汽车车身材料的轻量化应用.pdf

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1、汽车车身材料的轻量化应用汽车车身材料的轻量化应用贺金瑞内容内容轻量化的必要性轻量化途径轻量化材料应用的现状未来塑料新材料的发展面临的问题汽车轻量化技术应用的必要性汽车轻量化技术应用的必要性世界铝业协会的报告指出：汽车自重每减少10，燃油消耗可降低68。增加承载整车质量每减少100KG可节省燃油0.4-1.0L5006007008009001000110012001300140010987654百公里耗油（L）整车质量（kg）图1 整车质量减少与百公里耗油的关系图轻量化的途径轻量化的途径材料结构设计新技术应用高强度钢铝、镁合金塑料玻璃钢其他（PP、ABS、PA减少装配关系、优化力学结构 往往同时

2、使用功能不变，体积变小更复杂零部件的制造 轻量化途径轻量化途径汽车轻量化技术是设计、材料与制造技术的集成应用，实现车身结构轻量化的主要有两个途径：新材料应用：主要是采用轻量化材料和轻量化材料成型技术，以达到减轻零部件重量的目的。结构优化设计：使零部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以及对车身零部件进行结构和工艺改进等。其他化学制品防冻液、制冷剂、清洗液、电解液油料汽油、柴油、润滑、制动电类附件灯、仪表、音响、电子控制、通信、电源等金属材料黑色金属普通钢车身、轮辋特殊钢齿轮、轴承铸铁气缸体、壳体桥堡等有色金属铜散热器、电器铝镁合金发动机锡铅等轴瓦附件等稀有金属排气净化等无机非金属材料玻璃风挡、后视

3、镜、灯陶瓷火花塞、绝缘体水天然材料木材货箱、卧铺板、内饰板木屑皮革座椅、蒙皮、地板垫高分子材料塑料遮阳罩、内饰件、挡泥板橡胶轮胎、密封条、胶管、海面橡胶化纤面料、安全带、捆扎涂料防锈、装饰粘剂密封胶等汽车材料轻量化应用的现状材料轻量化应用的现状轻量化材料应用的现状轻量化材料应用的现状材料轻量化的发展现状现代汽车中占自重90的6类材料大体为：钢，铝及铝合金，铸铁，塑料，复合材料，陶瓷及玻璃。用新型板材及轻型材料(如镁、铝、塑料和复合材料等)替换车身骨架及内、外壁板原有的钢材来实现轻量化是车身轻量化技术重要途径之一，主要体现在以下几个方面。高强度钢（部分厂家应用的新进展）高强度钢（部分厂家应用的新

4、进展）据 2007 年 10 月 在 德 国 法 兰 克 福 召 开 的 The 9th InternationalCar BodyBenchmarking Platform 会议上的信息。表1为此次会议公布的部分汽车厂家车身高强度钢应用的新进展。车型高强度钢占车身的比重备注The OPELAntara74%Opel Corsa68%Fiat New 50065%经济型车Fiat Grande Punto67%Skoda Roomster59%经济型车AudiA568New V7070Nissan Qashqa63%New Mondeo60.3New HONDAACCORD49%Laguna

5、III71%表1 部分汽车厂家车身高强度钢应用的最新进展高强度钢高强度钢（国际主流车型应用情况）国际主流车型应用情况）轿车等级也是高强度钢应用比例应该考虑的一个因素，图2为Fiat公司不同级别轿车中车身高强度钢应用现状的状况。目前，国际主流车型的高强度钢占车身的比例已普遍达到60%以上。另外，强度级别为780,980MPa在车身结构件上应用已相当普遍65%67%68%0%0%20%20%40%40%60%60%A class/New.500B class/Grande PuntoC class/BravoFiat车身高强度钢应用现状占车身质量的比例 60%图 2 Fiat公司车身高强度钢应用状

6、况高强度钢高强度钢（国内自主品牌车的应用情况）国内自主品牌车的应用情况）图3为国内某自主品牌轿车产品上高强度钢的应用规划，由图可知，国内高强度应用虽然与国际主流厂家的产品存在一定的差距，但是这个差距也在不断的缩小。国内某自主品牌轿车高强度钢的应用图 3 高强度钢的应用规划铝与铝合金铝与铝合金继2000年超过塑料跃居第三大汽车材料之后，铝合金在汽车上的应用又取得重大进展。铝协会在2007初发表的一项研究报告中宣布，铝在汽车中的用量已超过（铸）铁，成为仅次于钢的第二大汽车材料。铝在北美、欧洲和日本汽车中应用情况如图4所示。507090110130150199020002006年份平均每车用铝质量m

