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汽車輕量化材料、工藝、成本、水平、技術路線匯總

2018-07-02 11:24:16 作者：本網整理來源：蓋世汽車分享至：

乘用車車身包括下部車身、上部車身骨架、車門、發動機罩蓋、行李箱蓋、翼子板等部件，是發動機、變速器、傳動系統、制動系統、懸架系統、排氣系統、電氣系統及內飾件的安裝基礎，并通過其相應的結構設計滿足成員的安全性要求。車身輕量化的目的在于保證車身結構抗撞性、剛度、強度以及NVH性能前提下，減輕身上骨架質量，同時不提高汽車車身制造成本來增強整車產品的市場競爭力。

輕質材料

車身上應用的不斷擴大的高強、輕質材料主要為高強度鋼與超高強度鋼、鋁合金、鎂合金工程塑料以及符合材料等。

高強度鋼

高強度鋼主要應用于前防撞梁，A、B、C柱加強件，門檻梁，車門防撞梁和車頂橫梁等關鍵部位，并且因公比例逐漸擴大。歐美部分車身車身高強度鋼應用比例已超過60%，如奧迪A3、寶馬3系、凱迪拉克ATS、福特蒙迪歐等；日系車型高強度鋼占比也超過50%，如英菲尼迪Q50、本田思域等；

鋁合金

鋁合金已由發動機罩向翼子板、行李廂蓋及車門上逐漸延伸，部分高端車已實現全部鋁合金車身；

鎂合金

鎂合金已經從方向盤骨架、座椅骨架向轉向支撐、傳動系殼體零件上發展；

纖維增強復合材料

纖維增強復合材料已開始應用于前段模塊、后尾門、進氣歧管等零部件；碳纖維復合材料已由跑車、豪華車向中高端車和電動車應用擴展。如圖某轎車帶四門兩蓋的車身結構。

結構優化設計

在結構優化設計方面，車型開發前期，對車身結構做出更合理的設計規劃更為重要。目前多材料車身結構輕量化設計正在向著搭建參數化設計平臺（如圖），應用拓撲優化、尺寸優化、形貌優化、多目標優化以及結構-材料-性能一體化優化設計方向發展。

一、材料應用

1、高強度鋼

高強度鋼主要應用在車上內外板以及車上結構件，同時高強度鋼可以有效提升車身被動安全性。先進剛度剛在汽車超輕鋼車身、先進概念車上應用，在減重、節能、提高安全性、降低排放發面應用前景良好。雖然在成型中面臨回彈等問題挑戰，但相比于其他替代材料，高強度鋼還是性價比最好、最具吸引力的材料。

2、鋁合金

鋁合金的應用始于20世紀90年代，以奧迪汽車推推出的全鋁空間框架車身為代表。提出了奧迪全鋁車身框架概念（ASF），推出相應車身Audi100、第一代Audi A8、A2.除奧迪其他公司也推出了全鋁車身，如捷豹XJ、新路虎攬勝、奔馳S級車等如圖所示。

變形鋁合金在車身零件級結構件的應用方面發展比較快，如應用日益廣發的鋁合金行李箱蓋、發動機艙罩蓋、后背門、保險杠橫梁等，隨著凝固鋁合金、粉末冶金鋁合金、超塑性鋁合金、鋁基復合材料和泡沫鋁材等新材料的開發應用，未來鋁合金在汽車應用范圍將進一步擴大，并將呈現鑄件、型材、板材并舉的局面，預計未來鋁將成為僅次于鋼的第二大汽車用材料。

奧迪A8全鋁車身

3、鎂合金

目前鎂合金在車身上主要集中在方向盤骨架。儀表盤骨架、座椅骨架等零部件上，在白車身結構件上還沒有量產應用。目前僅有克萊斯勒某車型上做過嘗試，如圖。由于鎂合金耐腐性和成型方面限制，目前尚未得到廣泛應用。

4、復合材料

汽車工業復合材料技術首先應用于保險杠，而后用與生產變截面彈簧鋼板以代替鋼板，之后又用與生產四門兩蓋。復合材料大規模應用是在20世紀80年代中期以后。1990年福特、克萊斯勒相繼開發出復合材料。

復合材料具有許多金屬材料無法比擬的優點：密度低、比強高、比模高；材料性能具有可設計性；制品結構設計自由度大，易實現集成化、模塊化設計；抗腐蝕性好、耐久性能好，隔聲降噪；可采用多種成型工藝，模具成本低；A級表面，可免噴涂等工序；投資少，生產周期短。目前，汽車輕量化發展需求迫切，從成本性能發展綜合考慮，可用于車身結構件的復合材料以樹脂基碳纖維增強復合材料為首選?？梢詰糜诎l動機艙罩蓋、翼子板、車頂、行李箱、門板、底盤燈結構件中。

隨著車用復合材料技術的發展，現已廣發的應用在跑車、豪華車上，于鋁合金構件比，復合材料可以減重50%左右，目前車上碳纖維已從單向絲、雙向編制物，發展到多軸中空的碳纖維預制體，可獲得多種形狀結構的汽車部件，如圖寶馬I3電動汽車復合材料應用。