汽車節能減排及輕量化技術方法

時間：2024-07-15 01:59:35 能源審計師我要投稿

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汽車節能減排及輕量化技術方法

　　對于要保證能源安全、保護環境、減少霧霾，必須降低汽車的燃油消耗和排放污染，汽車節能、減排有很多技術路徑，其中，輕量化是汽車節能減排最有效的途徑。那么，下面是小編為大家分享汽車節能減排及輕量化技術方法，歡迎大家閱讀瀏覽。

汽車節能減排及輕量化技術方法

　　車重與燃油消耗和排放的關系

　　汽車的四大行駛阻力(滾動阻力、坡度阻力、加速阻力和空氣阻力)中有三個與車重成正比。要減少汽車行駛阻力，節能減排，必須降低車重。不同汽油乘用車整備質量會隨著燃油消耗量的增加而增加，而汽車整備質量增加，每升油的行駛里程逐漸下降、CO2排放明顯增加。

　　不同國家制定的輕量化目標

　　美國近年來在輕量化技術上投入較大，制定了明確的輕量化用材技術路線，正在逐步扭轉其汽車大華貴和油耗高的形象。美國制定的輕型車減重目標，明確規定了車身、底盤、動力總成和內飾件從2020-2050每隔10年的減重計劃。

　　歐洲制定了從乘用車到商用車、從結構設計、高強輕質材料應用到輕量化工藝實施年度規劃，形成了較為完備的汽車輕量化技術路線。

　　日系車在小型化和輕量化方面具備一定優勢，目前的主要工作集中在輕量化材料和工藝的研究與應用上，并且各車企也同步制定了相應的輕量化戰略目標。

　　國務院發布的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020年)》提出，2015年生產的乘用車平均燃料消耗量降至6.9L/100km，節能型乘用車燃料消耗量降至5.9 L/100km以下。到2020年，當年生產的乘用車平均燃料消耗量降至5.0 L/100km，節能型乘用車燃料消耗量降至4.5 L/100km以下。商用車新車燃料消耗量接近國際先進水平。

　　輕量化材料及其應用

　　不同材料性能比較，考慮到材料的性價比，每種材料都有其自身特有的潛力、用途和優勢。

　　1. 鋁合金在汽車上的應用

　　鋁合金因其質輕密度低(是鋼的1/3)、比強度高、比剛度高、抗沖擊性好，便于回收再利用，目前被廣泛應用在汽車上。北美統計和預測的鋁合金占車身自重比例(2014年單車平均用鋁為163kg，預計2020年達到170kg)。我國乘用車平均用鋁合金重量為120kg左右，合資品牌乘用車用鋁量高于自主品牌，平均較10年前的用鋁量的90kg增長了30kg。國產輕型商用車平均鋁合金用量為70-120kg。國產重型商用車平均鋁合金用量為250-350kg，比10年前增長了50%-100%。

　　全鋁新能源大客車車身應用多種強度鋁合金型材和不同成形級別的鋁合金板，配以鉚接、焊接、粘接等復合連接形式，在保證車身強度、剛性和制造工藝的同時，使得車身重量比對標車型減少40.7%。該車還應用700MPa級高強鋼車架和高應力少片簧，集成了6061鋁合金車輪、油箱、貯氣筒;AM60B鎂合金座椅骨架、鎂合金方向盤芯骨;PC玻璃、1200MPa奧貝球鐵、蜂窩泡沫地板等等多種輕量化零件，使得整車重量較對標車型減重11%。

　　2. 鎂合金在汽車上的應用

　　鎂合金因其質輕密度低(約是鋼的1/4)、比強度高、比剛度高、抗沖擊性好，阻尼減振性好，但耐蝕性差，多被應用在汽車內飾件上。

　　目前汽車上采用鎂合金零部件共有60多種，所用的鎂合金材料主要是AZ(Mg-Al-Zn)和AM(Mg-Al-Mn)合金，少量采用AE(Mg-Al-Re)和AS3(Mg-Al-Si)合金。相比鋁合金而言，可選擇的鎂合金材料牌號比較少。國內乘用車平均用鎂量約為0.7kg～1.2kg，個別商用車車型鎂合金用量達2.0kg～3.0kg

