3. 2新材料的应用

　　目前可用来减轻汽车自重的材料有2大类:

　　一是轻质材料,如铝合金、镁合金、钛合金、塑料和复合材料等,另一类是高强度材料,如高强度钢。

　　1)铝合金

　　铝的密度只有钢铁的1 /3, 具有良好的机械性能,耐腐蚀性、导热性好。其合金还具有高强度、易回收、吸能性好等特点。但铝合金加工难度比钢材高,焊接性能差。

　　当前汽车用铝合金以铸件为主,约占汽车用铝量的80% ,用于制造发动机零部件、壳体类零件和底盘上的其他零件。如轿车发动机缸体、缸盖、离合器壳、保险杠、车轮、发动机托架等几十种零件。最近,重型车发动机中的进气歧管、油底壳、飞轮壳和齿轮室罩盖等零件也已开始大量采用铝合金铸件。变形铝合金在车身零件及结构件的应用方面也发展较快,如铝合金车厢盖、发动机罩、提升式后车门、前端翼子板、保险杠、车厢底板结构件、热交换器、车轮以及全铝车身等。预计铝将会成为仅次于钢的第2大汽车材料。

　　2)镁合金

　　镁的密度只有1. 8 g/ cm3 , 镁合金性能与铝合金相似,是当前最理想、重量最轻的金属结构材料。但其铸造性差,后处理工艺复杂,成本高。我国的镁资源非常丰富,储量占世界首位,因此前景非常广阔。目前已大批量应用镁的主要是车身和底盘零件,如仪表盘骨架与横梁、座椅骨架、转向盘、进气歧管,以及各种支架、罩盖等。

　　3)塑料及非金属基复合材料

　　采用塑料和非金属基复合材料一般可减轻部件的重量35%左右。低密度与超低密度片状成型塑料是由非金属为主的有机物组成的,具有密度小,成型性好,耐腐蚀,防振,隔音隔热等性能,同时又具有金属钢板不具备的外观色泽和触感。

　　目前,塑料大都使用在汽车的内外饰件上,如仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各类护板、侧围内衬板、车门防撞条、扶手、车窗、散热器罩、座椅支架等。而后逐渐向结构件、功能件和车身覆盖件方向发展。

　　复合材料即纤维增强塑料,是一种增强纤维和塑料复合而成的材料。常用的是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料。复合材料( SMC)密度小,设计灵活美观,易设计成整体结构,耐腐蚀,隔热隔电,耐冲击,抗振等。在重量减轻与强度方面达到甚至超过了铝材,整体成本更低。目前玻璃钢复合材料的应用非常广泛,尤其在欧美车系中。

　　4)不锈钢

　　采用高强度不锈钢板试制的轿车前侧防撞弓形梁和保险杠、后挡板、发动机支架、LPG瓶等零部件,轻量幅度一般可达30%左右[ 6 ] 。但不锈钢成本较高,降低成本的主要途径有2个,一是选用价格相对较低的材料;二是通过优化设计与工艺优化,如减少零件数、取消防蚀处理、表面处理等,消化一部分因材料升高的费用。

　　5)精细陶瓷

　　精细陶瓷是继金属、塑料之后发展起来的第3大类材料。它具有优良的力学性能(包括高温强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损等)和化学性能(包括耐热冲击、耐氧化、蠕变等) 。它用于汽车发动机燃烧室及热交换器等零件,不仅使之减轻重量,而且使功率提高,油耗大大下降。

　　6)高强度钢

　　高强度钢与铝合金、塑料相比,具有价格低、弹性模量高、刚性好、耐冲击性好、抗疲劳强度高等特点,缺点是耐腐蚀性差。

　　目前汽车使用的高强度钢主要为板材与管材,它取代普钢、铸铁用于车身零件和其它结构件,如北美开发的PNGV2Class级轿车,其车身全部采用高强度钢,质量只有218 kg,与全铝车身相当。此外,采用液压成形技术生产的高强度钢构件也越来越多,如发动机托架、散热器支架、仪表板横梁、座椅骨架,以及轻型车后桥壳和车架等。

　　最新的应用情况表明,有些铝合金、镁合金零件,如保险杠、车轮、骨架、前门、后门、横梁等,又转而采用高强度钢。为满足更为严格的安全法规要求(如侧面碰撞) ,各大汽车公司均加快了高强度钢在汽车车身、底盘、悬架和转向系零件上的应用,高强度钢在汽车中的应用逐年增加,预计高强度钢在轿车用钢中所占的比例会达到60%。

　　4、汽车的轻量化是一个复杂的系统工程

　　德国Paderbom大学的Hahn等提出了“多材料组合的轻量化结构”和“合适的材料用在合适的部位”2个观点。他们认为多材料结构设计代表了今后汽车车身结构设计的发展方向。通过对多材料结构进行优化,既能改进汽车性能,又能显著减轻质量。而“合适的材料用在合适的部位”是实现多材料轻量化结构设计的必然选择。当前汽车使用材料的组合仍以高强度钢、铝、镁和塑料为主。

　　汽车零部件的多材料设计、部件的零件化(减少零件设计)的发展推动了材料技术与汽车设计、制造工艺越来越紧密的结合。激光拼焊、液压成形、金属半固态加工以及不同材料的连接技术等新技术就是在这种发展趋势下应运而生的。

　　汽车的轻量化是一个复杂的系统工程。在开发应用新材料的同时,不断发展相应的汽车零部件设计、制造技术和其它相关技术,这样才能以最低的成本获取最佳的轻量化效果。