汽車車身輕量化材料的應(yīng)用實(shí)踐探究

摘要：當(dāng)前車身輕量化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)途徑主要是輕量化材料的應(yīng)用，隨著車身輕量化需求的提升，車身輕量化材料的應(yīng)用也不斷增多。主要針對(duì)幾種車身輕量化材料的特征進(jìn)行了分析，針對(duì)車身結(jié)構(gòu)性能及相關(guān)特點(diǎn)進(jìn)行了研究，闡述了輕量化材料在汽車車身中的實(shí)踐應(yīng)用及發(fā)展前景。

在汽車設(shè)計(jì)與制造中，輕量化車身是發(fā)展的趨勢(shì)。汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)是在確保汽車安全性與強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡可能的將自身重量降低，從而使汽車的運(yùn)載能力提升、油耗降低、污染氣體排放減少等。相關(guān)資料顯示，汽車重量降低 10%，燃油消耗可降低 6%-10%，因此汽車輕量化也是節(jié)能環(huán)保的要求。現(xiàn)階段，車身輕量化研究的方向主要是車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和輕質(zhì)車身材料的選擇，而其中發(fā)展的空間較大的是對(duì)輕量
材料的研究，這也是車身輕量化實(shí)現(xiàn)的主要途徑。

1 新型高強(qiáng)度鋼

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在原高強(qiáng)度鋼的基礎(chǔ)上研究出高強(qiáng)度、深拉伸性、烘烤硬化等新型高強(qiáng)度鋼。現(xiàn)階段，車身采用的主要板材與管材主要是高強(qiáng)度鋼，

如：（1）烘烤硬化鋼，該鋼板的強(qiáng)度在烘烤涂漆過程中強(qiáng)化，鋼板的厚度可以降低，但其抗凹陷性得到提高，在成形難和強(qiáng)度高的零件中應(yīng)用較多，如車門、車頂?shù)炔课唬?/p>

（2）相變誘發(fā)塑性鋼，屬于一種高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，在發(fā)生碰撞的時(shí)候可以將撞擊的能量吸收，主要用于車身框架結(jié)構(gòu)中；

（3）馬氏體相位鋼，在防撞要求比較高的零件中應(yīng)用較多，可在短時(shí)間內(nèi)的碰撞行程中，將大量的能量吸收掉，主要用于車身側(cè)方防撞保護(hù)件中；

（4）硼鋼，在高成形度與高強(qiáng)度零件中應(yīng)用較多。以上高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，可以顯著降低車身重量，降低整車總重量。

2 輕合金材料

2.1 鋁合金材料

在汽車輕量化材料中，鋁材是非常理想的材料，其重量輕、資源豐富，在節(jié)約資源、再生利用、耐腐蝕、吸收沖擊能等方面的作用非常明顯。鋁材在車身上應(yīng)用，主要以變形鋁合金為主。不同的變形鋁合金的性能是不同的，可以根據(jù)性能用于車身不同部位，如根據(jù)剛度和強(qiáng)度，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車廂蓋等位置。現(xiàn)階段 AI-LI 型鋁合金以其高彈性模量、高強(qiáng)度、低密度、超塑性等優(yōu)勢(shì)，在車輛防震板中已經(jīng)得到
了廣泛的應(yīng)用。鋁合金的成型性較好，車體結(jié)構(gòu)采用鋁合金型材作為框架，通常中強(qiáng)度鋁材即可滿足要求。對(duì)于擠壓鋁合金型材，除了剛性高和重量輕以外，其耐腐蝕、耐高溫等特性也較為突出。一般鋁制車身選擇厚壁鍛鋁梁焊接而成，其強(qiáng)度與剛度高于沖壓薄鋼，框架整體穩(wěn)定性更高。從鋁板覆蓋件的應(yīng)用與發(fā)展來看，表面質(zhì)量?jī)?yōu)良、強(qiáng)度高、成型加工性好的鋁板會(huì)逐步取代鋼板成為車身輕量化發(fā)展中的主要材料。與鋼板相比，相同強(qiáng)度鋁板質(zhì)量降低了近 50%。受我國鋁的產(chǎn)量、價(jià)格及汽車制造水平等因素影響，鋁材現(xiàn)今在汽車中使用量還不是很大。因此，降低成本、提高質(zhì)量、增加品種已經(jīng)成為我國汽車行業(yè)與鋁加工行業(yè)向世界先進(jìn)水平發(fā)展的主要方向。

