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国外汽车轻量化材料应用经验借鉴

2020-01-17 17:04:17 来源: 网络,如有侵权请联系我们!
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导读:

研究表明,降低汽车重量能够有效降低油耗以及排放,整车质量每下降 10%,油耗下降6%~8%,排放下降4%~10%,轻量化已经成为汽车工业的一个重要发展方向,新材料的应用则被认为是实现汽车“减重”的关键。

德国、美国、日本等汽车制造大国纷纷加强轻量化材料在汽车领域的应用,并取得了较好效果。相比之下,我国汽车在轻量化材料应用方面与国外先进水平相比存在较大差距,如铝及钢用量约是国际先进水平的一半左右,镁合金用量则是欧洲先进水平的1/10左右。

一、轻量化已经成为汽车工业发展的必然趋势

1.1 各国纷纷收紧汽车能耗及排放政策

能源与环境危机加速了各国政府对汽车能耗和排放的严格控制,日本从1966年就开始加强对汽车排放的控制,其2005年开始实施的长期限制标准被誉为世界上最严格的尾气限制标准。

2009年 5月,美国奥巴马政府也宣布了限制汽车温室气体排放和油耗的新法规,要求在2016年新车平均燃油经济性要在2007年水平基础上提高42%。

此外,韩国也计划于 2020年继续收紧对于汽车排放的控制法规。轻量化设计将成为目前改善汽车能耗和排放的必要途径之一。详见表1所示。

表 1 部分国家汽车燃油经济性/温室气体排放标准

1.2 各国政府高度重视汽车轻量化技术研究

美国政府早在 1993年就提出了新一代汽车合作计划(PNGV),其中整车轻量化应用技术是其中主要的技术路线,2002年又提出了自由合作汽车研究(CAR)计划,轻量化也是核心的技术路线之一。

2005年欧盟第六框架计划之下也开展了超轻车身联合研发项目(SuperLIGHT-CAR)研发项目,目的是减少轿车质量、节约燃油和减少CO2排放,实现车身减重30%。

此外,世界钢铁联盟也先后开展了超轻量化钢汽车车身项目、超轻量化钢先进汽车项目等,加强汽车轻量化相关技术攻关。

1.3 汽车轻量化材料应用逐年提升

随着各国对汽车轻量化的重视程度不断提高,轻量化材料应用比例呈现逐年上升的发展趋势,目前全球车企使用较多的轻量化新材料主要包括碳纤维、铝合金、镁合金、工程塑料等。

德国、美国、日本是目前全球汽车轻量化材料使用比例相对较高的国家,其中德国的汽车轻量化材料应用占比达 25%左右,是全球使用比例最高的国家,详见表2所示。

表 2 部分国家轻量化材料应用占比

二、国外汽车轻量化材料应用的主要做法

2.1 政府引导有力

出台多项政策措施。目前美国、德国、日本等国际汽车强国都纷纷出台了相关政策扶持、引导汽车轻量化应用,并且从技术标准、财税政策、科技计划等多方面出台多项政策措施,倒逼汽车轻量化材料应用快速发展,详见表3所示。

表 3 主要国家汽车轻量化政策措施

明确发展目标和技术路线图。目前美、日、欧、韩等国都针对汽车轻量化提出了明确的发展指标和技术路线,如美国不仅提出了整车轻量化的目标,并且针对这个目标对包括车身系统、底盘、动力总成在内的整个组成系统进行目标拆分,同时重点关注高强钢、铝、镁、钛合金镍合金、复合材料等汽车轻量化材料,详见表4所示。

日本则重点关注钢铁、非铁金属(铝、镁等)、树脂/复合材料等材料,及其加工技术和连接技术,并提出明确的轻量化目标。

表 4 美国汽车轻量化材料技术路线

2.2 加强多部门的协同创新

目前世界各国都高度关注轻量化材料及产业的发展,在推动模式上,不仅有政府的强力推动,同时注重各方的协同,在共性关键技术研发上,一般都是采用政府支持、社会组织协调、产学研共同参与的模式,鼓励和支持跨产业合作,利用研发计划、科技计划等方式给予支持,推动构建“企业+高校+研究机构”的产业组织体系。

为支持轻量化材料发展,美国还成立了“面向未来轻量化创新中心”,目前创新中心的会员单位已经超过200家,涵盖了研究机构、大学、制造企业、社区学院、非盈利机构等产学研各方,有利于集中资金、人才、设备等各类资源,开展多方协同创新。

日本、德国轻量化材料的研发项目虽然大多数都是由企业自己执行,但是政府充分发挥推动作用,通过经费投入、组织协调、政策保障等方式组织各方创新力量协同,形成各创新主体分工明确而又协同有序的发展形势。

2.3 重视专利的战略布局

从全球汽车轻量化技术专利来看,日本、德国、美国的专利占比约占全球专利总量的 70%左右,其中核心专利达到 80%以上。企业分布以车企为主,同时还包括钢铁制造、化学制品、电子产品、橡胶等生产企业。不同的企业针对各自的研发方向各有侧重,并且围绕其核心专利进行全球化布局。全球主要车企的轻量化材料专利布局重点详见表5所示。

