汽车轻量化设计

四、汽车轻量化设计

在新能源路线迟迟不清晰的形势下，轻量化已经成为全球主流汽车企业“曲线救国”的必要方式。甚至有人认为：汽车轻量化将拯救全球汽车业。这是因为汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放都十分重要。研究显示，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽车整备质量，每减少100kg，百千米油耗可降低0.3～0.6L；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。

汽车车身约占汽车总重量的30%，空载情况下，约70%的油耗用在车身重量上。因此，车身变轻对于整车的燃油经济性、减少废气排放等都大有裨益。

1.实现汽车轻量化的措施

汽车的轻量化主要通过合理的结构设计和使用轻质材料的方式来实现。

(1)从汽车结构设计阶段就开始“轻量化”

目前在国内外汽车轻量化技术发展中，首要措施是轻量化的结构设计，它已经融合到了汽车设计的前期，使轻质材料在汽车上的应用，包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等，与结构设计以及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的研究应用融为一体。轻量化的手段之一就是对汽车总体结构进行分析和优化，实现对汽车零件的精简、整体化和轻质化；利用CAD/CAE/CAM一体化技术，可以准确地实现车身实体结构设计和布局设计，对于采用轻质材料的零部件，还可以进行布局分析和运动干涉分析等，使轻量化材料能够满足车身设计的各项要求。

(2)车身轻量化设计首当其冲

全铝车身设计可以有效减轻车身重量。福特P2000采用冲压焊接制造的铝质车身骨架，整备质量仅906kg，比使用钢板轻135.6kg，市区百千米油耗减少22.8%。P2000也成为了当今最轻的中型轿车，比传统轿车减重约40%。该车所采用的黑色金属仅为222kg，而更多地采用铝、镁、钛等轻金属，车身用铝合金，底盘还采用了铝、钛管型钢材、聚酯、碳纤维及金属等复合材料，如钛质螺母、铸铝前车架、铝制动总泵、铝转向节、铝前制动盘。有几处用了镁，例如，发动机盖铰链、座椅底架、靠背框架、进气歧管等。

奥迪A8是大型豪华轿车，但它的整车质量仅相当于一辆中型轿车。奥迪A8铝合金框架支撑着全铝合金车身的创新技术被称为“ASF”——即奥迪空间框架技术，ASF车身结构由挤压的铝部件及压铸件组成。目前在市场上销售的奥迪A8与R8、TT Coupe与TT Roadster等车型都可以说是ASF铝合金轻量化车身结构的代言者。A8车身结构重量仅有218kg，而进一步采用镁铝合金结构的R8，其车身结构仅有210kg。其他新材料的应用还有如马自达RX-8传动轴采用高强度低重量的碳纤维材料，马自达的后备箱采用一体式并由高强度树脂做成，保证了强度并极大地降低了重量。

奥迪A8

(3)发动机、变速器同样需要轻量化

车辆动力系统在汽车重量上占有很大比重，瘦身是不可避免的，首屈一指的是奔驰的顶级豪华车Maybach（迈巴赫）和SIR轿车的12缸发动机的缸体，由于采用了合金材料和缸体连同油底壳设计质量只有38kgo。奥迪公司也成功地将一台升功率达到67kW/L的5气门、1.8L涡轮增压汽油机的灰铸铁汽缸体改成了镁—铝混合材料汽缸体，使发动机整机质量从145kg降为122kg。丰田的122-FE发动机，经过了极为严格的轻量化设计，包括了使用塑料进气管，不锈钢制的排气管等各式各样的轻量化零件，被丰田宣布为世界上同等排量中最轻的一款，只有96kg。早在1938年，德国大众就开始对甲壳虫轿车的变速器壳体使用镁合金材料，镁合金的密度为1.8g/cm³，是铝合金的2/3，不足钢的1/4。目前，在汽车制造业，变速器壳体。离合器壳体、换挡拨叉等零件已经广泛应用铝镁合金。

研究表明，采用高强度钢板在相同强度设计条件下可以减少板厚及重量，同时还提高了汽车车体的抗凹陷性、耐久强度和冲击安全性。

2009年初的底特律车展中，丰田表示除了加大产品线内混合动力车型的比例之外，也计划对车辆侧边及车顶进行轻量设计（采用轻磅镀锡薄钢板），并将之视为提升车辆节油能力的关键。有研究机构分析得出一个发人深省的结论：仅仅减轻车身重量就能节省约5%的燃油。只需在每辆车上增加212欧元（约为280美元）的成本以购买高强度钢材，比加装任何形式的混合动力系统的油耗表现都要更低。

一汽马自达认为，高强度钢是目前解决轻量化最现实的手段。采用高强度钢板，在等强度设计条件下可以减少板厚及重量。

睿翼是一汽马自达的最新产品，该车型在2.0排量车型中整车重量最轻，据透露，睿翼局部采用的高强度钢板最高强度达1480GPa，之前只有航天飞行器才采用，完全能达到C—NCAP碰撞5星。

和睿翼一样，高强度钢带来的低油耗也已经越来越多被日系品牌重视，如在日本节油排名第一的中级车是第八代雅阁，和第七代产品相比，高强度钢采用达到了40%。

克莱斯勒汽车公司也表示，计划在未来3～6年内，通过使用新的高强度钢及设计，将车体重量减轻13%，即大约55kg，从而达到省油和提高安全性的目的，目前其采用高强度钢减重的研究成果已初步运用于新版赛百灵。

