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轻质材料汽车的节能减排分析

摘要

有一种方法可以减轻车辆的重量，从而降低汽油的消耗，达到节能减排的效果。本文主要研究了汽车轻量化的几种材料和技术方法，并介绍了用轻量化材料代替低碳钢的新途径。如果轻量化材料的成本与传统材料的成本接近，那么轻量化材料将在汽车工业中得到同样广泛的应用。

关键词：轻质材料；节能；减排；电动汽车

1.介绍

近年来，节能与环境污染已成为世界各国普遍关注的问题。欧洲和许多国家都制定了新的汽车开发和销售法规，旨在减少二氧化碳排放。国际社会正在研究和开发利用电动汽车来降低油耗和废气排放。许多工程师正着手研究如何增加电池容量以提高车辆行驶里程。但电动汽车在使用中存在一个突出的问题，即由于电池重量和车身结构的关系，使得电动汽车的行驶里程大大减少。然而，在以往的研究中，如何进行轻量化一直被忽视。

本文重点关注了减轻车辆重量的途径，介绍了采用轻质材料来减轻车辆重量的方法，并分析了轻质材料应用的优势。因此，轻质材料将有很大的潜力取代传统材料。

2.轻量化设计方法

道路交通（车辆）常常以不断变化的速度行驶。从根据ELA（欧洲法定平均值）计算的燃油消耗量数据（图1）的示例中可以清楚地看出质量加速度（对油耗）的影响。汽车质量对油耗的影响更多地取决于发动机的种类，而不是汽车的种类。

图1 车重对新标欧洲循环测试的影响

为了摆脱这一恶性循环，汽车制造商不得不在设计生产中加入轻量化的理念。车身占汽车总重量的25%，这为摆脱恶性循环提供了适当的方向^[1]。轻金属被视为一个有潜力的材料，它可以有效地减轻车重。

铝的一些特性使其在汽车应用中对车身大有用处。铝板和挤压型材的强度与钢制车身的强度大致相同。这意味着要达到一定的永久变形或面板断裂，必须在加工循环中施加相同的力。此外，铝的密度是钢的1/3。然而，铝的硬度比钢低。其结果是铝在与钢受到相同的力作用下具有更高的弹性变形。

镁比铝轻33%，比钢或铸铁轻75%。高纯镁合金的耐蚀性优于普通铝压铸合金。镁合金由于其良好的可制造性，比铝和铁材料更加具有明显的优势。由于其比热容较低，凝固速度更快，因此与铝相比，每单位时间内可多生产大约25-50%的铸件^[2]。

钢铁作为传统的汽车材料，已经证明了它的价值。现在越来越多的高强度钢被用于高强度应力零件。高强度钢板可用于汽车车身，提高零部件的冲击能量吸收能力和抗塑性变形能力^[3]。与铝、镁及复合材料相比，高强度钢的原材料和制造成本较低，具有较好的经济性。

本文以铝合金在汽车上的应用为研究对象，运用数学模型对其节能效果进行了计算。

3.分析和结果

因为有大量的设计方案，铝零件的设计可能非常复杂，如前面提到的几乎包含了任何形状的挤压件和铸件。一个铸件可以代替由几块钢板组成的复杂零件。因此，零件数量减少50%是可行的^[4]。迄今为止，铝在车身应用中的测量、间隙和性能方面的实际经验相当少，因此几乎没有参考值。

由于乘员安全是一个受到极大关注的汽车指标，碰撞试验显得越来越重要。管状铝型材在受到冲击时会以理想的方式皱缩。它们形成了一种比同等钢元素吸收更多能量的褶皱模式。因此，铝结构构件的重量只有钢的一半，其安全性也一样^[5]。铝合金车身的另一个优点是，较低质量的车辆产生的动能较小，因此在发生碰撞时可以保护其他道路使用者（如行人）。

不同材料的使用环境方面可以通过比较铝制和钢制汽车在生产和整个使用寿命期间的能源使用情况来评估。只有考虑到在生产和使用过程中引起能源消耗的所有过程，汽车的环保性能才能被准确地测量。它包括了材料生产和在使用寿命期间生产和维护车辆所需的能量，包括燃料。

毫无疑问，铝比钢更贵。像奥迪A8这样复杂的铝制车身的成本是传统钢制车身的许多倍。

在二氧化碳排放方面可以作进一步的比较。如果使用原铝，则需要行驶90000公里，直到较轻的铝合金汽车补偿了生产过程中较高的二氧化碳排放。然而，当再生铝比例增加时，二次铝含量超过75%时，CO₂对铝的排放量为正。

3.1燃料消耗量和排放量的计算

结构尺寸优化是汽车轻量化技术中最早、最成熟的应用之一。一般以汽车零部件的尺寸，如冲压件的壁厚、梁截面尺寸、减轻孔尺寸等参数为设计变量，以满足刚度、强度、振动、能量吸收等不同条件为约束条件，以结构质量最小为目标函数建立优化模型，其数学表达式为：

（1）

式中，m为汽车质量；u_k为节点k的位移；sigma;_max为最大应力；f_n为n的频率；E为碰撞时结构吸收的能量；x为尺寸变量向量；括号内的数值为约束函数的范围。