表 5 全球主要车企的轻量化材料专利布局重点

2.4 优先选择豪华车和新能源车

成本高是制约汽车轻量化材料应用的一个主要瓶颈。

一是研发成本高,汽车轻量化材料的研发投入大、周期长、风险高。

二是材料成本高,高强钢、铝合金、镁合金、碳纤维等轻量化材料相比传统的铸铁、钢材等价格较高。

三是车企制造成本高,新材料的使用需要车企更换新的、与材料性能相适应的模具、生产线和设备等,带来企业生产成本增加。

四是后期维护成本高,受制于铝合金、碳纤维等材料属性,发生事故车身受损后维修成本很高。

为应对成本高问题,目前国外车企在轻量化材料的应用上优先选择对成本不敏感的豪华车和新能源车,以推动轻量化材料的应用推广。

豪华车由于对成本的敏感度较低,更加注重速度和性能,已经成为轻量化材料的应用重点。自2011年宝马发布由复合材料制造的BMWi子品牌,就开启了豪华车“轻量化”时代,目前宝马、奔驰、奥迪、保时捷、法拉利等豪华跑车和高端车品牌纷纷在部分车型上实现大规模的轻量化材料应用(表6)。

表 6 大规模使用轻量化材料的豪华车型

新能源车也是轻量化材料大规模应用的一个重点方向,一方面轻量化材料应用对提升新能源车电池续航里程的作用优势明显,统计数据表明,整车质量减少 10%,单次充电的行驶里程增加5.5%,另一方面部分新能源车属于新车型,不存在传统车型模具的成本支出,能够有效降低轻量化材料的使用成本。如特斯拉的M ode l S和Model X均采用了全铝车身,即约90%的机构件均使用铝合金,降重效果十分明显。

2.5 注重多种材料的综合优化应用

铝合金由于在汽车上使用较早,工艺相对成熟,是很多车企首选的轻量化材料,并致力于打造全铝车身。但随着众多新材料的不断涌现,对汽车零部件的选材也有了更大的选择空间,单一材料已经难以同时满足汽车零部件轻量化、工艺性、安全性、低成本等多种要求。

因此国外车企在满足汽车零部件基本性能要求的前提下,更加倾向于“多材料组合”和“合适的材料用于合适的部位”,如新一代奥迪A8豪华车型已经正式放弃全铝车身,回归选用钢铁材料,特斯拉Model 3为降低成本,也放弃全铝车身,选择了钢铝混合车身结构,多种材料综合优化应用逐渐成为世界各国发展汽车轻量化的主要方向。

北美地区以年均5.6%的复合增长率成为全球最大的汽车轻量化材料市场,其轻量化材料的应用也呈现多种材料综合应用的发展趋势,除了传统的钢铁、铸铁等材料的应用比例有所下降外,铝、其他金属、塑料等轻量化材料呈现逐渐上升的发展趋势。图1展示了 1975—2025年北美地区汽车轻量化材料应用比例变化。

图1 1975-2025年北美地区汽车轻量化材料应用比例变化

三、对我国汽车轻量化材料应用的经验借鉴

3.1 加强政策扶持和引导

一是充分发挥现有政策的引导作用,利用现有新材料生产应用示范平台、检验检测平台、首批次保险、新材料专项、重大科技专项等,加大对汽车轻量化材料的研发和产业化的引导。

二是从控制温室气体排放、提高燃油税和重量税、加大研发投入等多方面进一步完善轻量化材料的扶持政策体系,尤其在税收、消费等环节加强针对轻量化汽车的鼓励政策,倒逼企业加大汽车轻量化材料的应用。

三是加大对轻量化材料的财政支持力度,通过贴息贷款、补助等方式,对重点轻量化材料领域开发的市场前景好、技术成熟度高、易于产业化的项目进行重点扶持,加大推广应用力度。

四是尽快完善汽车工业的材料标准体系,对一些长期没有修订、与轻量化汽车市场需求不相适应的标准进行修订,加快制定高强钢、铝合金、镁合金、塑料、碳纤维等汽车新材料及零部件技术标准。

3.2 强化协同创新

一是组织科研机构、大学、汽车制造企业、材料生产企业等组建国家级轻量化材料创新中心,重点解决我国目前轻量化材料应用比例偏低、关键核心技术基础不牢、创新载体分散、创新成果转化不畅等核心问题,实现创新资源整合,推动知识、资本、人才的灵活流动和合理配置,重点加强整车设计优化和评价技术、零部件设计和评价技术、新材料开发和成型技术、连接技术等关键技术的攻关及产业化。

二是充分发挥企业在技术创新决策、研发投入、科研组织和成果转化中的主体作用,加快构建以企业为主体、市场为导向、产学研相结合创新机制。三是鼓励产业链上下游合作,加强材料生产企业与汽车制造企业之间的合作,通过建立联盟、开展产业对接会等形式,打通上下游产业通道。

3.3 开展应用示范

一是整合相关政策资源,在全国范围内选择技术较为成熟、人才资源丰富、市场基础好的车企进行先行先试,并根据市场情况进行推广,示范过程中加快制定相关行业标准,形成可以复制的经验。

二是充分发挥我国作为全球最大的新能源汽车市场优势,优先选择技术较为成熟的新能源车型开展示范,通过贴息、消费补贴等形式进行扶持。

三是鼓励地方政府针对当地发展现状,筛选有实力的企业开展应用示范,并进行相关扶持。

3.4 重视专利的质量提升和前瞻性布局

一是通过开展专利讲座、专利申请前评估、细化鼓励政策等措施,引导企业、科研院所等强化对高质量专利的重视程度,提升我国轻量化专利质量和水平,尤其是核心专利的占比。

二是引导实力较强的生产企业联合科研院所加强对专利的前瞻性布局,尤其在材料研发、车身轻量化优化设计、成型焊接工艺等国内较为薄弱的领域进行全球性专利布局。

三是加强对全球轻量化核心专利的系统性研究,尤其是美国、日本、德国轻量化材料专利的发展趋势,了解其专利申请保护的策略,预判技术发展趋势,开展专利分析预警工作,为我国未来汽车轻量化战略布局提供借鉴。

来源:《新材料产业》转自材加网

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