汽車節(jié)能減排及輕量化技術(shù)方法
對(duì)于要保證能源安全、保護(hù)環(huán)境、減少霧霾，必須降低汽車的燃油消耗和排放污染，汽車節(jié)能、減排有很多技術(shù)路徑，其中，輕量化是汽車節(jié)能減排最有效的途徑。那么，下面是小編為大家分享汽車節(jié)能減排及輕量化技術(shù)方法，歡迎大家閱讀瀏覽。
車重與燃油消耗和排放的關(guān)系
汽車的四大行駛阻力(滾動(dòng)阻力、坡度阻力、加速阻力和空氣阻力)中有三個(gè)與車重成正比。要減少汽車行駛阻力，節(jié)能減排，必須降低車重。不同汽油乘用車整備質(zhì)量會(huì)隨著燃油消耗量的增加而增加，而汽車整備質(zhì)量增加，每升油的行駛里程逐漸下降、CO2排放明顯增加。
不同國(guó)家制定的輕量化目標(biāo)
美國(guó)近年來在輕量化技術(shù)上投入較大，制定了明確的輕量化用材技術(shù)路線，正在逐步扭轉(zhuǎn)其汽車大華貴和油耗高的形象。美國(guó)制定的輕型車減重目標(biāo)，明確規(guī)定了車身、底盤、動(dòng)力總成和內(nèi)飾件從2020-2050每隔10年的減重計(jì)劃。
歐洲制定了從乘用車到商用車、從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高強(qiáng)輕質(zhì)材料應(yīng)用到輕量化工藝實(shí)施年度規(guī)劃，形成了較為完備的汽車輕量化技術(shù)路線。
日系車在小型化和輕量化方面具備一定優(yōu)勢(shì)，目前的主要工作集中在輕量化材料和工藝的研究與應(yīng)用上，并且各車企也同步制定了相應(yīng)的輕量化戰(zhàn)略目標(biāo)。
國(guó)務(wù)院發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020年)》提出，2015年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至6.9L/100km，節(jié)能型乘用車燃料消耗量降至5.9 L/100km以下。到2020年，當(dāng)年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至5.0 L/100km，節(jié)能型乘用車燃料消耗量降至4.5 L/100km以下。商用車新車燃料消耗量接近國(guó)際先進(jìn)水平。
輕量化材料及其應(yīng)用
不同材料性能比較，考慮到材料的性價(jià)比，每種材料都有其自身特有的潛力、用途和優(yōu)勢(shì)。
1. 鋁合金在汽車上的應(yīng)用
鋁合金因其質(zhì)輕密度低(是鋼的1/3)、比強(qiáng)度高、比剛度高、抗沖擊性好，便于回收再利用，目前被廣泛應(yīng)用在汽車上。北美統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)的鋁合金占車身自重比例(2014年單車平均用鋁為163kg，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到170kg)。我國(guó)乘用車平均用鋁合金重量為120kg左右，合資品牌乘用車用鋁量高于自主品牌，平均較10年前的用鋁量的90kg增長(zhǎng)了30kg。 國(guó)產(chǎn)輕型商用車平均鋁合金用量為70-120kg。 國(guó)產(chǎn)重型商用車平均鋁合金用量為250-350kg，比10年前增長(zhǎng)了50%-100%。
全鋁新能源大客車車身應(yīng)用多種強(qiáng)度鋁合金型材和不同成形級(jí)別的鋁合金板，配以鉚接、焊接、粘接等復(fù)合連接形式，在保證車身強(qiáng)度、剛性和制造工藝的同時(shí)，使得車身重量比對(duì)標(biāo)車型減少40.7%。該車還應(yīng)用700MPa級(jí)高強(qiáng)鋼車架和高應(yīng)力少片簧，集成了6061鋁合金車輪、油箱、貯氣筒;AM60B鎂合金座椅骨架、鎂合金方向盤芯骨;PC玻璃、1200MPa奧貝球鐵、蜂窩泡沫地板等等多種輕量化零件，使得整車重量較對(duì)標(biāo)車型減重11%。
2. 鎂合金在汽車上的應(yīng)用
鎂合金因其質(zhì)輕密度低(約是鋼的1/4)、比強(qiáng)度高、比剛度高、抗沖擊性好，阻尼減振性好，但耐蝕性差，多被應(yīng)用在汽車內(nèi)飾件上。
目前汽車上采用鎂合金零部件共有60多種，所用的鎂合金材料主要是AZ(Mg-Al-Zn)和AM(Mg-Al-Mn)合金，少量采用AE(Mg-Al-Re)和AS3(Mg-Al-Si)合金。相比鋁合金而言，可選擇的鎂合金材料牌號(hào)比較少。國(guó)內(nèi)乘用車平均用鎂量約為0.7kg～1.2kg，個(gè)別商用車車型鎂合金用量達(dá)2.0kg～3.0kg
3. 高強(qiáng)鋼在汽車上的應(yīng)用
ECB 2013上參展的10種有代表性車型的高強(qiáng)鋼用量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可見高強(qiáng)鋼用量已占50.2%，開始高于軟鋼。英菲尼迪Q50不僅采用Zone Body區(qū)域車身結(jié)構(gòu)，更是全球首次在七處關(guān)鍵部位采用1200兆帕的超高強(qiáng)度鋼材料。
