近日，美國(guó)通用公司推出了凱迪拉克CT6型轎車(chē)。該車(chē)最大特點(diǎn)是全鋁車(chē)身，全鋁動(dòng)力總成，車(chē)身5.2m，自重只有1 600kg（減重100多公斤），最大限度實(shí)現(xiàn)了輕量化。CT6全車(chē)鋁材用量超過(guò)57%，這樣既保證了車(chē)身的強(qiáng)度，節(jié)省了燃油消耗，減少了排放污染，也降低了后期維修費(fèi)用。
由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車(chē)輕量化已成為世界汽車(chē)發(fā)展的潮流。據(jù)研究表明，一輛汽車(chē)的自重每減少10%，燃油消耗量就降低6%～8%，同時(shí)降低5%～6%的排放，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能減排意義重大。實(shí)施汽車(chē)輕量化過(guò)程中，鋁合金材料發(fā)揮著重要作用，其主要用來(lái)改造和替代車(chē)身材料。汽車(chē)輕量化大致可以分為車(chē)身輕量化、發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化、底盤(pán)輕量化三類(lèi)，其目的均是在保證性能的前提下，通過(guò)使用更輕材料降低車(chē)重，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保功能。
汽車(chē)輕量化現(xiàn)狀
最早把鋁材運(yùn)用到汽車(chē)上的是印度人。據(jù)記載，1896年印度人率先用鋁制作了汽車(chē)曲軸箱。進(jìn)入20世紀(jì)初期，鋁在制造豪華汽車(chē)和賽車(chē)上有了一定應(yīng)用，鋁制車(chē)身的汽車(chē)開(kāi)始出現(xiàn)，如亨利·福特的ModelT型汽車(chē)和二三十年代歐洲賽車(chē)場(chǎng)上法拉利360賽車(chē)都是鋁制車(chē)身。鋁具有密度小、耐蝕性好等特點(diǎn)，且鋁合金的塑性?xún)?yōu)良，鑄、鍛、沖壓工藝均適用，是最適合汽車(chē)零部件生產(chǎn)的壓鑄工藝。目前，美國(guó)、日本、德國(guó)是汽車(chē)采用鋁合金最多的國(guó)家，如德國(guó)大眾奧迪A8、A2，日本的謳歌等部分車(chē)型的車(chē)身用鋁合金量達(dá)80%。我國(guó)目前也有大量汽車(chē)企業(yè)應(yīng)用了鋁合金材料，如上汽、一汽、東風(fēng)、長(zhǎng)城、奇瑞等企業(yè)，自主品牌紅旗轎車(chē)，采用鋁合金約80～100kg。
雖然汽車(chē)輕量化已是大勢(shì)所趨，但國(guó)內(nèi)汽車(chē)在輕量化技術(shù)方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍存在一定差距，尤其是在高端材料的應(yīng)用和發(fā)展方面，更是受制于人。同樣一輛車(chē)，國(guó)外車(chē)身自重為1.3t，而我們卻是1.5t以上。我國(guó)乘用車(chē)自重平均比歐洲汽車(chē)重5%～10%，商用車(chē)的數(shù)字則是17%。例如，國(guó)內(nèi)載重40t的牽引車(chē)自重為9t，國(guó)外同等先進(jìn)車(chē)型只有7t，而國(guó)內(nèi)自卸車(chē)自重則比國(guó)外重3～4t。
在汽車(chē)傳統(tǒng)塑料應(yīng)用件的比例上，與國(guó)外車(chē)企并沒(méi)有太大差距。但是在向高端發(fā)展時(shí)，無(wú)論是材料技術(shù)，還是設(shè)計(jì)水平，都面臨種種困難。材料加工成零部件是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。雖然國(guó)內(nèi)的汽車(chē)通道、接頭、內(nèi)飾件、保險(xiǎn)杠甚至包括儀表盤(pán)等都是用塑料做的，但向功能件、結(jié)構(gòu)件發(fā)展時(shí)，就遇到了不少難題。
