车自重减轻10%,其油耗量就可以降低4.8%。到2020年,我国商用车自重若能比2007年的水平平均降低20%-35%,每年则可节约燃油2500万- 3000万吨。
目前中国商用车车型结构偏大、偏重的趋势十分明显。例如40吨的牵引车,国外7吨多,我们是9 吨多。我国的自卸车自重占了一半,几乎1:1,自重比国外多了三四吨;如果不加以控制,必然导致燃油消耗量的快速提高,因此推动商用车轻量化是实现汽车节能减排目标的重要意义。特别是重型载货车的轻量化。而重型载货车在占有量不到5%,油超过了20%。
加大对商用车轻量化技术的研究力度,通过结构优化、多种材料和制造技术的集成应用,尽快缩短与国际先进水平之间的差距,是商用车行业面临的巨大挑战。而目前的政策法规也为商用车轻量化创造了良好的市场环境。这对相关企业而言,是一个难得的机遇。
商用车轻量化还促进产业升级转型。轻量化是项复杂的系统工程,从相关的工业来说,轻量化以后用了很多的新技术,产生了很多新的零件,比如说液压成型的、热成型的,纤维塑料的、包括碳纤维和玻璃纤维。此外,各种轻量化的材料和合适的材料用于合适的部位代表了未来材料应用的发展方向。如果实现了商用车轻量化,无疑将缩小我们与发达国家差距,意义十分重大。
如何在保证并提高汽车安全性的前提下,使汽车轻量化便是摆在业内专家面前一个紧迫的课题。
四、 轻量化技术路径
当前汽车轻量化的主要途径有:
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。
汽车轻量化技术的实施首先是设定工程目标:汽车的最小质量、汽车的轴荷分布以及动态和静态刚度,声学特性和舒适性,被动安全性和满足法规目标,使用寿命和寿命周期等。
基于这些目标,在实施轻量化工程中,具体采以下措施:
五、 抢占竞争先机
作为国内汽车行业首个技术创新战略联盟,中国汽车轻量化技术创新战略联盟相关负责人表示, 国产汽车轻量化目标是2013年目标车型中的燃油轿车减重5%-8%、混合动力客车减重10%;同时,要攻克7项技术,建立设计和评价方法,包括高强度钢零件的先进成型技术、纤维增强塑料的模块设计和应用技术、形变铝合金的开发和制造、多目标轻量化技术的集成应用和共性技术平台建设等。
在全球能源日趋紧张、环境压力加剧,我国也大力倡导节能减排、可持续发展的背景下,汽车轻量化技术作为有效的节能手段之一,已经引起各 大企业重视。
国内相关汽车企业在轻量化领域已取得不俗成绩。以奇瑞汽车为例,整车重量相比2005年减重5% 以上,整车安全性能明显提高,并已形成零部件结构设计、材料应用选型、工艺与模具设计等各系统的轻量化设计及轻量化整车与各系统的性能评估体系。
相比于汽车生产商对汽车轻量化的轻视,汽车材料业界的目光更为敏锐,纷纷开始提升技术,希望能在汽车轻量化进程中占得先机。
首先是钢铁业。2011年,国内钢铁企业濒临全面亏损。原料成本、人力成本、资金成本都处于高位,下游企业订单明显下滑,而代理商普遍要求减量或者退出,国内钢厂的日子很不好过。为寻找新的赢利点,众多钢铁企业开始纷纷进入离钢铁行业比较接近的汽车行业。
其中最为典型的是宝钢。汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室就建在其麾下,在技术领域,宝钢首先获得了一定的话语权,在行动上,宝钢早就开始了与上汽的合作,双方在汽车轻量化技 术战略合作上取得了实质性进展,通过运用综合的轻量化技术,实现车身减重13%左右,为汽车的节能减排创造了条件。
还有铝镁产业。由于铝镁合金性价比低,其关键力学性能与钢铁相比也无明显优势,因此采用高强度钢板热冲压生产技术正呈现出欣欣向荣的趋势,成为同时实现轻量化和提高碰撞安全性的最好途径。这为产业发展提供了新机会,中国铝业、云铝等都已经在跃跃欲试。
更振奋人心的消息是,据美国咨询公司Frost & Sullivan的研究分析师发现,轻量化汽车材料市场在2010年的收入达到380亿美元,并估计在符合环保法规的需求推动下,到2017年该数字有望达到953.4亿美元。
结束语
综上所述,汽车轻量化对汽车节油、降低排放、改善性能、汽车产业健康发展都具有重要意义,是现代汽车工业技术发展的方向。在对整车轻量化设计的同时要综合考虑到高动力输出、低噪声、 低振动以及良好的操控性和高的可靠性。通过对汽车结构和形状的设计优化,应用先进的加工技术和轻量化材料来实现整车的降重。汽车轻量化一定要在控制成本的前提下实现整体的设计要求,只有实现规模生产,这些新型轻量化材料及其加工技术的生产成本才能符合材料生产企业的效益要求。
要提高中国汽车轻量化技术水平,当务之急是集成全国轻量化技术优势,开展产、学、研、用大联合。从汽车轻量化技术发展的战略高度出发,建立资源共享的汽车轻量化技术科技创新平台,推进产、学、研、用的合作与交流,促进汽车轻量化技术成果的转化。
制定汽车轻量化技术重要产品和检测方法等规范及标准;建立高水平的相关产业技术人才培养基地和提供技术咨询的服务机构等,中国汽车工业要做大做强并积极参与国际竞争,其自主研发、突破技术瓶颈及掌握核心技术是必由之路。