汽车轻量化的措施有哪些

汽车上常见的合金材料多为铝合金、镁合金。除了合金以外，近些年出现了新型轻量化材料：碳纤维就是其中之一。另一个是工程塑料，它还有一个专业的名字叫聚碳酸酯，近些年投用的是植物材料。所谓的轻量化并不是为了减少车重而不择手段，它的意义是在保障乘员安全、不改变车身刚度、强度的前提下，尽可能减少车重。汽车上常见的合金材料多为铝合金、镁合金。其中铝合金是现阶段应用最广、最为常见的汽车轻量化材料，曾有研究表明铝合金在整车中最多可以使用540kg，在此情况下汽车将减重40%。奥迪、丰田等的全铝车身就是很好的例子。镁合金也是一种强度较大的合金材料，现阶段可在汽车轮毂、离合器等部件上看到它的身影，尽管它比铝合金更轻，但在汽车上的用量却很少，从目前来看世界一流的汽车上，镁合金用量仅为10kg，而自主品牌汽车镁合金用量则更少，仅为3kg左右。当然除了镁合金以外，近些年汽车上也出现了一些新型轻量化材料，碳纤维是其中之一。它是一种含碳量高达90%的纤维状碳素材料，有研究表明：如果用强度可靠的它替代钢材，那车身、底盘的质量将下降40%-60%，轻量化效果不错。在新能源汽车领域，碳纤维也算是举足轻重，因为具有耐腐蚀、防水等特点，许多厂家都选择了它作为电池容纳盒。另一个轻量化材料是工程塑料，它有一个专业名字叫聚碳酸酯。许多车灯外壳、仪表盘就是用它制造的。由于具有透明的特点，很早就有人提出用它来替代汽车的车窗玻璃和挡风玻璃，而科思创的概念车则更是夸张，直接使用了聚碳酸酯材料制造了整个驾驶舱，不仅降低了车身重量，同时也带来了一个透明驾驶舱的前卫汽车。近些年，随着可持续发展概念深入人心，汽车设计师们纷纷开始放弃钢材、石化材料，转而将目光投向了可再生的植物。植物的质量比起钢材，显然要更轻，目前除了充当内饰提升质感外，也有了其它更重要的作用。

汽车轻量化有以下方法：降低耗材消耗：继续优化汽车主流车型规格，在保留主要参数规格尺寸的前提下，提高车辆结构强度，降低耗材消耗；使用轻质材料：如铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维等复合材料；采用承载式车身，降低车身板材厚度。

所谓汽车轻量化，其内涵是以现代设计方法和技术手段为基础，在保证不降低汽车综合性能指标的前提下，对汽车进行结构优化设计，或通过应用高强度、低密度的材料，减轻汽车产品自身重量，实现安全、环保、降耗，以达到减重目的。这也是降低汽车油耗的重要途径之一。目前，国内外汽车企业主要通过以下两种方式实现汽车车身的轻量化：一是通过车身结构的改进实现汽车车身的轻量化设计。

主要是应用结构优化设计方法来实现，结合有限元分析，通过拓扑优化、形状优化和尺寸优化设计可以满足使用要求和轻量化特性的最佳结构。二是采用高强度、低密度的新材料。在保证结构设计合理的基础上，进一步通过材料替换实现轻量化，从而实现结构与材料设计的统一。目前，这些车身材料的选择主要基于以下思路：选择低密度材料，通过材料本身的低密度来实现轻量化。

典型的材料有铝合金、镁合金和塑料材料；选择高强度材料，这样可以减小结构尺寸，通过减小结构来实现轻量化，这里主要指高强度钢这种材料；选择低密度、高强度的复合材料，材料具有密度低、强度高的特点，如碳纤维、玻璃纤维等；采用先进的材料加工技术，加工如连续挤压变截面、金属基复合材料板、激光焊接板等材料，这样可以减少材料用量。

材料轻量化：车身不同部位对材料的刚度、强度等性能有不同的要求，要根据不同的需要使用不同的材料来达到所需的性能。材料轻量化就是在保证性能满足要求的前提下，用质量较小的高性能材料代替原有材料。目前，轻质欢的材料主要有高强度钢、铝合金和各种复合材料。

通过市场调查，共统计65 款车型前防撞梁材料应用情况，自主品牌19 款车型，其中2 款车型应用铝合金防撞梁；合资品牌46 款车型，有10 款车型应用铝合金防撞梁。