國(guó)內(nèi)原材料本身就很落后，尤其是高端材料完全被國(guó)外的一些化學(xué)廠商所壟斷控制，例如杜邦、巴斯夫、拜爾，他們掌握材料的設(shè)計(jì)技術(shù)和分析技術(shù)，也掌握零部件的設(shè)計(jì)技術(shù)。由于高端材料長(zhǎng)期受制于國(guó)外技術(shù)壟斷，導(dǎo)致產(chǎn)品成本居高不下，迫使一些企業(yè)放棄高端材料在汽車(chē)上的使用。
目前，阻礙我國(guó)汽車(chē)輕量化技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵因素，是各研發(fā)機(jī)構(gòu)往往只注重單個(gè)技術(shù)的研發(fā)，很少開(kāi)展各技術(shù)間的交叉與融合。材料企業(yè)往往只管做出材料，而車(chē)企則負(fù)責(zé)制造和組裝，雙方缺乏溝通和協(xié)作，也導(dǎo)致輕量化材料在產(chǎn)業(yè)推廣方面步履維艱。
輕量化技術(shù)的發(fā)展涉及眾多學(xué)科，需要運(yùn)用多學(xué)科交叉融合所形成的綜合性、系統(tǒng)性知識(shí)體系。因此，未來(lái)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的輕量化需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)各界的共同努力和探索。隨著我國(guó)汽車(chē)保有量的不斷攀升，以及汽車(chē)尾氣排放對(duì)城市空氣污染的加劇，車(chē)身輕量化發(fā)展的要求變得更加迫切。對(duì)此，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)或政府部門(mén)應(yīng)該做出戰(zhàn)略性的超前部署。
中外車(chē)企爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)輕量化新品
寶馬已經(jīng)量產(chǎn)的BMWi3純電動(dòng)汽車(chē)，外殼材料為塑料、底盤(pán)材料為鋁合金，與傳統(tǒng)同類(lèi)車(chē)型相比，實(shí)現(xiàn)減重250kg左右。這一現(xiàn)實(shí)不僅能夠引領(lǐng)汽車(chē)設(shè)計(jì)新潮流，更將顛覆汽車(chē)制造流程及整體市場(chǎng)格局。BMWi3的單一車(chē)門(mén)重量不到8kg，比鋁合金制造的車(chē)門(mén)減輕了30%，而比起鋼板制造更減輕了50%。因此，BMWi3的車(chē)體部分，總重量?jī)H是驚人的180kg，而量產(chǎn)版本的i3總車(chē)重更僅有1t，其輕量化成效十分明顯。
另外，新一代寶馬7系也引入了i系列車(chē)型使用CFRP碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、鋁合金和高強(qiáng)度鋼等多種材料制造車(chē)身，從而在輕量化、高強(qiáng)度和成本之間取得平衡。寶馬有關(guān)人士表示，這些輕量化材料令白車(chē)身質(zhì)量降低了40kg，在其他關(guān)鍵部分使用鋁合金材料令質(zhì)量下浮達(dá)到200kg。雖然寶馬在新一代7系中加強(qiáng)了隔音物料，配備了更復(fù)雜的安全設(shè)備，但整備質(zhì)量仍然削減了130kg。
寶馬i 8 采用了與i 3 相同的“LifeDrive”模塊架構(gòu)，這種全新的設(shè)計(jì)理念將車(chē)身結(jié)構(gòu)分成了Life和Drive兩個(gè)獨(dú)立的部分。整個(gè)乘員艙的結(jié)構(gòu)由多層碳纖維復(fù)合材料拼合而成，輕量化和高強(qiáng)度是它最大的特點(diǎn)，這樣的設(shè)計(jì)類(lèi)似于F1賽車(chē)中駕駛艙的單體橫造結(jié)構(gòu)（由碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成），而最終的效果就是i8的車(chē)身質(zhì)量不到1.5t。
