近日，美國通用公司推出了凱迪拉克CT6型轎車。該車最大特點是全鋁車身，全鋁動力總成，車身5.2m，自重只有1 600kg（減重100多公斤），最大限度實現(xiàn)了輕量化。CT6全車鋁材用量超過57%，這樣既保證了車身的強度，節(jié)省了燃油消耗，減少了排放污染，也降低了后期維修費用。
由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車輕量化已成為世界汽車發(fā)展的潮流。據(jù)研究表明，一輛汽車的自重每減少10%，燃油消耗量就降低6%～8%，同時降低5%～6%的排放，這對于實現(xiàn)汽車節(jié)能減排意義重大。實施汽車輕量化過程中，鋁合金材料發(fā)揮著重要作用，其主要用來改造和替代車身材料。汽車輕量化大致可以分為車身輕量化、發(fā)動機輕量化、底盤輕量化三類，其目的均是在保證性能的前提下，通過使用更輕材料降低車重，從而實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保功能。
汽車輕量化現(xiàn)狀
最早把鋁材運用到汽車上的是印度人。據(jù)記載，1896年印度人率先用鋁制作了汽車曲軸箱。進入20世紀初期，鋁在制造豪華汽車和賽車上有了一定應用，鋁制車身的汽車開始出現(xiàn)，如亨利·福特的ModelT型汽車和二三十年代歐洲賽車場上法拉利360賽車都是鋁制車身。鋁具有密度小、耐蝕性好等特點，且鋁合金的塑性優(yōu)良，鑄、鍛、沖壓工藝均適用，是最適合汽車零部件生產(chǎn)的壓鑄工藝。目前，美國、日本、德國是汽車采用鋁合金最多的國家，如德國大眾奧迪A8、A2，日本的謳歌等部分車型的車身用鋁合金量達80%。我國目前也有大量汽車企業(yè)應用了鋁合金材料，如上汽、一汽、東風、長城、奇瑞等企業(yè)，自主品牌紅旗轎車，采用鋁合金約80～100kg。
雖然汽車輕量化已是大勢所趨，但國內(nèi)汽車在輕量化技術(shù)方面與國外先進水平相比仍存在一定差距，尤其是在高端材料的應用和發(fā)展方面，更是受制于人。同樣一輛車，國外車身自重為1.3t，而我們卻是1.5t以上。我國乘用車自重平均比歐洲汽車重5%～10%，商用車的數(shù)字則是17%。例如，國內(nèi)載重40t的牽引車自重為9t，國外同等先進車型只有7t，而國內(nèi)自卸車自重則比國外重3～4t。
在汽車傳統(tǒng)塑料應用件的比例上，與國外車企并沒有太大差距。但是在向高端發(fā)展時，無論是材料技術(shù)，還是設計水平，都面臨種種困難。材料加工成零部件是一個非常復雜的過程。雖然國內(nèi)的汽車通道、接頭、內(nèi)飾件、保險杠甚至包括儀表盤等都是用塑料做的，但向功能件、結(jié)構(gòu)件發(fā)展時，就遇到了不少難題。
國內(nèi)原材料本身就很落后，尤其是高端材料完全被國外的一些化學廠商所壟斷控制，例如杜邦、巴斯夫、拜爾，他們掌握材料的設計技術(shù)和分析技術(shù)，也掌握零部件的設計技術(shù)。由于高端材料長期受制于國外技術(shù)壟斷，導致產(chǎn)品成本居高不下，迫使一些企業(yè)放棄高端材料在汽車上的使用。
目前，阻礙我國汽車輕量化技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵因素，是各研發(fā)機構(gòu)往往只注重單個技術(shù)的研發(fā)，很少開展各技術(shù)間的交叉與融合。材料企業(yè)往往只管做出材料，而車企則負責制造和組裝，雙方缺乏溝通和協(xié)作，也導致輕量化材料在產(chǎn)業(yè)推廣方面步履維艱。
