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節(jié)能減排政策推動汽車輕量化

根據(jù)世界氣象組織(WMO)發(fā)布公報，2015年全球二氧化碳平均濃度首次達400ppm，而工業(yè)革命前該數(shù)值僅為280ppm。二氧化碳作為主要的溫室效應(yīng)氣體，其主要來源是人類活動，而在各項人類活動中，交通工具二氧化碳排放量占據(jù)了五分之一。

另外從重要的大氣污染物PM2.5來源來看，上海市PM2.5來源中本地污染排放貢獻占64%-84%，平均約為74%左右；本地排放源中，流動源占29.2%，工業(yè)生產(chǎn)占28.9%，燃煤占13.5%，揚塵占13.4%，另有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物質(zhì)燃燒、民用生活面源及自然源等其他源類占15.0%。流動源指的是車輛排放，揚塵的來源之一則是汽車路面行駛。

從1992年制定的歐一，到2014年頒布的歐六，排放標準愈加嚴厲。中國排放標準是基于歐洲標準制定的，由于國內(nèi)汽車工業(yè)起步較晚，開始階段較為寬松，近幾年開始逐步向歐洲標準跟進。達不到排放標準的產(chǎn)品將不得出售。

圖1 各國歷年排放標準

再來看各國的油耗計劃，這張圖是每公里二氧化碳排放量，以汽車內(nèi)燃機平均燃燒效率計算，和百公里油耗換算比為22.5:1，即到2020年我國汽車百公里平均油耗將降至5.3L以下。

圖2 各國歷年油耗計劃

在不影響汽車性能的情況下降低油耗的方法主要有以下三種：（1）提升內(nèi)燃機熱效率；（2）降低汽車行駛過程中的風(fēng)阻；（3）車身輕量化。

渦輪增壓技術(shù)大幅提高了內(nèi)燃機效率，但越接近卡諾定律所規(guī)定熱效率極限，尋求技術(shù)上的突破也就越困難，短期難有能夠大幅提升內(nèi)燃機燃燒效率的技術(shù)革新。一輛汽車以80km/h的速度行駛時，約有60%的阻力源于風(fēng)阻，所以每個車型面世前都要經(jīng)過工程師數(shù)百次修改設(shè)計和上千小時的風(fēng)洞試驗，空氣動力學(xué)性能幾乎被壓榨到了極限。而進入到21世紀以來，新材料不斷面世和材料加工成型工藝的發(fā)展使得汽車輕量化成為了可能。

據(jù)有關(guān)研究，一般情況下車重每減輕1kg，則1L的汽油可以使汽車多行駛0.011km。于此同時，汽車減重不僅減少了油耗，也減少了二氧化碳排放量，車重如能減少一半，二氧化碳排放量就能減少13%。同時也減少了如氮化物、硫化物等其他有害物質(zhì)的排放量。

              圖4 油耗與汽車質(zhì)量                       圖5 排放量與汽車質(zhì)量

以何輕

量產(chǎn)車輕量化的前提是建立在汽車的整體品質(zhì)、性能和造價不變甚至優(yōu)化的基礎(chǔ)之上的，所以即使減配可以有效減輕車重并提高車輛性能，也不能作為汽車輕量化的有效手段，而是要通過材料、工藝和結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計，來實現(xiàn)整車減重的目標。

設(shè)計能力提升和制造工藝進步

汽車不同部位在行駛過程中的受力和安全要求不同，工程師針對不同部位進行鋼材差異化的選擇，在力學(xué)性能要求高的部位選用高強度鋼，而非加厚板材，在其他部位選用成本較低的鋼材起到基本的結(jié)構(gòu)和覆蓋功能。這樣即有效控制了成本，又減輕了車重。現(xiàn)在汽車生產(chǎn)用鋼通常被分為5-6個等級，不同等級的搭配使用能使白車身減重25%，而白車身又占據(jù)了整車質(zhì)量的1/4，僅僅該部分的優(yōu)化潛力就可達上百公斤。