　　3. 高強鋼在汽車上的應用

　　ECB 2013上參展的10種有代表性車型的高強鋼用量統計結果，可見高強鋼用量已占50.2%，開始高于軟鋼。英菲尼迪Q50不僅采用Zone Body區域車身結構，更是全球首次在七處關鍵部位采用1200兆帕的超高強度鋼材料。

　　國內第一代先進高強度鋼性能和成本一般，技術成熟、已經批量生產和應用;第二代先進高強度鋼性能有大幅提升，技術基本成熟、有部分應用、但價格太高、限制了推廣應用;第三代高強度鋼性價比好，是當前研究的熱點，目前正在試用。國內合資品牌汽車高強鋼應用比例約為56%，與國外車型相當;國內自主品牌乘用車高強鋼應用比例約為28%，還較低(見圖2)。

　　4. 非金屬材料在汽車上的應用

　　(1)工程塑料

　　根據1980～2013年非金屬材料在汽車上應用比例統計結果顯示，非金屬材料在汽車上應用的比例逐漸增加。以某自主品牌車型為例，整車非金屬材料用量(塑料、橡膠、皮革面料、泡沫等)約200kg，占整車用材的16%;PP約占整車塑料用量的57%;尼龍占整車塑料用量的14%;輪胎用橡膠約占整車橡膠用量的70%。

　　在底盤和動力總成中應用非金屬材料約75kg，其中塑料約30kg，橡膠約45kg。在發動機罩內外板、前保險杠、翼子板、后防撞梁、車內門板、行李箱蓋、儀表板和后風窗玻璃等車身零部件上非金屬材料也有著非常廣泛的應用。

　　(2)碳纖維增強復合材料

　　Alfa Romeo 4C的乘員艙模塊采用了碳纖維復合材料，該結構具有優異的結構抗撞性，在碰撞中力和能量傳遞合理，乘員艙變形小，保證足夠的容身空間，實現最大程度的結構輕量化。邁凱輪P1就大量使用了碳纖維材料，優秀的抗熱沖擊和熱摩擦性能都確保機器在任何情況下都有穩定的發揮。而最重要的是，它能在很大程度上減輕重量，而寶馬i3通過大量使用碳纖維增強復合材料，比原來設計之初減輕了250～350kg，在很大程度上彌補了電池帶來的重量，這也是為什么寶馬i3看起來比別的電動汽車輕的原因。

　　而國內碳纖維增強復合材料的應用剛剛開始，主要用在發動機艙罩板、行李箱蓋、前保險杠、電池倉、車輪和一些外部裝飾件，以及新能源汽車車身上。

　　結構輕量化設計

　　汽車結構輕量化設計有很多方法，包括：多目標協同優化(MOD)，拓撲、尺寸和形貌優化等。只要在保證汽車性能不降低的條件下，得到的結構輕量化優化設計方案才具有實用價值。在不改變原白車身材質的情況下，經過輕量化設計后白車身的質量由326.22kg下降到291.21Kg，比原白車身質量減少了35.0kg，減重10.7%。

　　自主品牌轎車輕量化技術路徑

　　王登峰教授表示，自主品牌汽車的輕量化水平與國外同類車型相比尚存在一定差距，在相當長的時間內自主品牌汽車用材仍然是以鋼材為主的多材料混合結構，鋁、鎂合金和復合材料在汽車零部件上的應用比例會越來越多;纖維增強復合材料和塑料在汽車內外飾件、甚至結構件上的應用發展迅速;綜合考慮成本、用材、設計和工藝，有良好性價比的汽車輕量化技術才能得到很好應用;合適的材料、最優的結構、先進的工藝，用在汽車合適的零部件和位置上是汽車輕量化的發展方向。

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