何以轻节能减排政策推动汽车轻量化

在这个技术快速创新的时代，想法很少是不可能的。 汽车的升级与我们的生活息息相关，汽车轻量化也逐渐实现。 汽车轻量化是指通过先进的设计方法、外观和结构改进、零部件更换或新材料的使用，最大限度地减轻整车的重量，同时保证车辆的强度和安全性能不受影响，从而提高汽车的性能。尽可能保证车辆的质量。 提高动力性能，降低油耗，减少排放污染。

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节能减排政策推动汽车轻量化

根据世界气象组织（WMO）发布的公报，2015年全球平均二氧化碳浓度首次达到400ppm，而工业革命前仅为280ppm。 二氧化碳作为主要温室气体，其主要来源是人类活动，而在人类各项活动中，交通运输二氧化碳排放量占五分之一。

图1 人类各项活动二氧化碳排放量占比

此外，从重要空气污染物PM2.5来源来看，本地污染排放贡献占上海PM2.5来源的64%-84%，平均约74%； 本地排放源中，移动源占29.2%。 工业生产占28.9%，燃煤占13.5%，粉尘占13.4%，农业生产、生物质燃烧、民用生活源和自然资源等其他来源占15.0%。 移动源是指车辆排放，粉尘来源之一是道路上行驶的汽车。

从1992年制定的欧1，到2014年颁布的欧6，排放标准越来越严格。 中国的排放标准以欧洲标准为基础。 由于国内汽车行业起步较晚，一开始比较宽松，近年来逐渐开始跟进欧洲标准。 不符合排放标准的产品不得销售。

图2 历年各国排放标准

我们来看看各国的油耗计划。 这张图显示了每公里的二氧化碳排放量。 按汽车内燃机平均燃烧效率计算，与百公里油耗的换算比为22.5：1。 即到2020年，我国汽车平均百公里油耗下降至5.3升以下。

图3 历年各国燃料消耗计划

在不影响汽车性能的情况下降低油耗主要有以下三种途径：（1）提高内燃机的热效率； (2)减少行驶时的风阻； (3)车身轻量化。

涡轮增压技术极大地提高了内燃机的效率，但越接近卡诺定律规定的热效率极限，寻求技术突破就越困难。 短期内很难有能够显着提高内燃机燃烧效率的技术创新。 当汽车以80公里/小时的速度行驶时，大约60%的阻力来自风阻力。 因此，在每个模型发布之前，工程师必须对设计进行数百次修改，并进行数千小时的风洞测试。 空气动力性能几乎被挤压到了极限。 21世纪以来，新材料的不断出现以及材料加工和成型技术的发展，使汽车轻量化成为可能。

据相关研究显示，一般情况下，车重每减轻1kg，减少1L汽油即可使车辆多行驶0.011km。 同时，减轻车辆重量不仅可以降低油耗，还可以减少二氧化碳的排放。 如果车辆重量能减轻一半，二氧化碳排放量可减少13%。 同时，还减少了氮化合物、硫化物等其他有害物质的排放。

图 4 油耗与车辆质量 图 5 排放与车辆质量

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量产汽车轻量化的前提是汽车的整体质量、性能和成本保持不变甚至优化。 因此，即使减重能够有效减轻重量，提高汽车的性能，但也不能成为汽车减重的有效途径。 相反，我们必须通过材料、工艺和结构的重新设计来实现车辆减重的目标。

改进的设计能力和制造工艺的进步

汽车的不同部位在行驶过程中具有不同的受力和安全要求。 工程师针对不同的零件进行差异化的钢材选择。 机械性能要求高的零件采用高强度钢代替加厚板材。 其他部位选择钢材成本较高。 低钢具有基本的结构和覆盖功能。 这有效地控制了成本并减轻了车辆重量。 如今，汽车生产所用钢材通常分为5-6个等级。 不同牌号的组合可以使白车身重量减轻25%。 白车身占整车质量的1/4。 仅这一部分的优化潜力就高达数百公斤。

金属成形方法主要分为锻造和铸造两种。 铸件容易产生沙眼、气孔等缺陷，而锻件可以使材料晶格排列整齐，晶粒细化，组织更加致密。 因此，一般来说，锻件的机械性能优于铸件。 然而，汽车零部件种类繁多，有些零部件形状复杂。 由于当时的技术水平，很难采用锻造工艺。 随着金属加工成形技术水平的提高，锻造技术也开始应用于形状复杂的零件。 更好的机械性能还意味着更薄的结构和更轻的重量。 以铝合金轮毂为例，为达到相同的机械性能，一套铸造轮毂比锻造轮毂重20%。

图6 锻件与铸件对比

焊接是车身装配过程中的一道重要工序。 车身底板、车架、车顶、车门等部位均采用焊接工艺。 传统的电阻焊是利用电流形成的电阻热使焊件的接触面熔化，通过压力将焊件连接起来的方法。 其技术特点决定了采用电阻焊连接板材时需要翻边。 新的激光焊接工艺可以通过激光束直接熔化待焊接的部件，无需翻边，减轻了重量，使外观更加美观，并使车身密封性更好。

图7 激光焊与电阻焊对比图

此外，借助CAD、CAE等软件和有限元仿真，汽车工程师可以轻松地在计算机上设计和模拟汽车。 他们不必重复建造原型车，将其撞坏，然后重新设计，这大大提高了设计效率并方便了设计。 工程师们发现了更多可以采用蜂窝、空心等轻量化设计的零件。

新材料的渗透

在汽车轻量化升级过程中，车身材料经历了从钢到镁、铝合金再到碳纤维的演变过程。 材料越好，就越轻、越坚固。 然而，车身轻量化并不是用新材料替代原有材料的简单过程。 总之，汽车制造商想要盈利，成本与性能的权衡成为量产车设计的主旋律。

一种材料如果能够大规模应用于量产汽车，必须具备规模化生产、质量稳定、成本可控、加工性能优越等特点。 铝合金、镁合金具有密度低、抗冲击性能好、加工性能优良等特点，已开始逐步取代汽车用钢。 以车身底盘部件为例，前后转向节采用铝合金可减重40%，轮毂采用镁合金可减重30%。

图8 自行车的铝用量 图9 自行车的镁用量

目前钢材在汽车材料中占有很大比例，大部分钢制零部件都可以用铝、镁合金替代，包括发动机、车轮、热交换器、车身、转向轴、传动支架、悬架等。合金在变速箱、车轮、热交换器等领域具有较高的渗透率。 捷豹等一些整车厂已经开始尝试量产全铝车身，减重效果明显。 尽管镁合金在性能上优于铝合金，但由于其成本和表面处理工艺的复杂性，其在汽车中的应用仍然受到很大限制。 但随着社会各界不断努力推广镁合金应用，未来汽车用镁年均增长率将超过20%。

以碳纤维和玻璃纤维为增强体的复合材料，因其高强度、高弹性模量和远低于钢、铝的重量，成为未来最理想的汽车轻量化材料。 其比重不到钢的1/4，仅为铝合金的1/2，但其抗拉强度可达到钢的7-9倍。 目前，推广汽车碳纤维最积极的厂家是宝马。 保守估计，其汽车碳纤维产能占全球总产能的50%以上。 在宝马7系、i3等车型上都能看到它的身影。 但由于其生产工艺不成熟、成本较高，目前其在量产车上的应用还处于初级阶段。 不过，我相信在不久的将来这个应用将会成熟并得到普及。