汽车材料质量分数分析

图9.2-1^[1]表明在最近30年在汽车工业中使用的各材料组在所用的材料中的质量分数已经发生很大变化（百分数）。2010年预测表明，可以期待在未来的汽车构件中，特别在塑料和铝材料方面将继续增加，并成为创新设计的重要方面。

在京都议定书基础上和未来进一步强化排放限值可衍生出车身开发的多个设定目标。通过使用新材料和集成设计可进一步减轻车身重量并降低燃料消耗。此外，还要考虑对汽车安全性、舒适性和成本的这些要求。

（1）车身　在车身上，钢仍然是主要的材料，在聚焦轻结构车身时选择屈服强度R_p0.2为200MPa，直至达1800MPa（硼合金钢）的高强度和最高强度的钢^[2]。获得2003年度钢创新奖的保时捷卡宴^[8]是车身首次使用质量分数约为65%的多相钢的批量生产汽车^[3]。

图9.2-1 乘用车上各个材料组在所用的材料中的质量分数

铝车身至今主要用于高档汽车、3L汽车（100km燃料消耗3L）、紧凑型汽车和小型汽车上（如奥迪A2）。

在汽车内饰中塑料起着重要作用。在汽车外饰范围塑料主要用于非承载位置。塑料与金属的“混合技术”正在开发，在未来将用于承载的车身构件上^[4]。

在车身设计中还考虑使用镁合金。而在承载车身范围使用纤维复合材料看来只限于试验汽车。虽然有不少吸引人的先例（如奥迪A6的前车顶框架），但未来在大批量生产上要取得突破恐怕不太可能。

（2）底盘　在底盘上轻金属特别是铸造铝合金或锻造铝合金在所用的材料中越来越多地占有较大的质量分数，而钢和铁的质量分数连续下降。(www.xing528.com)

在典型的车身范围（摆动支架、导杆等），镁合金由于耐腐蚀差、力学性能低还没有采用。

镁合金车轮在技术上是可行的，但仅限于运动车领域的小批量使用（如保时捷 卡雷拉GT）^[5]。

（3）动力装置　在动力装置上使用多种材料，即最早的“多种材料设计（Multi-Material-Design）”概念。如高硅铝合金（如AlSi17Cu4）或灰铸铁的曲轴箱、玻璃纤维增强塑料进气管、锻钢曲轴、催化转化器的陶瓷材料、嵌入铝曲轴箱体陶瓷预成型的低磨损气缸套工作面等多种材料的使用情况。在宝马的新直列6缸点燃式发动机曲轴箱第一次成批使用镁铝合金。与铝合金曲轴箱相比约可减轻质量10kg。除曲轴箱外，气缸盖罩也采用镁合金。

总体上看，使用钢的质量分数不断下降，但在汽车制造中钢材料仍是主角。在最近几年使用塑料的增长速率趋缓，但在未来创新汽车设计中还会担当重要角色。轻金属的质量分数，特别是铝，在未来，在优化汽车重量的设计中将会增长。随着交通密度的增加和由于社会的、生态的变化，已对汽车和将对汽车的要求愈加综合和苛刻。为实现未来的汽车任务，要有新的解决办法，即不只是通过单独的材料替换，而首先是通过“材料+结构+加工方法”的综合的解决办法。

参考文献