【轻量化高峰论坛】东北大学姚广春：一些汽车轻量化措施的研究

7月12日-13日，“2018中国汽车轻量化产业高峰论坛”在上海隆重举行，论坛以“新技术、新材料、新工艺“为主题，旨在降低汽车自身重量同时提高输出功率、降低噪声、提升操控性和安全性，并对汽车轻量化政策趋势发展、整车轻量化平台化设计方案、关键零部件轻量化技术开发及汽车轻量化多材料应用及成本控制分析等问题展开探讨。

东北大学姚广春教授

东北大学姚广春教授分享了一些汽车轻量化措施的研究，以下是演讲实录（有部分删减）：

各位上午好，听了一天半的报告，学习的知识很多，受益匪浅，我不是做汽车研究的，我们是搞金属材料的，虽然作为一个门外汉，但是对汽车轻量化的方面有一些想法，有一些建议，提出来供汽车行业参考。

轻量化的目的是减轻重量，节能，减少污染。轻量化要有原则的，不是减轻重量就行，减轻重量了减轻质量了不能降低强度，不能降低安全性，不能降低汽车的舒适性，有些轻量化的做法，可能在这些方面没有达到要求，怎么做可以共同讨论。

怎么弥补这方面，首先我要谈的是汽车蒙皮板，目前汽车的蒙皮板，多采用钢板，有的采用铝板，钢板密度是7.8，铝板密度是2.7，在相同体积下，质量降低很多。可是铝板的强度低，钢的抗拉强度为500兆帕左右，而铝只有200多兆帕，250，最高的270兆帕，怎么提高强度？保证在降低质量的同时又要不降低强度，也能达到500兆帕左右，怎么办？可以采用两层铝板中间夹一层玻纤织布。玻纤占的体积分数为33%，玻纤的抗拉强度可以达到1000兆帕，强度贡献为330Mpa，铝板体积分数67%，抗拉强度按照270Mpa算，贡献强度是181Mpa，复合板的强度可以达到511Mpa。可以有两种方法，一种用树脂复合，一种用胶粘接复合，当然是用高强度胶复合。复合以后的夹芯板的密度为2.2-2.3，密度很低，可是强度很高，500多Mpa，这样降低了铝板在冲压成型过程中的开裂几率，提高了成材率。

铝板要经过拉毛处理、涂胶复合，加压固化，最后切割打包。上面的专利就是我们的。

第二个方面，关于纵梁、立柱、车身材料，很多都谈到了采用高强钢、压铸铝、高强度铝制造纵梁、立柱和横梁等，都存在碰撞过程中阻尼性能问题，阻尼性能不高，抗碰撞能力低。怎么提高阻尼性能？可以采用充填泡沫铝材料，提高阻尼性能，充填的泡沫铝质量只增加23%，但是它的抗弯强度可以翻倍，提高一倍，阻尼性能可以提高2-3倍。就是可以采用薄壁的高强钢，中间填充泡沫铝，质量增加很少，而强度、韧性、阻尼性能翻倍提高。怎么做？如果采用规整截面的管状件，可以把泡沫铝切成与内壁形状相适应，配合紧密的圆柱或方柱挂胶直接填入即可。固化以后就形成一体。

另一种方法，可以采用德国弗朗霍夫研究所的粉末冶金法，将铝粉与发泡剂混合后填入管中，加热熔化发泡，在管里面直接生长成泡沫铝的柱体，这种方法泡沫铝与管壁结合强度高，属于冶金结合，但是，泡沫铝质量低，气孔不均匀。还有一种方法是，对于异形管件，可以将泡沫铝破碎成小块，挂胶填充。

第三个轻量化措施是，用泡沫铝的防撞梁替代钢梁、铝梁，这两天大家介绍的辊压制造的钢防撞梁，半固态铸造的铝防撞梁等，实际不防撞，名不副实。为什么呢？因为这些防撞梁没有吸能缓冲功能，在碰撞过程中不能释放动能。这就像汽车的保险杠名不副实，保险杠并不保险，只是一个装饰件。采用泡沫铝的防撞梁质量轻，泡沫铝的密度0.5左右，比钢和铝的都轻，然而有很高的吸能功能。可以这样设想，如果在汽车的前面，带着一个大的棉花包，在高速碰撞时棉花包能够吸收全部的碰撞动能，保护其后面的车和人都是安全的。关键问题是，有没有和棉花包一样，具有这么高吸收动能的材料，用泡沫铝材料就可以实现。普通泡沫铝材料每立方米可以吸收1-2万千焦的动能，如果把泡沫铝装填在铝管中，每立方米可以吸收4-6万千焦的动能。用泡沫铝材料做成的防撞梁，可以吸收高速碰撞时的动能，泡沫铝防撞梁的吸能能力可以达到，在汽车以时速50公里碰撞动能的两倍，这里指的百分之百正面碰撞。

采用泡沫铝防撞梁可以达到的效果，1，是高度碰撞的时候，以50公里时速碰撞时候，保证车身不变形，减少车损坏和人受伤害的几率。

2，碰撞时产生的加速度变小，为什么变小呢？采用钢防撞梁或者铝防撞梁的时候，以50公里时速碰墙，由50公里速度碰到墙变成0，这个时候减速度作用在人身上，撞墙以后受反作用力作用，反向运动对人又产生一个加速度，人遭受的加速度是二者之和。如果采用泡沫铝防撞梁，50公里时速变成0，人只遭受这个减加速度作用，没有反作用力了，也就是车碰到墙以后不再反向运动了，没有反作用力了，这样对人身上没有反向运动的加速度，也就是说只有一个50公里变成0时候的减速度。