7、/kg北美欧洲日本图 4 北美、欧洲和日本汽车的单车平均用铝量（来源：Aluminum Now）镁合金镁合金镁是比铝更轻的金属材料，它可在铝减重基础上再减轻1520。尽管镁在当前汽车用材中所占的比例不到1，但是在轻量化的驱动下，镁材料技术开发的力度不断加大，它已步入快速发展阶段。到目前为止，汽车上采用镁合金的零部件至少超过60多种。今后将重点发展的镁合金零部件主要有：仪表板骨架、发动机缸体、缸盖、托架、油底壳、格栅加强体、结构支架（座）、后车箱盖、内门框、车顶板、加强板，以及某些抗碰撞零件。塑料及其复合材料塑料及其复合材料（欧美）（欧美）近年来塑料及其复合材料在汽车中的用量持续增长。图5为美国

8、家庭轿车塑料（含塑料复合材料）用量的增长情况，从1977年到2004年，单车塑料的用量由76公斤提高到117公斤，增幅达54。目前北美汽车中塑料的用量为每车118公斤左右，约占整车质量的10，预计2010年将达到136公斤。而欧洲轿车塑料所占的比例稍高，已达整车重量的14.5。0204060801001201401977198519911999200020032004单车用量/KG0123456789应用比例/%单车用量百分比图 5 美国家庭轿车塑料用量增长情况（来源：Mark Rossi等）塑料及其复合材料塑料及其复合材料（国内）（国内）车用塑料及其复合材料随着我国汽车工业的快速发展，用量会

9、大幅度增加，表2为国内汽车用塑料需求与预测。表2 国内汽车用塑料需求与预测（单位：万吨）数量年份轿车客车货车维修*保养合计200520.27.08.110.245.5201034.98.89.718.872.2201583.733.032.464.5213.62020112.035.431.7110.0289.1销售量PVCPE-HDPE-LDPE-UHMWPPPSPMMAABSPOMPBTPC/ABSPPOPCPETPA 6,6PA 6PA 4,6PPAPSUPEIPESPSU 聚砜PPSUPPSLCPPEEK工程塑科工程塑科特种工程塑料特种工程塑料材料一览图材料一览图1.ABS 丙烯睛丁二

10、烯苯乙烯共聚物2.BMC整体模制塑料3.FRP 玻璃纤维增强塑料4.PA聚酰胺（尼龙）5.PC聚碳酸酯6.PE聚乙烯7.PEEK聚醚酮醚8.PEI 聚醚酰亚胺9.PMMA聚甲基丙烯酸酯有机玻璃10.PP聚丙烯11.PPO聚苯醚12.PPS聚苯硫醚13.PPSU砜树脂聚合物14.PS聚苯乙烯15.PSU聚砜16.PU聚氨酯17.PVC聚氯乙烯18.SMC 玻璃钢19.VOC挥发性有机化合物SMC 在汽车上的应用在汽车上的应用国外汽车应用欧洲和美国SMC 汽车部件用量最多。应用领域包括了悬架零件、车身及车身部件、发动机盖下部件、车内装饰部件等，其中尤以保险杠、车顶、发动机罩、发动机隔音板、前后翼子

11、板等部件用量最大自动扰流板车顶框Berlingo Roof ModuleSMCSMC欧美汽车市场的概况介绍欧美汽车市场的概况介绍SMC/BMCSMC/BMC在欧洲的应用在欧洲的应用SMCSMC欧洲汽车市场的概况介绍欧洲汽车市场的概况介绍SMC在轿车和卡车上的应用走势图在轿车和卡车上的应用走势图国内国内SMCSMC在汽车上的应用在汽车上的应用前面罩（SMC)前面罩(SMC)国内重卡国内重卡顶盖、导风板顶盖前面罩顶盖导流板踏板侧防护保险杠翼子板SMCSMC与铝、钢的经济技术比较分析与铝、钢的经济技术比较分析用量越大，SMC的优势越小，即在小批量上SMC更显优势资料来源：ThyssenKruppSM

12、CSMC与铝、钢的经济技术比较分析与铝、钢的经济技术比较分析资料来源：ThyssenKrupp船护栏SMCSMC与铝、钢的经济技术比较分析与铝、钢的经济技术比较分析资料来源：ThyssenKrupp其他塑料的应用其他塑料的应用其他塑料的应用其他塑料的应用外观：散热器格栅遮阳罩踏板翼子板挡泥板导流罩导风板后视镜壳进、排气油管装饰字 内饰：仪表台衬层卧铺杂品箱工具箱座椅电器件顶窗盖 各国汽车用塑料的品种按用量排列各国汽车用塑料的品种按用量排列中国 PP、PVC、PU、FRP、ABS、PE、PA 和PC。德国 PVC、PU、PP、PE和ABS；美国 PU、PP、PE、PVC和ABS；日本 PVC、P