作為汽車(chē)的發(fā)明者，奔馳計(jì)劃在2016年春天開(kāi)賣(mài)的E220d上，搭載奔馳旗下全鋁合金的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)OM654。相對(duì)OM651 2.1L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，節(jié)能效率提升了13%，在排氣量降低至2.0L的同時(shí)，重量最小能降低到165.4kg。E220d百公里加速成績(jī)?yōu)?.3s，最高時(shí)速為240km/h，百公里平均油耗4.3L。由于OM654的輕量化和小型化，這款發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)運(yùn)用到更多場(chǎng)景，通過(guò)縱向和橫向布局，能夠運(yùn)用在前驅(qū)、后驅(qū)、四驅(qū)不同配置中，以應(yīng)付全球更嚴(yán)苛的排放法規(guī)。
福特F150也采用了大量的輕量化材質(zhì)對(duì)車(chē)身進(jìn)行減重，使整車(chē)重量?jī)H為1807kg，減重高達(dá)318kg，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比有了很明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)由于車(chē)身的大幅減重，其有著不錯(cuò)的燃油經(jīng)濟(jì)性，相比上一代車(chē)型而言，燃油經(jīng)濟(jì)性上也要相比現(xiàn)款減少30%以上。去年，銳界、林肯MKX、探險(xiǎn)者三款SUV也采用了與F150相同的輕量化技術(shù)，車(chē)身實(shí)現(xiàn)了大幅減重。
本土車(chē)企中，長(zhǎng)城汽車(chē)和奇瑞汽車(chē)是在這一研究領(lǐng)域走得最遠(yuǎn)的兩家車(chē)企。幾年前，奇瑞汽車(chē)聯(lián)合全球最大的聚合物生產(chǎn)公司之一德國(guó)拜耳材料科技（中國(guó)）有限公司，聯(lián)手創(chuàng)建了“奇瑞——拜耳汽車(chē)輕量化聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，雙方就聚氨酯復(fù)合材料、聚碳酸酯塑料車(chē)窗
用材料、新能源鋰電池材料、吸音降噪等材料在汽車(chē)上的應(yīng)用展開(kāi)共同研究，并對(duì)外聯(lián)合申請(qǐng)項(xiàng)目及推廣。而在此之前，奇瑞的A3CC雙門(mén)跑車(chē)已經(jīng)在德國(guó)展出，其前翼子板采用Noryl GTX樹(shù)脂制成。
早在幾年前，長(zhǎng)城汽車(chē)就在多款車(chē)型上采用了鋁合金技術(shù)。其發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器基本都采用了鋁合金材料。同時(shí)正逐步將碳纖維技術(shù)應(yīng)用在汽車(chē)上。目前長(zhǎng)城汽車(chē)已在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、變速器殼體、凸輪軸、車(chē)輪、軸承蓋、進(jìn)氣管、缸蓋罩、油底殼上大量應(yīng)用了鋁合
金技術(shù)。長(zhǎng)城汽車(chē)自主研發(fā)的節(jié)能環(huán)?；旌蟿?dòng)力SUV哈弗E，為全鋁合金封閉型承載式車(chē)身，整體風(fēng)格以“運(yùn)動(dòng)”型為主。剪刀門(mén)的啟閉方式，可節(jié)約?？靠臻g；車(chē)門(mén)應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料(GFRP)，實(shí)現(xiàn)了“排放低碳化，車(chē)身高碳化”的目標(biāo)；全車(chē)采用了德國(guó)拜耳公司的
PC玻璃，相比于傳統(tǒng)玻璃重量降低40%～60%。同時(shí)，輕體高強(qiáng)度鋼在長(zhǎng)城汽車(chē)上也得到了大量應(yīng)用。
上海申沃客車(chē)有限公司與愛(ài)普車(chē)輛公司合作制造的全鋁車(chē)身的純電動(dòng)客車(chē)在2015年上海車(chē)展上曾閃亮登場(chǎng)。上海申龍客車(chē)有限公司制造的全鋁車(chē)身SLK6109混合動(dòng)力公交客車(chē)已進(jìn)入上海公交和新加坡公交市場(chǎng)，并榮獲中國(guó)2014最佳公交客車(chē)大獎(jiǎng)。廈門(mén)金龍旅行車(chē)有限公司制造的全鋁車(chē)身純電動(dòng)公交車(chē)已批量出口荷蘭和挪威。南寧源正全鋁車(chē)身新能源汽車(chē)正在建設(shè)之中，建成后，將形成年產(chǎn)2萬(wàn)輛全鋁車(chē)身新能源客車(chē)的產(chǎn)能。
