汽車輕量化是什么？如何實現？材料、技術有哪些？

一、汽車輕量化的概念

汽車輕量化主要是通過結構優化設計、輕質材料使用以及先進制造工藝運用及其交叉運用來實現的，汽車輕量化的技術研發也是圍繞這幾個方向開展，目前主要有三種汽車輕量化技術手段：汽車輕量化材料運用、汽車輕量化設計、汽車輕量化制造工藝。

隨著《中國制造2025》的發布，汽車輕量化已然躍升為國家級戰略。2019年，由中國汽車工程協會主辦的第十三屆汽車輕量化大會，將輕量化定義為：在維持汽車安全性、操穩性及舒適性等各項性能不降低的基礎上，通過降低自身重量，提升整車的經濟性、動力性，降低排氣污染的一種設計方法。

目前汽車的輕量化問題早已是大眾最關心的問題之一。在世界范圍的汽車行業，汽車輕量化被普遍定義為通過結合輕量化技術以及多種輕量化材料制造技術，實現使汽車整車質量達到盡可能小的值的目標，從而實現更加長遠的目標，即在減少燃料消耗和降低排氣污染的同時提高汽車的動力性。

汽車輕量化的最終目的是能夠實現控制成本、節約能源、優化各零部件及車型的同時保證汽車的強度、安全性能不受影響。由于汽車燃料所提供的動力是克服摩擦力做功，而摩擦力與重力成正比，因此從理論上可以得出結論，當汽車整車質量下降，所需克服的摩擦力相應下降，所需提供的動力也下降；同時實驗結果表明，當汽車整車質量減少10%時，其燃油效率便會增加6%-8%。

二、汽車輕量化的實現技術與方法

實現汽車輕量化的技術途徑主要包括：

①優化汽車結構設計，美國F-16飛機利用輕量化技術將機體中的有效空間最大化利用，僅有幾平方分米的空隙，同理，我們也可以用較少的材料耗量保證較高強度的整車結構。

②使用優化材料，伴隨著中國材料學的崛起，許多新型材料的使用可以將之前使用的普通鋼鐵材料進行替代；目前實現汽車輕量化的主要措施是使用優化材料。

③智能化設計結構，如采用有限元分析等方法對車體的主要成立部件等區域進行局部加強設計、對非主要承力部件進行合理的局部弱化等。

④在保證汽車性能的前提下，合理、精細化地減薄車身板料厚度。

輕量化三種實現途徑

三、汽車輕量化政策梳理

2012年，《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020年)》：2020 年當年乘用車新車平均燃料消耗量達到5.0 L/100km。

2015年，《中國制造2025》：提升動力電池、驅動電機、高效內燃機、先進變速器、輕量化材料、智能控制等 核心技術的工程化和產業化能力

2016年，GB 19578《乘用車燃料消耗量限值》、GB27999《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》：持續降低我國乘用車燃料消耗量,使我國乘用車平均燃料消耗量水平在2020年下降至5 L/100km左右。

2016年，節能與新能源汽車技術路線圖：2020年較2015年減重10%、2025年較2015年減重20%、2030年較2015年減重35%。

2018年，《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》：按《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》(GB 27999-2014)計算乘用車企業的油耗實際值和目標值，推動實現5.0L/100km 的目標。

四、汽車輕量化材料發展概況

汽車輕量化材料的應用是目前運用較多的一種輕量化手段，其優點在于只要通過材料替換就能達到較好的輕量化效果。研究結果表明,總質量為1229kg的汽車鋁合金化后通過減重和二次減重(汽車總質量減輕，動力單元部件可相應的減輕重量)可減重444Kg。

主要輕量化材料特性

目前汽車行業常用的輕量化材料包括高強度鋼、超高強度鋼、鋁/鎂合金和塑料等非金屬材料等。汽車用高強度鋼目前分為三代：以鐵素體為基的第一代汽車用高強度鋼、以奧氏體為基的第二代汽車用高強度鋼及以馬氏體(貝氏休)和奧氏體為基的第三代高強度鋼。

目前應用最廣泛的是第一代中的雙相鋼(DP鋼)，第一代汽車用高強度鋼強度相對后兩代較低，但易于加工；第二代汽車用高強度鋼強度有了較大提升，但其中錳元素含量較高，因此成本高、屈服強度低、加工難度較大，實際使用較少；第三代汽車用高強度鋼綜合考慮了性能、加工難度和成本，未來有希望得到大規模應用。鋁合金中使用較多的是鑄造鋁合金，常用于發動機、離合器和車輪的制造中，鋁合金材料應用的最大障礙是成本和加工工藝難度。

鎂合金目前在汽車制造中使用較少，但其性能和密度良好，在汽車輕量化領域未來應用潛力巨大。非金屬材料以前常應用于汽車內飾部分，但隨著碳纖維等比強度高的復合材料的出現，非金屬材料開始被廣泛的用于汽車外飾件和結構件。

汽車輕量化材料用量目標

五、汽車輕量化設計發展概況

汽車輕量化設計近年來得益于計算機技術的發展也得到了較大的發展，特別是各類CAE、CAM 軟件的應用，常用的設計分析軟件有UG、ANSYS、Moldflow 和AutoForm等。

結構尺寸優化是應用較早、發展較為成熟的一種優化設計方法，尺寸優化是在滿足相關力學性能指標的前提下，通過調整汽車及部件的尺寸以實現質量減輕的優化方式，常用的方法有響應面函數法及等效靜力法等。

形狀優化是指通過改變汽車或部件的形狀來改善其應力條件，從而減少材料使用來降低質量，對形狀規則的部件常將其外形參數化，將形狀優化轉化成尺寸優化問題來解決，對形狀不規則的零部件采用無參數形狀優化和Kriging近似模型技術等解決。

拓撲優化是利用有限元的方法根據給定條件對材料的分布進行優化，此外還有多學科設計優化等方法。汽車輕量化設計常常和汽車輕量化材料同時使用，根據材料的力學性能對汽車及部件進行重新設計，可以獲得更好的輕量化效果。

六、汽車輕量化工藝發展概況

汽車輕量化工藝領域研發成果相對較少，目前汽車輕量化制造工藝主要包括熱成形、激光拼焊、液壓成形和3D打印等，除3D打印外，其他技術都已較為成熟，在汽車生產制造過程中得到了廣泛運用，而3D打印等增材制造技術目前仍處于應用探索階段。

汽車輕量化工藝領域新成果較少一方面是因為汽車輕量化工藝研發往往和材料或設備的研發相關聯，難度大，周期長，從企業運營角度來看成本過高；且如果要進行工藝的更新則可能要對汽車生產四大主要環節中的沖壓、焊接和總裝環節進行生產線和生產設備的更新，設備價格和改造成本較高。

另一方面，單獨使用汽車輕量化工藝對汽車輕量化減重效果不明顯，汽車輕量化工藝往往是為了匹配輕量化設計和輕量化材料的研發和使用而進行相應的改進，在現有的加工制造工藝能夠滿足需求時，企業對汽車輕量化工藝的研發需求也不大。

內容來源：

《【研報】汽車輕量化行業深度報告：Less is More加速的汽車輕量化-20200825(51頁).pdf 》

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