輕量化技術(shù)的發(fā)展涉及眾多學科，需要運用多學科交叉融合所形成的綜合性、系統(tǒng)性知識體系。因此，未來汽車產(chǎn)業(yè)的輕量化需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)各界的共同努力和探索。隨著我國汽車保有量的不斷攀升，以及汽車尾氣排放對城市空氣污染的加劇，車身輕量化發(fā)展的要求變得更加迫切。對此，相關(guān)研究機構(gòu)或政府部門應該做出戰(zhàn)略性的超前部署。
中外車企爭相開發(fā)輕量化新品
寶馬已經(jīng)量產(chǎn)的BMWi3純電動汽車，外殼材料為塑料、底盤材料為鋁合金，與傳統(tǒng)同類車型相比，實現(xiàn)減重250kg左右。這一現(xiàn)實不僅能夠引領(lǐng)汽車設計新潮流，更將顛覆汽車制造流程及整體市場格局。BMWi3的單一車門重量不到8kg，比鋁合金制造的車門減輕了30%，而比起鋼板制造更減輕了50%。因此，BMWi3的車體部分，總重量僅是驚人的180kg，而量產(chǎn)版本的i3總車重更僅有1t，其輕量化成效十分明顯。
另外，新一代寶馬7系也引入了i系列車型使用CFRP碳纖維增強復合材料、鋁合金和高強度鋼等多種材料制造車身，從而在輕量化、高強度和成本之間取得平衡。寶馬有關(guān)人士表示，這些輕量化材料令白車身質(zhì)量降低了40kg，在其他關(guān)鍵部分使用鋁合金材料令質(zhì)量下浮達到200kg。雖然寶馬在新一代7系中加強了隔音物料，配備了更復雜的安全設備，但整備質(zhì)量仍然削減了130kg。
寶馬i 8 采用了與i 3 相同的“LifeDrive”模塊架構(gòu)，這種全新的設計理念將車身結(jié)構(gòu)分成了Life和Drive兩個獨立的部分。整個乘員艙的結(jié)構(gòu)由多層碳纖維復合材料拼合而成，輕量化和高強度是它最大的特點，這樣的設計類似于F1賽車中駕駛艙的單體橫造結(jié)構(gòu)（由碳纖維復合材料構(gòu)成），而最終的效果就是i8的車身質(zhì)量不到1.5t。
作為汽車的發(fā)明者，奔馳計劃在2016年春天開賣的E220d上，搭載奔馳旗下全鋁合金的四缸發(fā)動機OM654。相對OM651 2.1L渦輪增壓發(fā)動機，節(jié)能效率提升了13%，在排氣量降低至2.0L的同時，重量最小能降低到165.4kg。E220d百公里加速成績?yōu)?.3s，最高時速為240km/h，百公里平均油耗4.3L。由于OM654的輕量化和小型化，這款發(fā)動機將會運用到更多場景，通過縱向和橫向布局，能夠運用在前驅(qū)、后驅(qū)、四驅(qū)不同配置中，以應付全球更嚴苛的排放法規(guī)。
福特F150也采用了大量的輕量化材質(zhì)對車身進行減重，使整車重量僅為1807kg，減重高達318kg，與競爭對手相比有了很明顯的優(yōu)勢。同時由于車身的大幅減重，其有著不錯的燃油經(jīng)濟性，相比上一代車型而言，燃油經(jīng)濟性上也要相比現(xiàn)款減少30%以上。去年，銳界、林肯MKX、探險者三款SUV也采用了與F150相同的輕量化技術(shù)，車身實現(xiàn)了大幅減重。
本土車企中，長城汽車和奇瑞汽車是在這一研究領(lǐng)域走得最遠的兩家車企。幾年前，奇瑞汽車聯(lián)合全球最大的聚合物生產(chǎn)公司之一德國拜耳材料科技（中國）有限公司，聯(lián)手創(chuàng)建了“奇瑞——拜耳汽車輕量化聯(lián)合實驗室”，雙方就聚氨酯復合材料、聚碳酸酯塑料車窗
用材料、新能源鋰電池材料、吸音降噪等材料在汽車上的應用展開共同研究，并對外聯(lián)合申請項目及推廣。而在此之前，奇瑞的A3CC雙門跑車已經(jīng)在德國展出，其前翼子板采用Noryl GTX樹脂制成。