13、P、PU、ABS、PE和FRP。汽车技术发展重点：主要围绕节能、环保、安全、舒适、成本等主题进行，其中能源和环保问题尤为突出。汽车用材轻量化是提高燃油经济性的最有效措施之一。轿车每减轻自重10%，燃油消耗可降低6%-8%，载货车每降低自重1 t，燃油消耗可降低6%-7%，同时还可以增加有效载荷。未来塑料新材料的发展未来塑料新材料的发展未来塑料新材料的发展未来塑料新材料的发展在节能、安全、环保和成本等因素推动下，塑料及其复合材料一直朝着高性能、低污染、低密度、低成本的方向发展。未来塑料新材料发展包括：a 开发外表美观同时具有良好降噪性能的内饰新材料；开发具有优良高效冲击性能的内装件材料；b 开发

14、耐候、耐化学侵蚀，具有良好的表面光泽和抗撞击性能的外装件用聚合物体系，提高塑料零部件的表面光洁度；开发光亮、耐候的着色剂；开发先进的增强材料及增强技术；开发可生产出A级表面、免油漆外装件的复合材料；未来塑料新材料的发展未来塑料新材料的发展c 开发生产夹层构件的材料与工艺；开发满足汽车设计要求的新型塑料合金和塑料共混物的热塑性塑料和热固性塑料d 开发低成本的耐热树脂材料、导电树脂材料，开发燃料电池、混合动力零部件用材；开发结构件用的低成本热塑性复合材料、碳纤维复合材料，冲击能量吸收率高的材料，疲劳性能和抗蠕变性能好的材料；e 开发新的低成本增强技术（如新的增强纤维，新的填充颗粒和纳米微粒、导电颗

15、粒等），以满足零部件高刚度、高耐热性及成形性要求。面临的问题面临的问题材料标准及测试标准目前国内有许多家汽车用改性塑料专业生产厂家，也有众多的汽车主机厂，每一个汽车主机厂所采用的材料标准各有差异，但代表着都是符合自己或本国国情的材料性能要求。如大众标准代表着德国大众材料标准，丰田标准代表着日本丰田的材料标准，通用标准代表着美国通用标准等。如何在复杂的材料性能体系和测试标准的大环境下，建立自己的材料体系，这是我们民族汽车企业所面临的一个严峻考验。面临的问题面临的问题材料标准及测试标准国内的主机厂所采用的材料标准几乎都是引进方的企业标准，如大众标准、MAN标准、通用标准、沃尔沃标准等等。目前，国内

16、真正拥有独立的、符合自身要求的标准体系的主机厂，据了解只有一汽！其他主机厂大部分采用技术合作的外方企业标准，也有一部分主机厂参考国外标准，拥有了独立的标准体系，但至少拥有却并没有按自己的设计要求开始独立的修订工作。面临的问题面临的问题成本与性能的协调面对日益激烈的市场竞争，如何在满足产品性能的基础上，最大限度的降低成本，成为每一个汽车主机厂重点关注的核心问题。通过更换材料或降低材料性能指标，是降低成本的一种简便的方法，但我们认为这并不是一种理想的方法，其效果有限。材料的变更意味着性能的改变，如何保证在一定产品性能的基础上，协调成本与性能的关系，是我们所面临的一个来自市场的巨大压力。面临的问题面

17、临的问题质量稳定性从我们主机厂对塑料材料应用情况来分析，国内汽车用改性塑料的性能已经接近或达到国外的改性塑料同等技术水平，涌现出一大批大型的、技术雄厚的专业改性塑料厂家。在材料质量稳定性方面，与国外厂家却存在着一定的差距，这加剧主机厂对产品质量控制的难度，影响到主机厂对厂家材料质量的信任度。如何保证每批材料性能（如物化性能、高低温性能、老化性能、尺寸稳定性）的稳定，或者说减少不同批次间材料性能的差距，是改性塑料厂家所需要解决的一个问题。面临的问题面临的问题高性能塑料材料的应用开发目前，汽车应用的塑料主要为通用塑料和工程塑料，如PP、PVC、PMMA、PA、PET、PBT、POM等等。特种工程塑

18、料如PPS、PEEK、PEI、PES等等还没有得到广泛使用，根本原因在于成本和加工难度。特种工程塑料都有某些特别优异的性能，如何应用有待进一步研究。面临的问题面临的问题VOC(挥发性有机化合物）塑料件的增多，必然引发驾驶室空气质量问题。与欧美的差距。如何降低VOC是材料应用的关卡。法律法规国内虽然还缺失，提上日程则是几年前的事情某公司塑料件库面临的问题面临的问题环保回收压力环境压力越来越大，污染也趋于严重，回收是必然的发展趋势。如何回收？零部件的材料不再单一，分类回收费用承担？如何再利用?汽车工程研究院 商用汽车研究所贺金瑞029-86955787 15091767472重卡办公楼 410Cosmiclighter