本報通訊員 部虎 任雪昭 記者 孫學軍
今年7月份,上海、廣州、天津等地將實施“國六”排放標準。“國六”排放標準分為ab兩個標準,a標準略嚴于歐洲第六階段排放標準限值水平,b標準限值相當于美國Tier3排放標準中規(guī)定的2020年平均限值?!皣钡降子卸鄧溃课覀兣e個例子來說,與“國五”排放標準限值相比,“國六”b標準的一氧化碳和氮氧化物限值分別下降了50%和42%??梢?,我國推進超低排放的決心之大。這對汽車行業(yè)而言相當于指明了發(fā)展方向,即實現(xiàn)節(jié)能減排和車身輕量化。
汽車要實現(xiàn)輕量化必然需要研發(fā)輕量化材料。“集成高強鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維等多種輕質材料是未來汽車用材的發(fā)展方向。”這是《中國冶金報》記者從日前在重慶大學召開的以“新材料、新工藝、新技術”為主題的2019汽車輕量化與高性能材料技術論壇上獲知的信息。
節(jié)能減排要求輕量化
全球汽車產(chǎn)業(yè)正面臨深刻變革,在環(huán)保需求、安全法規(guī)、信息技術和人工智能的綜合推動下,汽車行業(yè)正向著“新四化”(電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化)的發(fā)展方向變革,這就對汽車的開發(fā)目標、研發(fā)手段和測評技術等都提出了更高要求。
再加上我國近年來大氣污染嚴重,汽車行業(yè)節(jié)能減排壓力巨大。從環(huán)保需求來看,目前我國汽車用汽、柴油消費量占全國汽、柴油消費量的55%,每年新增石油消費量的70%以上被新增汽車所消耗。石油消費的快速增加,一方面增加了能源供應壓力,造成我國原油對外依存度逐年增加;另一方面也導致我國碳排放量迅速增加,對環(huán)境造成不可逆的影響。
在全球倡導節(jié)能減排的背景下,我國明確提出到2020年乘用車新車平均燃料消耗量降至5升/100公里。在采用“國六”的排放標準后,對汽車行業(yè)的節(jié)能減排技術提出了更高要求。
“在汽車行業(yè)節(jié)能減排路徑中,汽車輕量化是最容易實現(xiàn)、潛力相對較大的方式。”長安汽車工程研究總院副總經(jīng)理馮剛說,“研究發(fā)現(xiàn),汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%~8%;汽車整備質量每減少100千克,百公里油耗可降低0.3升~0.6升?!?/p>
此外,對于新能源汽車而言,汽車輕量化更是解決續(xù)航問題的有效途徑。“目前電動化已是汽車產(chǎn)業(yè)不可逆轉的潮流。由于電驅動本身的技術及配套產(chǎn)品的成熟度較低,同平臺下的電動車整備質量往往比燃油車更重。為了跨過續(xù)航門檻,電動化時代下的輕量化需求更為迫切?!敝貞c大學汽車工程學院“百人計劃”研究員詹振飛認為。
輕量化務必選材得當
實現(xiàn)汽車輕量化主要有兩個途徑:一是通過整車和零部件優(yōu)化結構設計,如除去零部件多余部分(薄壁化、中空化),減少零件數(shù)量,設計全新結構等;二是輕量化材料和工藝開發(fā),即用低密度材料代替鋼鐵材料的應用,主要采用輕量化材料以減輕零部件重量。
從長期來看,合適的輕量化材料應用到合適的部位,才能最大程度上發(fā)揮材料特性。“汽車輕量化首先要選材得當,利用新的成型技術優(yōu)化零部件結構,使合適的材料用在合適的車身部件上,可以減輕車身重量?!焙愉摷瘓F鋼研總院首席工程師王立輝博士在此次論壇上表示。
從不同材料分析來看,高強鋼可以降低鋼板厚度,主要用于外覆蓋件、白車身和懸掛件等;鋁合金、鎂合金和工程塑料等低密度輕質材料,主要用于發(fā)動機缸體、方向盤骨架等非結構件。并且,從近期應用結合未來發(fā)展來看,高強鋼、鋁合金仍然是當下主流的輕量化材料,而鎂合金目前呈現(xiàn)出的輕量化效果較好,具有較大的增長空間。
中國現(xiàn)在已經(jīng)成為汽車用鎂合金零部件的生產(chǎn)大國。中國工程院院士潘復生教授認為,鎂合金輕量化效果好,資源豐富,功能特性優(yōu)良,其擴大應用對全球節(jié)能減排和緩解礦業(yè)資源危機具有重要的戰(zhàn)略意義,再加上鎂合金比強度高可以明顯減輕車身重量,同時可以實現(xiàn)減振降噪、屏蔽電磁輻射等,在汽車、摩托車和其他軌道交通等方面有廣泛的應用前景。
此外,鋁合金具有比強度高、耐腐蝕和良好的加工成型性,熱處理后強度可與鋼相媲美,是汽車輕量化主要選擇的替代材料。目前,我國交通運輸業(yè)用鋁的比例約為20%,增長空間廣闊。
研發(fā)空間巨大
新材料的應用要經(jīng)歷一個漫長的過程。由于汽車輕量化包含不確定性分析、最優(yōu)化方法、近似建模等多領域的理論與技術,又涉及安全性、可靠性、耐久性以及舒適性等多個學科,是多部門、多平臺、多學科的綜合,其問題的復雜性遠遠高于普通產(chǎn)品。雖然與10年前相比,我國基本上解決了汽車材料輕量化的設計問題,但離國際先進水平仍有很長一段距離,頗具挑戰(zhàn)性。
其中,汽車材料及制造成本、輕量化效果和技術成熟度之間的平衡成為汽車選材、用材和實現(xiàn)輕量化的突破口。“整車結構輕量化必須在保證整車結構力學性能指標的前提下實施,如剛度性能、強度性能、NVH(即噪聲、振動和聲振粗糙度)特性和結構耐撞性,需根據(jù)工程經(jīng)驗反復修正方案?!敝貞c大學汽車工程學院張志飛副教授說。
在汽車輕量化用新材料研發(fā)方面,上海交通大學劉釗建議,碳纖維復合材料具有多尺度特性,在細觀和介觀尺度上存在結構特征復雜、力學性能參數(shù)不確定等難題,可開展不確定性的碳纖維復合材料本構建模以及多尺度不確定性優(yōu)化方案研究,對推動復合材料在汽車輕量化中的應用意義重大。
同時,搭建交流合作平臺也是促進汽車輕量化用材料發(fā)展的關鍵。在車型開發(fā)的不同階段,零部件的優(yōu)化設計需要綜合考慮安全性、經(jīng)濟性和技術成熟度等很多復雜因素,研發(fā)出的新材料和新技術,必須由材料供應商、車企等緊密配合,經(jīng)過使用驗證和系統(tǒng)評價才能走向成熟、走向市場,真正達到整車輕量化的目的,從而實現(xiàn)材料替代和節(jié)能減排。
此外,鋼鐵材料是汽車最重要和不可或缺的材料,汽車輕量化和高強度鋼材的研發(fā)已經(jīng)成為鋼鐵行業(yè)的重要課題?!皬闹圃斓椒?,實現(xiàn)產(chǎn)學研用的深度融合,才能全方位推進汽車輕量化發(fā)展。”河鋼集團鋼研總院首席工程師齊建軍說。
《中國冶金報》(2019年06月26日 03版三版)