3，碰撞以后经济损失减少，普通车碰撞发动机驾驶舱损毁，整车报废，人受伤害，损失几万到几百万元；有泡沫铝防撞梁的时候，保险杠、水箱、泡沫铝防撞梁碰坏了需要重修，这个损失也就是几千，损失显著减少。

泡沫铝防撞梁的制作方法，用泡沫铝和玻璃纤维织布复合做成的防撞梁，压缩强度仍然是5-10Mpa，横向抗撕裂的强度提高很多，玻璃纤维的布抗拉强度可以达到1000多Mpa。

泡沫铝防撞梁的应用，适用于欧美系结构汽车，纵梁强度比较高的，纵梁上没有可溃缩结构的，这一类汽车可以直接安装泡沫铝的防撞梁。国产的车有红旗、奔腾、哈弗、北汽吉普、众泰等等的车都可以直接安装。对于日韩系的，采用可溃缩纵梁的汽车，需要把纵梁上可溃缩结构去掉，变成不可退缩的高强度的纵梁，才可以安装泡沫铝防撞梁，否则在碰撞时是泡沫铝先吸能变形还是纵梁先溃缩变形说不清楚，也不能保护全车都不受伤害。这个图的粉色部分是可以溃缩部分，需要取消粉色部分，才能安装泡沫铝防撞梁。

对于质量比较重的汽车，如，校车，商务车，面包车等，需要采用泡沫铝和铝管复合的吸能材料制作防撞梁，就像这个图表示的，左边是前防撞梁，右边的是后防撞梁，后防撞梁薄一些，做的小一些。这是校车泡沫铝防撞梁，宇通公司校车原来主张采用刚性防撞梁，用5毫米厚的钢板做防撞梁，这样没有吸能功能，碰撞时全车都在震动，孩子受伤害。要想在碰撞时缓冲冲击动能，使车和人得到保护，必须采用具有较大吸能能力的防撞梁。碰撞过程必须释放动能，不由防撞梁吸收，就是车身毁坏来释放动能。采用泡沫铝与铝管复合材料制作的防撞梁的吸能量可以达到1300KJ，是校车30~45座校车以50公里时速撞击动能的2倍，这样就可以保护汽车的安全，孩子的安全。面包车、商务车、房车也是这样。

第四个轻量化措施是关于电池包箱，这两天一些专家介绍了电池包箱，有用高分子材料制作的，有用钢材制造的，也有用铝材制作的。电池包箱安全是电动汽车中一个重要的问题，电池包采用了高能量、大质量的动力电池，碰撞时候容易引起内部短路、起火、甚至爆炸。电池包箱不安全，电动汽车就发展不起来。为了解决电池包箱的安全有人在设计上下工夫，如何减少电池的振动，实际还不能解决电池包箱的安全问题。德国弗朗霍夫研究所制造的泡沫铝材料电池包箱，泡沫铝是用粉末冶金法制作的，采用的壁厚是8毫米，抗压强度4-8Mpa，它的优点是泡沫铝与面板结合是冶金结合，结合强度比较高；缺点是泡沫铝的孔隙不均匀，泡沫铝的质量不是太好，性能不是太好，另外，制造成本较高，几乎是我们国内的两倍。国内采用泡沫铝先发泡再切成板，再与铝板粘贴复合制成夹芯板，用泡沫铝夹心板制作成电池包箱，泡沫铝的孔隙均匀，泡沫铝材料的性能好，在制造成本上德国弗朗霍夫的成本比较高，它是用铝制成铝粉再去发泡，用铝制成铝粉需要加工费用，所以它的成本高。用泡沫铝做的包箱有什么好处？一个是质量轻、密度小，第二个是它可以减震，20毫米厚度的泡沫铝夹芯板可以阻尼500Mpa峰值的震动波，减震性能好。泡沫铝夹心板隔墙10毫米厚，可以阻尼250Mpa振动波哪个，减少电池间碰撞几率，电池的安全得到保护。建议新能源汽车采用泡沫铝的防撞梁，碰撞时消除反作用力，再采用泡沫铝电池包箱，在碰撞时候电池包就是绝对安全的，这是发展方向。

第五个轻量化措施，是制作泡沫铝的消声器，目前汽车采用的消声器都是钢制的，钢制的内芯和钢制的壳体，气体进来通过大孔变小孔，小孔变大孔这样的传动达到消声。采用泡沫铝的消声器，壳体可以用不锈钢的，也可以用钢的，内芯改了。气体进来穿过圆盘里面有孔在传动，圆盘之间不是一样间距的，因为声波的频率不一样，消声器的效果要比钢的要好，质量可以减轻三分之一到一半。

第六个轻量化措施是用泡沫铝夹芯板制作汽车的底板，泡沫铝为10厘米厚，上下面板用0.5毫米厚的铝板，载荷强度可以达到1.5KN，能够减震，可以阻尼峰值为250Mpa的震动波，密度为0.7左右，比木板、竹片拼板、钢板的密度都小，平整度也好。

仅就这几个方面轻量化措施提供给汽车行业，供参考，谢谢各位！

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