國(guó)內(nèi)第一代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼性能和成本一般，技術(shù)成熟、已經(jīng)批量生產(chǎn)和應(yīng)用;第二代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼性能有大幅提升，技術(shù)基本成熟、有部分應(yīng)用、但價(jià)格太高、限制了推廣應(yīng)用;第三代高強(qiáng)度鋼性價(jià)比好，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，目前正在試用。國(guó)內(nèi)合資品牌汽車高強(qiáng)鋼應(yīng)用比例約為56%，與國(guó)外車型相當(dāng);國(guó)內(nèi)自主品牌乘用車高強(qiáng)鋼應(yīng)用比例約為28%，還較低(見圖2)。
4. 非金屬材料在汽車上的應(yīng)用
(1)工程塑料
根據(jù)1980～2013年非金屬材料在汽車上應(yīng)用比例統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，非金屬材料在汽車上應(yīng)用的比例逐漸增加。以某自主品牌車型為例，整車非金屬材料用量(塑料、橡膠、皮革面料、泡沫等)約200kg，占整車用材的16%;PP約占整車塑料用量的57%;尼龍占整車塑料用量的14%;輪胎用橡膠約占整車橡膠用量的70%。
在底盤和動(dòng)力總成中應(yīng)用非金屬材料約75kg，其中塑料約30kg，橡膠約45kg。在發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板、前保險(xiǎn)杠、翼子板、后防撞梁、車內(nèi)門板、行李箱蓋、儀表板和后風(fēng)窗玻璃等車身零部件上非金屬材料也有著非常廣泛的應(yīng)用。
(2)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料
Alfa Romeo 4C的乘員艙模塊采用了碳纖維復(fù)合材料，該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)抗撞性，在碰撞中力和能量傳遞合理，乘員艙變形小，保證足夠的容身空間，實(shí)現(xiàn)最大程度的結(jié)構(gòu)輕量化。邁凱輪P1就大量使用了碳纖維材料，優(yōu)秀的抗熱沖擊和熱摩擦性能都確保機(jī)器在任何情況下都有穩(wěn)定的發(fā)揮。而最重要的是，它能在很大程度上減輕重量，而寶馬i3通過大量使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，比原來設(shè)計(jì)之初減輕了250～350kg，在很大程度上彌補(bǔ)了電池帶來的'重量，這也是為什么寶馬i3看起來比別的電動(dòng)汽車輕的原因。
而國(guó)內(nèi)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用剛剛開始，主要用在發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩板、行李箱蓋、前保險(xiǎn)杠、電池倉(cāng)、車輪和一些外部裝飾件，以及新能源汽車車身上。
結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)
汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)有很多方法，包括：多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化(MOD)，拓?fù)�、尺寸和形貌�?yōu)化等。只要在保證汽車性能不降低的條件下，得到的結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方案才具有實(shí)用價(jià)值。在不改變?cè)总嚿聿馁|(zhì)的情況下，經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)后白車身的質(zhì)量由326.22kg下降到291.21Kg，比原白車身質(zhì)量減少了35.0kg，減重10.7%。
自主品牌轎車輕量化技術(shù)路徑
王登峰教授表示，自主品牌汽車的輕量化水平與國(guó)外同類車型相比尚存在一定差距，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)自主品牌汽車用材仍然是以鋼材為主的多材料混合結(jié)構(gòu)，鋁、鎂合金和復(fù)合材料在汽車零部件上的應(yīng)用比例會(huì)越來越多;纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和塑料在汽車內(nèi)外飾件、甚至結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用發(fā)展迅速;綜合考慮成本、用材、設(shè)計(jì)和工藝，有良好性價(jià)比的汽車輕量化技術(shù)才能得到很好應(yīng)用;合適的材料、最優(yōu)的結(jié)構(gòu)、先進(jìn)的工藝，用在汽車合適的零部件和位置上是汽車輕量化的發(fā)展方向。
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