调查结果显示：合资品牌铝合金防撞梁应用比例高于国内自主品牌2 倍多，行业内铝合金防撞梁应用是发展趋势。铝合金防撞梁平均质量4.5 kg，钢制防撞梁平均质量6.6 kg，差值约32%，可见铝合金防撞梁轻量化优势明显。部分铝合金前防撞梁应用车型，如表2所示。在汽车产品制造中，逐步加大铝合金材料的应用比例是汽车轻量化的必然趋势，开发铝合金防撞梁是实现汽车轻量化主要途径之一，铝合金防撞梁经过设计验证后必将取代钢制防撞梁。

1)根据仿真分析结果，正面碰撞铝合金防撞梁吸收能量优于钢制防撞梁，满足设计使用要求。

2)铝合金相比钢材料有着密度小的优势，用铝合金结构代替传统钢结构，可使前防撞梁质量减轻30%——50%，轻量化效果显著[2]。

3)通过对比合资车企与自主车企铝合金防撞梁应用情况，可发现采用铝合金防撞梁是汽车轻量化未来趋势。

4)对比防撞梁比吸能分析结果显示，铝合金防撞梁吸能能力明显优于钢防撞梁，有助于提高整车安全性。

汽车轻量化的材料是采用轻质材料。如铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等。汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。

合金元素优势介绍：

许多种元素都可以作为铸造铝合金的合金元素，但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li在大量生产中具有重要意义。当然，在汽车上广泛应用的并不是上述简单的二元合金，而是多种元素同时添加以获得好的综合性能。

汽车工业是铝铸件的主要市场，例如日本，铝铸件的76%、铝压铸件的77%为汽车铸件。铝合金铸件主要应用于发动机气缸体、气缸盖、活塞、进气歧管、摇臂、发动机悬置支架、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件、把手及罩盖壳体类零件等。

汽车材料技术研究已经上升至国家战略层面，中国制造2025已将材料技术列为节能与新能源汽车发展的核心。尤其在新能源汽车方面，轻量化材料与设计应用不仅仅是降低电动汽车能耗的技术，也将影响到未来汽车设计理念，将成为电动汽车技术革命的主要推力。其中，铝合金、碳纤维、工程塑料等材料的应用是汽车轻量化的主要手段。

2017年5月11日，由中国汽车技术研究中心和天津市西青区人民政府联合主办，中国汽车技术研究中心数据资源中心承办的“2017中国车用材料（西青）国际论坛”在天津成功召开。本届论坛以“创新材料重塑汽车产业价值链”为主题，近1000位国内外嘉宾围绕深入交流。在轻量化材料分论坛中，多位专家解析了目前汽车行业内轻量化材料（铝合金、碳纤维、工程塑料）的应用现状及未来发展趋势。

工业和信息化部节能与综合利用司司长高云虎在演讲中指出，工信部节能司将深入推进绿色设计示范和绿色设计产品评价试点，打造一批示范带动效应强的绿色供应链，逐步建立绿色设计产品的市场监督机制。国家认监委关钧文副处长指出，国家认监委将会在汽车、相关零部件、材料等领域全面落实绿色产品认证制度，为消费者提供更多更优质的产品。

最为广泛使用的汽车轻量化材料目前，铝合金材料是汽车制造业中最为广泛使用的轻量化材料。传统汽车中，捷豹路虎、奥迪等车型已经开始广泛使用全铝车身；新能源领域中，日产聆风采用铝合金覆盖件，而特斯拉全系车型从底盘到车身都是铝合金制造的。

“对于电动汽车而言，一百公斤的减重可以增加续航距离的10%左右，另外可以通过减重降低成本。因为汽车车身轻了，就可以把电池的重量减轻。现在这个电池说成本用容量来算的话，一千瓦大概是在两千到三千块钱，通过减重把电池成本降低，可以一定程度上解决新能源汽车成本问题。”中国铝业公司首席工程师赵丕植表示。从安全角度考虑，减重可以缩短刹车距离，提高安全性能，有助于行人保护，提高安全性能。

（图/文/摄： 问答叫兽）蔚来ES8 蔚来ES6 问界M5 蔚来EC6 小鹏汽车P7 传祺GS8 @2019

汽车的行驶阻力包括空气阻力、滚动阻力、爬坡阻力和加速阻力。滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力与正常质量成正比。数据研究表明，车辆重量每减少10%，油耗可降低6%-8%，排放可降低4%左右。

整车由车身、底盘、发动机和汽车电子组成。对于乘用车，车身占据整车质量的40%到60%，约70%的油耗用于车身质量。因此，轻量化车身，是轻量化汽车的重要组成部分。车身结构的优化是国内外汽车轻量化研究的重点。对于新能源汽车来说，轻量化更为突出。