以往的研究表明，1kg铝在汽车上的应用，可以减轻2kg汽车的重量。一般来说，每减少10%的汽车重量，油耗可减少6%至8%。减少车辆重量100kg，二氧化碳排放量可降低约5g/km。目前，欧盟制定的二氧化碳排放标准约为230g/km。一个典型的铝零件可以减少30%到40%的车辆重量^[6]。本文以奥迪A8为例，它采用的是铝合金车身。奥迪A8的质量为2075kg，平均油耗为9.9升/100公里，排放量为199g/km。由于车身系统约占整车重量的20%-30%，如果采用钢制车身，整车质量约为2500公斤。基于以上信息，我们可以比较钢和铝车身的能耗和排放。（表1）计算公式：

（2）

（3）

（4）

式中，M_al为全铝车身汽车的质量；M_st为全钢车身汽车的质量；E_al为全铝车身汽车的平均能耗；E_st为全钢车身汽车的平均能耗；V_al为全铝车身汽车的二氧化碳排放量；V_st为全钢车身汽车的二氧化碳排放量；x为全铝车身汽车的百分比；y为车身结构中铝的百分比；z是钢的百分比。

表1 平均能耗与CO₂排放的比较

根据上表，我们发现能源消耗和二氧化碳排放的减少并不明显。我们可以计算出10万公里的能耗和二氧化碳排放量，因为汽车的使用寿命至少在10年以上，所以10万公里只是一个很短的距离。此外，前面提到的铝材制造过程需要50000公里的能源补偿和大约90000公里的排放补偿^[7]。我们可以发现，这个结果非常值得肯定。（图2）

图2 平均每100000km的能耗与CO₂排放的比较

4．结论

轻量化材料在汽车应用中代替低碳钢和铸铁时，为减轻重量和带来其他益处提供了一个重要的可能性。本文通过几个例子说明了我们现在使用钢以外的材料来减轻车辆重量的可能性。此外，许多制造商都意识到轻量化对节能和环保的影响。铝合金由于成本高、加工工艺复杂，在汽车车身上的应用极为少见。为了满足我们的高要求和高规格要求，无论是基于行业规定还是法律规定，这些方法必须为将来的车辆做出改进。随着技术的发展，铝合金将替代钢的地位而被大规模应用。

参考文献

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先进轻量化材料在汽车平台性能和重量优化中的应用

Peter Blackert，Paul Compston

摘要

目前汽车工业面临的一个主要挑战是减轻车辆重量。车辆重量的降低将改善其关键性能，即能源效率和减少排放。实现这一目标的一个有效途径是使设计方法注重使用先进的轻质材料。本文研究了工业的发展和先进材料在轻量化方面的应用。

开发了一种灵活的质量功能展开（QFD）工具，用于确定汽车车身零部件的需求，并制定最适合其实现的材料系统。使用这些由汽车制造商部署的材料系统创建三个离散的概念模型以解决车辆平台中使用的先进材料的生命周期和功能改进问题。

关键词：材料；汽车；功能；轻量化；QFD

1.介绍

现代汽车的需求包括轻量化、提高碰撞性能、提高燃油效率、可回收利用性、减少制造能耗、提高耐久性和改善防腐性能。采用先进的材料和先进的选择方法可以满足其中的大部分需求。变速箱、发动机缸体和车轮中的以铝为代表的这些材料性能已得到了改善^[1]。然而，如图1所示，机动车辆的车身在车辆总质量中的占比很高。

图2所示的温室气体减排目标也将促进技术进步。具体而言，传动系技术的进步应与轻质材料的选择相结合以实现这些目标，同时保持碰撞安全性和满足噪音、振动和不平顺性（NVH）标准。

很明显，旨在减轻体重的改进将有助于实现未来的这些目标。为了使经济效用最大化，轻质材料还必须提供额外的功能效益。本文提出了一种新的质量功能展开（QFD）工具，在保持功能需求的同时帮助减轻重量。该工具利用材料系统的质量来评估其满足客户对汽车结构中多部件系统的需求，而不是使用传统的QFD模型来根据客户需求评估和标杆化离散设计。

图1 车重占比图^[2]

图2 温室气体减排目标^[3]

2.汽车设计的挑战与轻质材料

当前的精益生产环境是为及时响应不断变化的需求而量身定制的，通过使用新材料和新技术，为满足不断变化的客户需求提供了机会。此外，竞争激烈的市场对制造商提出了通过平台工程降低单个车型的生产量来保持盈利能力的要求，即将个性化的车型、配置和品牌与一些通用的机械部件、内部结构和板材相结合。这也导致了许多小批量生产商的独立性丧失，他们无力承担所产生的费用^[4]。图3显示了20世纪多样化和产量减少的趋势。

经济全球化也导致了汽车大规模地从一个制造国家或地区向另一个制造国家或地区转移。本地化公司必须使生产或出口多样化，以保持可盈利的产量。对于地理位置受限的小型制造厂商来说，挑战在于实现经济形式的多样化，提高出口潜力^[5]。由于需要在一个全球竞争市场（基本上无人为的车辆关税）内保持销量，本地化的制造商必须利用其策略和资源来满足全球市场环境的要求，同时又要满足其传统的核心客户^[4，5]。它

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