2.国外汽车轻量化现状与发展趋势

国外汽车厂商致力于汽车轻量化车型的研发，其主要原因，就是政府在燃油经济性标准上的不断提高和减少CO₂排放的要求，而轻量化车辆在燃油经济性方面的良好表现，让企业把车辆轻量化作为实现节能减排的重要手段。

日本的汽车业者一向把汽车的轻量化列为汽车整体设计上一个极为重要的指导纲领，在汽车轻量化上不遗余力，因此长期下来，日本汽车的轻量化成果卓著。

尽管美国没有批准京都议定书，然而联邦政府或州政府都制定了控制温室气体排放的标准。美国加州政府于2002年通过汽车尾气排放标准，而2009年5月15日，奥巴马在白宫宣布了限制汽车温室气体排放和油耗的新法规，要求在2016年新车平均燃油经济性要在2007年水平基础上提高42%。

美国政府早在1993年就提出了PNGV计划（新一代汽车合作计划）由政府每年投入2亿美元，用于家庭轿车的减重。

目前，欧洲大型汽车制造商正在进行“超轻型汽车”工程，在稳定价格的基础上减轻车重30%。欧洲超轻型钢制车体的设计中，高强度钢所占比例超过80%，还采用了约4%的抗拉强度达到1200MPa和1520MPa的超高强度钢，看来，车身轻量化正在欧洲汽车业如火如荼地进行着。

一直以来，许多人都认为欧美系车型比较重，但实际上，在过去的几年中，通过一系列法规刺激，欧洲汽车企业制造的产品，重量同过去相比减轻了20%～26%。预计未来10年内，轿车平均重量还将继续减轻20%。

3.国内汽车轻量化现状

在汽车轻量化方面，我国自主品牌轿车的车重一般在1450kg左右，比欧美同类车大约重8%～10%。这说明，通过采用轻量化设计，自主品牌轿车可以实现减重100～130kg，每千米可减少5～6.5g二氧化碳排放。

据了解，目前在我国无论是合资汽车企业还是自主品牌企业对汽车的轻量化都很重视。

广汽丰田的凯美瑞采用了丰田流线型高强度轻量化GOA车身。GOA车身的核心技术是具有高强度乘员舱和冲击能量高效吸收能力的车身结构，在车身结构上需要采用高强度钢板，以起到抑制变形和传递能量的作用。高强度钢板的大量使用不仅增加了车体强度和刚性，还可以降低钢板厚度、减轻车身重量。

一汽大众迈腾也采用超高强度车身结构，74%采用高强度或超高强度的钢板。其中，16%为强度更高的轻质热成形钢板。较强的刚性、稳定的结构、较轻的材质，使迈腾在拥有坚固车身的同时，车重更轻、更加省油。

除了采用轻量化的车身结构，国内很多车企从各种零部件的轻量化入手降低车重。2009年，长安铃木推出新奥拓，它配装的KIOB高性能全铝发动机采用10多项包括轻量化的组件、塑钢材质冷却系统、轻量化进气歧管等在内的技术，提高了节油性和环保性。除此之外，东风日产新轩逸的发动机采用航空轻量化铝合金制造技术；长安福特蒙迪欧致胜采用散热性更好、燃油经济性更突出的全铝合金发动机；比亚迪的一些车型也采用全铝材质发动机取代笨重、耗油高的铸铁发动机。

一汽大众迈腾

目前在我国，各重卡企业也都推出了轻量化车型。在市场销售中，轻量化车型已经占据一席之地，尤其在公路用车领域其优势更为明显。

中国重汽的轻量化技术处于国内领先水平。中国重汽主要通过改造车架和悬挂结构实现轻量化。中国重汽采用了宝钢的高强度车架板材，车架强度得到保证之后，双层车架就可以改成单层车架，从而减轻自重。同时，还采用了少片簧，以前的车型是前13片簧，后12片簧，现在采用前4后5的形式，可以使车辆总重降低800kg左右。中国重汽还尝试推广一种新型轻量化车型，这种车辆采用汉德森悬挂系统，主要应用在6×2牵引车上。汉德森悬架系统比较轻，能减重580kg，还更加结实耐用，重汽和汉德森签署了协议，两年内，他们能在中国独占这套悬挂系统。

除此之外，中国重汽推出的盘式制动器能轻30～40kg。采用断开式平衡轴，使得平衡轴从一段变为三段连接，不仅减重80～100kg，还降低了维修成本。

一汽解放一直都在做重卡的轻量化工作，并取得了一定的成绩。可以说，一汽解放对于轻量化的研发十分重视，不仅一汽集团技术中心在做配套零部件以及新材料等方面的研究工作，一汽解放技术发展部也一直对如何通过整车匹配实现轻量化进行试验，现在他们的部分重卡已经从原来的9.2吨降到8.5吨，轻3700kg。减重的途径主要是把悬架从多片弹簧改为少片簧，将鼓式制动器变为盘式制动器，采用膨胀式桥盒的单级减速桥以及在散热器等相关零部件上采用铝合金条。

与目前众多车企纷纷注资的新能源产品一样，汽车的轻量化技术也需要政策扶持。但是，目前国家仍未出台相关的政策。好在我国的汽车企业已经意识到这项技术的重要性，2007年底，中国汽车工程学会联合国内十多家有代表性的整车企业、钢铁企业以及高校成立了汽车轻量化技术战略联盟。该联盟成立的初衷是通过联合开发攻克共性技术，缩短国内企业与国际企业在轻量化技术上的差距。联盟成立时还设立了明确的目标，宣布要通过3～5年时间，使我国汽车平均自重降低8%～10%。