研究表明，对于电动汽车来说，每减轻100公斤的重量就能增加10%左右的行驶里程。其带来的的优点是多方面的。一是降低能耗，二是增加负载重量，三是减少制动距离。新能源汽车车身在轻量化方面有很大的优势，因为它减少了传统的发动机、变速器等大型部件，车身结构布置得更好。在保证车身强度和刚度的前提下，可以更合理地布置车身结构。

新能源汽车车身结构的轻量化的方法：

一、新材料的应用是实现汽车轻量化的重要手段

铝合金、高强度钢和碳纤维等新材料得到了广泛应用。新材料的使用不仅仅是对传统材料的替代，还涉及到物理化学、材料测试与检验技术、元器件设计与制造技术、新材料回收技术等诸多学科和技术的支撑。当新材料用于轻量化车身时，最常见的是高强度钢。目前，高强度汽车用钢已广泛应用于车身制造。铝合金车身在材料轻量化方面效果最好。其中，捷豹、奥迪、特斯拉等汽车品牌均有铝合金车身产品。现阶段，在轻量化方面，碳纤维可以和铝合金一起作为辅助材料，或者只能作为关键材料。从长远来看，它还可以作为低成本汽车轻量化应用的主要材料。

二、结构优化设计结构优化设计是车身轻量化的基础

车身、车架和轴承部件结构复杂，集成了各种材料和工艺。车身结构对车辆的被动安全性、结构刚度、强度和振动性能有很大影响。目前车身结构减重优化设计是在保证车身结构性能的前提下，通过CAE等分析技术降低零件质量。在实际生产中，结构优化设计的减重方法包括空心结构、薄壁结构和复合材料结构。这些优化设计使车辆面板和结构部件更轻。

三、轻量化制造技术

通过对材料性能的研究，不同的制造工艺可以在制造过程中减轻零件的重量。

常用的制造技术包括激光焊接技术、电磁成形技术、先进连接技术等。激光拼焊技术可以将不同材料、厚度和表面处理要求的工件用激光连接起来，形成新的毛坯，然后压制成零件。例如，乘用车的侧壁部件通常是激光焊接的。激光焊接技术可以有效降低零件质量，减少焊接接头，提高强度。通过先进的制造技术，主要解决产品的性能问题，进而解决轻量化问题。

早些年有些很奇怪的谣言流传开来，说什么“车越重越安全”“越重的车在高速行驶越稳”，汽车轻量化研究人员也哭晕在厕所了好吗。这些谣言回想起来真的很可笑啊，但当时还是有人一本正经地吹牛逼让吃瓜群众觉得有道理。现在吃瓜群众早就提高了自己的姿势水平，都知道车重不等于安全，就好像看起来胖的人不一定强壮一样的道理，所以我主编也从不让我帮忙搬轮胎。

汽车轻量化对节能减排有着非常重的作用，同时轻量化还能降低汽车的减速加速度，从而增加车辆的被动安全性。当然实现节能环保这一重要问题，除了轻量化，发展新能源车和提高发动机热效率都是目前汽车企业发展中迫切需要的。

高强度钢应该是我们最近几年听的比较多的材料之一了，目前在车身上使用量也比较大。高强度钢是依靠自身超高的强度等级来减薄钢板厚度，也就是以此代替了原本的普通钢材，重量更轻，性能却更高了。虽然高强度钢不是轻量化材料中表现最优异的，但出于研发效率、整车成本的因素限制，以及高强度钢的性价比、长年所累积下来的制造技术优势和成型经验，这些都决定了目前更多车企在车身轻量化技术的研发方向会更多的翻钢强度钢的牌。钢强度钢主要用于中通道、地板、AB柱、车门防撞杆等关键部位。上图为Jeep全新指南者的车门防撞杆

指南者的整车车身使用了64%的高强度钢打造。

材料轻量化一般是通过采用轻量化的金属和非金属材料实现，主要包括工程塑料以及各种复合材料。

目前在汽车行业的材料轻量化已经成为一种趋势，在不影响车身强度的情况下，使用更多的铝合金、镁合金、工程塑料等有助于降低车身自重，从而带来更好的燃油经济性。

在材料使用方面，最受关注的是铝合金和镁合金，毕竟这两种材料主要代替钢铁，江青重量、提高强度。

铝的重量只有铁的1/3，并且回收利用率高，汽车中的铝有85%是可以回收的。但是铝也有很多缺点，比如铝不能够焊接、不容易钣金，喷漆也麻烦，安全性不如钢。