第一章 概述

    燃料经济性的改善和排放控制是当今汽车工业面临的两个最重要的挑战。在美国，汽车的平均油耗受政府颁布的CAFE（汽车制造厂平均油耗）标准约束，CAFE标准是指某一汽车制造厂销售的轿车或轻型卡车按不同车型销售比例计算的平均油耗（单位为英里/美国加仑，用mile/gal表示，1mile/gal=043km/L）。对于轿车，CAFE标准从1978年最初的18mile/gal增加到目前的275mile/gal，并且计划到2020年增加到35mile/gal。在其他国家，燃油经济性标准通常是由政府或汽车公司直接或间接制定的，这些标准与美国标准不同，其中有些标准更为严格，但所有这些标准都具有相同的双重目的，即改善燃料经济性以及减少环境污染和产生温室效应的主要因素CO2。
    汽车燃料经济性通过特定的驾驶循环［美国为EPA（美国环境保护署）驾驶循环］进行测量。汽车燃料经济性受许多因素影响，包括车辆动力需求、车速、发动机和变速器效率以及燃料类型等。车辆动力需求是车辆加速、爬坡以及克服轮胎与路面之间的滚动阻力、空气阻力和驱动，如空调、暖风、音响娱乐等附属装置所需动力的总和。以上动力需求的前三项与汽车的重量成正比，因此减轻汽车重量可以明显降低车辆的动力需求，因而可以改善汽车的燃料经济性。空气阻力、滚动阻力系数以及附属装置/储备功率需求对燃料经济性的影响要小得多。研究表明，汽车重量每减少10%，就可以节油5%～8%（Brooke and Evans，2009）。在温室效应方面，汽车重量每减轻100kg，可以减少CO2排放125g/km。
    减轻汽车重量除了节油这一主要好处以外，还有其他一些好处。例如，当汽车的重量减轻时，加速和制动所需要的动力也减少，因此可以将发动机、变速器和制动系统设计得更小一些。从车辆动力学的角度看，汽车重量的减轻不会影响车辆的稳定性和操纵性；但从另一方面看，减轻某些部件的重量可以调节汽车轴间负荷分配以及降低汽车质心，这两方面都可以改善汽车的操纵性。汽车重量的减轻会对汽车的两种性能产生负面影响，就是乘坐舒适性和安全性。然而它们也受汽车设计和材料选择的影响。
    从历史上看，汽车轻量化始于20世纪70年代的美国，当时汽车制造厂开始减小他们的汽车尺寸；以满足1978年CAFE的18mile/gal（Brooke and Evans，2009）的油耗要求。减小汽车尺寸主要通过减小轴距以及通过将非承载式车身改成承载式车身结构（见131小节）。减轻汽车重量的其他措施包括搭载更小的发动机（用4缸发动机替代6缸或8缸发动机），用前轮驱动变速器替代后轮驱动变速器等。由于这些设计上的改进，美国轿车的平均重量从1976年的1839kg减少到1986年的1385kg。然而，如表1-1所示，自20世纪90年代开始，汽车的平均重量又开始增加，这主要是由于增加了一些新设备的原因，例如安全装置、排放控制装置以及音响娱乐设施等。在美国市场上，尺寸较大的汽车，如运动型多用途车（SUV）和皮卡比轿车更流行，这也是汽车平均重量增加的原因。从2007年开始，美国的汽油价格上涨，SUV的销量开始下降。因此，汽车制造厂开始生产跨界车（crossover vehicle），它比尺寸较大的SUV小，但比中等尺寸的轿车大，这导致了汽车平均重量开始出现下降的趋势。人们希望能够继续减轻汽车重量，并期待在未来汽车的轻量化方面发挥更加重要的作用。

    随着燃料价格的上涨，石油储量的不确定性以及汽车排放对环境和公众健康的危害，改善汽车的燃料经济性已经成为全世界汽车制造厂的头等大事。汽车轻量化被认为是改善汽车燃料经济性最关键的因素之一，而减小汽车尺寸仍然是汽车轻量化的重要措施，至少在近阶段，将会有不同尺寸的汽车满足消费者的需求。另外一种措施是通过替代材料、部件强化以及优化设计，减轻部件重量。本章将概括介绍制造轻量化部件的材料，对这些材料的详细介绍将在本书的其他章节进行。