2.2 鎂合金材料

與鋁合金相比，鎂合金的密度更小，重量更輕，而且其耐腐蝕、耐擠壓、耐高溫的特性都要高于鋁材，并且便于回收，是當(dāng)前汽車節(jié)能環(huán)保的重要結(jié)構(gòu)材料。現(xiàn)階段應(yīng)用在汽車車身上的鎂合金材料有日本生產(chǎn)的 IM Mg-Y 系變形鎂合金、美國生產(chǎn)高強(qiáng)度 ZK60 變形鎂合金，以及一些可以進(jìn)行加工的鎂合金板材。目前，西方國家正在研究應(yīng)用于汽車零部件的鎂合金汽車零部件已經(jīng)近百種，如果這些零部件能夠?qū)ΜF(xiàn)有汽車零部件全部進(jìn)行成功替換，那么車身重量會(huì)大大降低。我國屬于鎂資源生產(chǎn)大國，而且鎂礦產(chǎn)品種類多、儲(chǔ)量大，占世界可用鎂資源的七成左右。而且鎂合金生產(chǎn)企業(yè)在我國也非常多，關(guān)于鎂合金汽車用零配件項(xiàng)目在多個(gè)企業(yè)中已經(jīng)開始研發(fā)并生產(chǎn)。在汽車上鎂合金材料的應(yīng)用逐漸增加，從其發(fā)展的趨勢(shì)來看，鎂合金材料在以后的汽車工業(yè)發(fā)展中，必定是車身輕量化發(fā)展中的重要材料。

3 工程塑料及復(fù)合材料

在汽車輕量化材料中，工程塑料與復(fù)合材料是也重要的類型。

工程塑料和一般的塑料相比，具有尺寸穩(wěn)定、耐磨、耐熱、耐化學(xué)性、機(jī)械性能良好等優(yōu)勢(shì)，并且質(zhì)量非常輕，如果取代車身部分金屬零部件，車身質(zhì)量必定會(huì)大大降低。現(xiàn)階段，工程塑料主要用在車體內(nèi)飾和外飾等裝飾件上，如儀表盤、車門內(nèi)板、頂棚、車門防撞條、散熱器罩、車床、座椅支架等，和金屬材料相比，重量可減輕 40%左右。工程塑料對(duì)輕微碰撞與腐蝕有較好的耐受性，低速碰撞條件下，不需要維修。從制造角度看，其成形方便，零件集成容易，是理想的輕量化材料。

纖維增強(qiáng)塑料屬于一種復(fù)合材料，比較常用的是帶有熱固性樹脂和玻璃纖維的纖維增強(qiáng)塑料。這種材料設(shè)計(jì)靈活、密度小、耐腐蝕、易成型、抗震、抗沖擊、強(qiáng)度高、具有和金屬材料類似的機(jī)械性能，在一些特定條件下，有金屬薄板所達(dá)不到的優(yōu)勢(shì)，降低車身重量的能力高于鋁材，而且生產(chǎn)成本較低。當(dāng)前在車身使用的主要是玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯片狀模塑料，用于前擋泥板延伸部件、燈罩、前翼子板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等部位。此外，碳纖維也是一種纖維狀復(fù)合材料，碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與韌性較好，質(zhì)量?jī)H為鋼材的 1/4，而強(qiáng)度高、重量輕的性能正適應(yīng)了當(dāng)前車身輕量化發(fā)展的需求，但由于該材料的成本相對(duì)較高，因此當(dāng)前只應(yīng)用于高端汽車中。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段，大多數(shù)的車輛車身材料主要有高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂及工程塑料等材料。而基于這些基礎(chǔ)材料而出現(xiàn)的一些新技術(shù)、新工藝、新材料的研發(fā)，使汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可采用多種輕量化材料，大大降低了車身重量，提高了車輛的運(yùn)載能力、降低了油耗、保護(hù)了環(huán)境。因此，輕量化車身設(shè)計(jì)是汽車工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。