金屬成型方式主要分為鍛造和鑄造兩種，鑄造件容易產(chǎn)生沙眼、氣孔等缺陷，而鍛造件可使材料晶格排列整齊，晶粒細化，組織更致密，所以一般情況下鍛造件力學(xué)性能要優(yōu)于鑄造件。但汽車零部件種類繁多，有些零部件形狀復(fù)雜，受限于當(dāng)時的技術(shù)水平，難以采用鍛造工藝。隨著金屬加工成型工藝水平提高，復(fù)雜形狀零部件也開始應(yīng)用鍛造工藝。更好地力學(xué)性能也就意味著更薄的結(jié)構(gòu)和更輕的重量。以鋁合金輪轂為例，要達到相同的力學(xué)性能，一組鑄造輪轂要比鍛造輪轂多出20%的重量。

圖6 鍛造件與鑄造件對比圖

焊接是車身裝配過程中的一道主要工序，車身底板、車架、車頂、車門等部分都會采用焊接工藝。傳統(tǒng)電阻焊是通過電流形成的電阻熱融化焊件接觸面，通過壓力使焊件連接的方法，其技術(shù)特點決定了電阻焊在用于板材連接時需留有翻邊。而新的激光焊工藝可以通過激光束直接融化需焊接部位，省去了翻邊，減輕了重量的同時也使外形更美觀，使車體密封性更好。

圖7 激光焊與電阻焊對比圖

另外借助CAD、CAE等軟件和有限元模擬，汽車工程師可以方便的在計算機中對汽車進行設(shè)計和模擬，不必反復(fù)造樣車拿去撞，然后回爐重新設(shè)計，大幅提高了設(shè)計效率，也便于設(shè)計師發(fā)現(xiàn)更多可以采取蜂窩、鏤空等輕量化設(shè)計的部位。

新材料的滲透

汽車輕量化的升級過程中，車體材料經(jīng)歷了鋼材到鎂、鋁合金再到碳纖維的演變過程，越好的材料越輕質(zhì)高強。但車身輕量化并不是新材料對原有材料的簡單替代過程，簡而言之，汽車生產(chǎn)廠商是要盈利的，成本和性能的權(quán)衡也就成了量產(chǎn)車設(shè)計的主旋律。

一種材料如果能大規(guī)模的應(yīng)用在量產(chǎn)車上，必然有生產(chǎn)規(guī)模化、品質(zhì)穩(wěn)定、成本可控，加工性能優(yōu)越的特點。鋁合金和鎂合金具有密度低、抗沖擊性能好、加工性能優(yōu)良等特點，開始逐步替代汽車用鋼材。以車身底盤零部件為例，鋁合金應(yīng)用在前后轉(zhuǎn)向節(jié)中可使重量減輕40%，而鎂合金用于車輪轂則可減重30%。

                圖8 單車用鋁量                        圖9單車用鎂量

當(dāng)前汽車用材中鋼鐵比重較大，其中絕大多數(shù)鋼制零部件都可用鋁、鎂合金代替，包括發(fā)動機、輪轂、熱交換器、車身、轉(zhuǎn)向軸、變速器支架、懸架等。目前鋁合金在變速箱、輪轂、熱交換器領(lǐng)域滲透率較高，部分整車廠如捷豹等已經(jīng)開始嘗試大批量生產(chǎn)全鋁車身，減重效果明顯。而鎂合金性能上雖然更優(yōu)于鋁合金，但由于其成本和表面處理工藝的復(fù)雜性，在汽車中應(yīng)用仍受到極大限制。但隨著各界在鎂合金應(yīng)用推廣上不斷的努力，未來汽車用鎂量年均增長率將超過20%。

以碳纖維和玻璃纖維作為增強體的復(fù)合材料憑借其高強度、高彈性模量和遠低于鋼材和鋁材的重量成為未來最理想的汽車輕量化材料。其比重不足鋼材的1/4，僅有鋁合金的1/2，而抗拉強度卻能達到鋼材的7-9倍。目前推廣車用碳纖維最積極的廠商莫過于寶馬，保守估計它的車用碳纖維產(chǎn)能占全球總產(chǎn)能50%以上，在寶馬7系、i3等車型上均能看到其身影。但由于其生產(chǎn)工藝尚不成熟，成本過高，目前在量產(chǎn)車中的應(yīng)用還處于初步階段，但相信不久后，這項應(yīng)用一定會邁向成熟，普及推廣。