早在幾年前，長城汽車就在多款車型上采用了鋁合金技術(shù)。其發(fā)動機、變速器基本都采用了鋁合金材料。同時正逐步將碳纖維技術(shù)應用在汽車上。目前長城汽車已在發(fā)動機缸體、缸蓋、變速器殼體、凸輪軸、車輪、軸承蓋、進氣管、缸蓋罩、油底殼上大量應用了鋁合
金技術(shù)。長城汽車自主研發(fā)的節(jié)能環(huán)保混合動力SUV哈弗E，為全鋁合金封閉型承載式車身，整體風格以“運動”型為主。剪刀門的啟閉方式，可節(jié)約停靠空間；車門應用了碳纖維復合材料(GFRP)，實現(xiàn)了“排放低碳化，車身高碳化”的目標；全車采用了德國拜耳公司的
PC玻璃，相比于傳統(tǒng)玻璃重量降低40%～60%。同時，輕體高強度鋼在長城汽車上也得到了大量應用。
上海申沃客車有限公司與愛普車輛公司合作制造的全鋁車身的純電動客車在2015年上海車展上曾閃亮登場。上海申龍客車有限公司制造的全鋁車身SLK6109混合動力公交客車已進入上海公交和新加坡公交市場，并榮獲中國2014最佳公交客車大獎。廈門金龍旅行車有限公司制造的全鋁車身純電動公交車已批量出口荷蘭和挪威。南寧源正全鋁車身新能源汽車正在建設之中，建成后，將形成年產(chǎn)2萬輛全鋁車身新能源客車的產(chǎn)能。
鋁在新能源汽車應用市場也很樂觀。新能源汽車由于受到電池重量及電池續(xù)航里程的影響，車身減重要比傳統(tǒng)汽車迫切，在汽車輕量化材料中，鋁合金材料綜合性價比要高于鋼、鎂、塑料和復合材料，無論應用技術(shù)還是運行安全性及循環(huán)再生利用都具有明顯優(yōu)勢，國內(nèi)外全鋁汽車的快速發(fā)展，就足以證明這一點。
輕量化漸成趨勢
汽車輕量化與新材料的應用密不可分。當前，工程塑料、鋁合金、鎂合金、高強度鋼等新材料的運用，開始成為汽車輕量化的發(fā)展趨勢。
在未來幾年里，隨著高強度優(yōu)質(zhì)鋁合金材料的開發(fā)成功和制造工藝的不斷改進，鋁合金材料將愈來愈多的用來制造汽車零部件。
專家表示，基于成本的考慮，鎂鋁合金目前在汽車上應用量還不大，但未來將會逐步應用于一些中高端車型上，而現(xiàn)在汽車制造仍以鋼材為主流材料。因此就目前來說，比較適宜普及應用的輕量化材料除鋁合金外還有高強度鋼。相比鎂鋁合金、碳纖維等其他材料，高
強度鋼在抗碰撞性能、加工工藝和成本方面的優(yōu)勢還是十分明顯的，因此，推動起來也比較容易。
據(jù)悉，目前北美每輛汽車使用鎂合金3.5kg，而國產(chǎn)汽車每輛用量平均僅1.5kg。專家預測，到2020年，歐美日汽車用鎂合金的市場需求是77萬t，國內(nèi)需求為5萬～10萬t。專家介紹，鎂合金重量輕、吸振性能強、鑄造性能好，但成本比鋁合金高10%以上。
汽車用工程塑料在發(fā)達國家被當做衡量汽車設計和制造水平高低的一個重要標志。目前德國汽車用量最多，占整車用料的15%以上。奔馳SLR、寶馬i系以及意大利的蘭博基尼等眾多車型大范圍地采用更為先進的車用工程塑料。目前，國內(nèi)越來越多的汽車部件也開始采用工程塑料替代金屬制件。以塑料件代替金屬材料部件，不僅能夠減輕車重，降低燃油消耗和排放，還可以提高汽車的動力、舒適性及安全性，所以其廣泛應用在汽車動力及底盤系統(tǒng)、內(nèi)外裝飾件、汽車電子等部件上。
專家表示，汽車輕量化技術(shù)要以創(chuàng)新需求為紐帶，以獲取汽車輕量化核心技術(shù)為長期戰(zhàn)略目標，要加強產(chǎn)學研合作，大力發(fā)展新材料、新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品。突破汽車輕量化技術(shù)發(fā)展瓶頸，將其納入現(xiàn)代汽車制造業(yè)，對于節(jié)約能源與減少排放意義重大。
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