1.3.2 汽車輕量化系統(tǒng)工程

一輛汽車的制造涉及許多材料，如鋼鐵、鋁、鎂、銅、塑料、玻璃等。在過去的幾十年，有相當(dāng)多的材料已經(jīng)被用于實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化。一般說來，車重減少10%，其燃油經(jīng)濟(jì)性可以提高6%~8%。在輕量化設(shè)計(jì)中，在不犧牲結(jié)構(gòu)整體性和其他性能的前提下，既要考慮材料“輕”的特點(diǎn)，還要考慮材料的安全性、可加工性、可回收性和經(jīng)濟(jì)性。如圖1-12所示，汽車輕量化應(yīng)當(dāng)是一個設(shè)計(jì)體系，這個體系包括材料的研究、零部件制造工藝的開發(fā)、汽車整車性能的測試，以及這三方面產(chǎn)生的成本。材料的研究主要是通過金屬的合金化和組織結(jié)構(gòu)來達(dá)到最佳的材料性能。零部件制造工藝的開發(fā)集中在工藝的有效性和效率，以及與其相關(guān)的連接技術(shù)上。整車性能測試要驗(yàn)證新材料零部件對整車安全性、噪聲、振動、耐久性等產(chǎn)生的影響。如果只研究材料，不從系統(tǒng)全面考慮，那么一個新的輕量化部件將很難得到應(yīng)用。尤其是這一系統(tǒng)的三方面都需要資源和資金，使得一個新的汽車輕量化產(chǎn)品被接受和采用的關(guān)鍵在于其綜合成本是否有競爭力。

圖1-12　汽車輕量化設(shè)計(jì)體系

汽車公司通常最終比較輕量化產(chǎn)品和被替代產(chǎn)品的綜合成本。在過去二三十年，輕量化產(chǎn)品有明顯成本優(yōu)勢的很快就被采用，有相當(dāng)數(shù)量是在成本相當(dāng)?shù)那疤嵯卤粦?yīng)用的。由于材料成本和技術(shù)難度的增大，新材料的輕量化產(chǎn)品的綜合成本要高于被替代產(chǎn)品的成本。即使在生命周期成本的基礎(chǔ)上，有些新材料輕量化產(chǎn)品的成本也要高出很多。一般說來，超強(qiáng)鋼的輕量化部件成本增加最少，其次是鋁部件；工程塑料的復(fù)合材料，特別是碳纖維復(fù)合材料成本增加很多。隨著相關(guān)法規(guī)的不斷嚴(yán)格，汽車輕量化產(chǎn)品綜合成本增高會逐漸成為“新常態(tài)”。圖1-13所示是汽車輕量化零部件應(yīng)用前景示意圖。在單位減重1磅的前提下，成本增加1美元以下時，鋁發(fā)動機(jī)和先進(jìn)高強(qiáng)鋼車身就可以投入大批量使用；鎂鑄件和工程塑料結(jié)構(gòu)件處于新興應(yīng)用階段。當(dāng)成本增加2美元時，鋁車身板件和增強(qiáng)塑料車身板件有可能批量應(yīng)用；鋁合金車身結(jié)構(gòu)件可能進(jìn)入新興應(yīng)用階段。碳纖維復(fù)合材料車身件成本會增加5美元，仍然處于研發(fā)階段。

圖1-13　汽車輕量化零部件的應(yīng)用前景

不同的輕型材料都有自己的優(yōu)點(diǎn)和局限性，很難有哪一種輕型材料能“包打天下”。汽車輕量化是多種輕量化材料并存的未來。輕量化成功的策略應(yīng)當(dāng)是“正確的材料用到正確的地方”，也就是說把不同材料的優(yōu)點(diǎn)用到最需要的地方，同時又能避免它的缺點(diǎn)。近期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)汽車進(jìn)一步輕量化的最主要材料仍然是超強(qiáng)鋼，緊接著是鋁，再后面才是碳纖維復(fù)合材料等其他材料。考慮不同車型輕量化的時候，對豪華車、越野車、皮卡車使用較多的鋁部件更合理，因?yàn)榇笮蛙嚋p重的潛力更大一些，對增加成本的承受力也大一些；而小型車輕量化材料的主要選擇對象是超強(qiáng)鋼，因?yàn)槠錅p重的“潛力”比較小一些，對增加成本的承受力也小一些。處于中間的車型就需要對多種輕量化材料進(jìn)行全方位的考慮，充分體現(xiàn)“正確的材料用到正確的地方”的策略。圖1-14所示為一輛福特蒙迪歐樣車，這輛車在2013年款蒙迪歐的基礎(chǔ)上，對白車身、覆蓋件、底盤、動力系統(tǒng)、內(nèi)飾系統(tǒng)、電子系統(tǒng)進(jìn)行了全面的輕量化設(shè)計(jì)。通過使用各種先進(jìn)超強(qiáng)鋼、鋁板、鑄鋁、鑄鎂、強(qiáng)化玻璃、碳纖維復(fù)合材料等輕型材料，使整車質(zhì)量從1559kg降低到1195kg，減重23.5%。這是一個汽車輕量化成功使用“正確的材料用到正確的地方”的案例。

圖1-14　使用多種材料減重25%的福特蒙迪歐樣車