鋁在新能源汽車(chē)應(yīng)用市場(chǎng)也很樂(lè)觀。新能源汽車(chē)由于受到電池重量及電池續(xù)航里程的影響，車(chē)身減重要比傳統(tǒng)汽車(chē)迫切，在汽車(chē)輕量化材料中，鋁合金材料綜合性?xún)r(jià)比要高于鋼、鎂、塑料和復(fù)合材料，無(wú)論應(yīng)用技術(shù)還是運(yùn)行安全性及循環(huán)再生利用都具有明顯優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外全鋁汽車(chē)的快速發(fā)展，就足以證明這一點(diǎn)。
輕量化漸成趨勢(shì)
汽車(chē)輕量化與新材料的應(yīng)用密不可分。當(dāng)前，工程塑料、鋁合金、鎂合金、高強(qiáng)度鋼等新材料的運(yùn)用，開(kāi)始成為汽車(chē)輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。
在未來(lái)幾年里，隨著高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鋁合金材料的開(kāi)發(fā)成功和制造工藝的不斷改進(jìn)，鋁合金材料將愈來(lái)愈多的用來(lái)制造汽車(chē)零部件。
專(zhuān)家表示，基于成本的考慮，鎂鋁合金目前在汽車(chē)上應(yīng)用量還不大，但未來(lái)將會(huì)逐步應(yīng)用于一些中高端車(chē)型上，而現(xiàn)在汽車(chē)制造仍以鋼材為主流材料。因此就目前來(lái)說(shuō)，比較適宜普及應(yīng)用的輕量化材料除鋁合金外還有高強(qiáng)度鋼。相比鎂鋁合金、碳纖維等其他材料，高
強(qiáng)度鋼在抗碰撞性能、加工工藝和成本方面的優(yōu)勢(shì)還是十分明顯的，因此，推動(dòng)起來(lái)也比較容易。
據(jù)悉，目前北美每輛汽車(chē)使用鎂合金3.5kg，而國(guó)產(chǎn)汽車(chē)每輛用量平均僅1.5kg。專(zhuān)家預(yù)測(cè)，到2020年，歐美日汽車(chē)用鎂合金的市場(chǎng)需求是77萬(wàn)t，國(guó)內(nèi)需求為5萬(wàn)～10萬(wàn)t。專(zhuān)家介紹，鎂合金重量輕、吸振性能強(qiáng)、鑄造性能好，但成本比鋁合金高10%以上。
汽車(chē)用工程塑料在發(fā)達(dá)國(guó)家被當(dāng)做衡量汽車(chē)設(shè)計(jì)和制造水平高低的一個(gè)重要標(biāo)志。目前德國(guó)汽車(chē)用量最多，占整車(chē)用料的15%以上。奔馳SLR、寶馬i系以及意大利的蘭博基尼等眾多車(chē)型大范圍地采用更為先進(jìn)的車(chē)用工程塑料。目前，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的汽車(chē)部件也開(kāi)始采用工程塑料替代金屬制件。以塑料件代替金屬材料部件，不僅能夠減輕車(chē)重，降低燃油消耗和排放，還可以提高汽車(chē)的動(dòng)力、舒適性及安全性，所以其廣泛應(yīng)用在汽車(chē)動(dòng)力及底盤(pán)系統(tǒng)、內(nèi)外裝飾件、汽車(chē)電子等部件上。
專(zhuān)家表示，汽車(chē)輕量化技術(shù)要以創(chuàng)新需求為紐帶，以獲取汽車(chē)輕量化核心技術(shù)為長(zhǎng)期戰(zhàn)略目標(biāo)，要加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，大力發(fā)展新材料、新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品。突破汽車(chē)輕量化技術(shù)發(fā)展瓶頸，將其納入現(xiàn)代汽車(chē)制造業(yè)，對(duì)于節(jié)約能源與減少排放意義重大。
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