探究新能源汽車的發展對鑄造業的機遇與挑戰論文
1 汽車在鑄造業的地位
鑄造是機械製造業毛坯和零件的主要供應者，在國民經濟中佔有及其重要的位置。目前，汽車行業已成為鑄造業的一個重要客戶，是鑄造業發展的推動力，也是鑄造業發展的晴雨表。汽車的零部件中，很大一部分是鑄件，如：汽車發動機缸體、缸蓋、變速箱殼體、曲軸、凸輪軸、活塞、車輪輪轂等。根據 2013 年的資料顯示，各類行業鑄件需求比例以汽車鑄件為最多，達到26.5%。
一輛整車約有15%～20%的零件是透過鑄造的方式得到的，因而汽車產量的不斷提高也將加大對鑄件的需求量。如圖1.2，是我國2010-2014汽車的產量情況，從總體上看，汽車產量連年攀升，其中乘用車產量的提高是引起汽車總產量攀升的最重要的原因，並且乘用車的產量遠大於商用車的產量。因此在鑄件需求方面，乘用車所佔比重會更大一些，並且有明顯增長的態勢。汽車零件大多是形狀結構複雜、尺寸精度要求高、組織緻密以及機械效能好的零件，壓鑄件則能很好的滿足這些要求，因此在汽車中大量使用的鑄件便是壓鑄件，近年來，美國用於汽車行業的壓鑄件佔總量的 75%左右，而我國也將這一比例保持在 65%～75%之間(包括汽車與摩托車等交通工具)。由此可見，汽車業的發展必將在很大程度上影響鑄造業的發展
2 新能源汽車發展現狀及趨勢
隨著社會的不斷髮展與進步，環境、能源等一系列問題也日趨凸顯。為應對可再生能源逐漸枯竭、氣候變暖、霧霾等問題，世界各國汽車業發展的方向也逐漸由傳統燃油汽車向新能源汽車轉移。目前新能源汽車包括燃氣汽車、燃料電池電動汽車、純電動汽車、混合動力汽車、太陽能汽車等。在汽車領域，雖然國外傳統燃油汽車的歷史比中國悠久，但在新能源汽車方面，差別不大。
1974年，菲亞特推出一款混合動力汽車，填補了歐洲新能源汽車製造的空白。到 2008 年，國外眾多汽車品牌，如日產，豐田、特斯拉、雪佛蘭等都生產出了自己的具有一定市場價值的新能源汽車。並且歐美各國在新能源汽車發展上表現出了極大的興趣，出臺了眾多鼓勵政策。以德國為例，默克爾在 2014年 12 月再次強調 2020年德國電動車保有量突破 100 萬輛大關的目標，也承諾不惜重金支援電動車的發展。我國在新能源汽車發展中，透過實施“863”計劃，初步建立了“三縱三橫”的研發佈局和技術體系(如圖2.1)，形成了新能源汽車技術標準和測試評價能力，部分產品已進行小批次生產和試執行。隨著新能源汽車在國內越來越受到消費者的重視，其產銷量也由 2012 年的 12500 輛和 12700 輛左右突破至2014 年的 7.85 萬輛和 7.48 萬輛。在 2014 廣州車展上，為讓消費者對新能源汽車有更全面的瞭解，專門設定了新能源汽車展廳。新能源汽車與傳統汽車在動力系統方面存在著很大差別，如純電動汽車動力系統總體上由動力電池和電動機兩大部分構成，混合動力汽車則是由動力電池、電動機、發動機和發電機四個部分構成其動力系統，燃料電池汽車動力系統由燃料電池、電動機和儲氣罐構成，其各自的驅動裝置和動力來源如表 2.1。新能源汽車與傳統燃油汽車相比，關鍵零部件有一定差異。比如純電動汽車，電池、電機和電控三大部件才是其核心部件，其成本佔據電動汽車整車的 70%以上。在混合動力汽車上除了採用新能源標誌性部件電動機等，還繼續採用了傳統燃油汽車的某些關鍵部件，如發動機、減速器、變速器等。在 2011 年 12 月的東京車展上，各生產廠商展出了很多應用於新能源汽車的零部件新技術[5]。如 NSK 輪轂電機，如圖 2.2，就如輪內電機一樣。其主要原理是在車輪處安裝兩個電機、兩組行星齒輪和減速器來提高效率。豐田普銳斯是新能源汽車的典型代表，與其配套的混合動力變速器如圖 2.3 所示，其外殼形狀相對而言較複雜，使用鑄造成型的`方法更合適。隨著能源危機，環境問題的不斷加劇，新能源汽車的發展已是大勢所趨。根據新能源汽車的動力系統的發展趨勢，如圖 2.4 所示，可以清楚的認識到，油電混合式動力汽車將會成為傳統汽車向新能源汽車轉變過程中最合適的過渡車型，而純電動汽車以及燃料電池汽車的研製將會成為新能源汽車發展的長遠目標
3 新能源汽車中鑄造成型面臨的挑戰
3.1 新材料的使用
新能源汽車的發展給鑄造業帶來了發展的機遇，同時也給鑄造業帶來了巨大的挑戰。新能源汽車大量使用新材料，如陶瓷基複合材料、聚合物基複合材料、碳纖維、塑膠玻璃等。複合材料在汽車中的應用主要有結構部件、車體部件、車內裝飾等，其中先進複合材料在新能源汽車中的一個重要用途便是壓縮天然氣罐或儲氫罐，天然氣汽車(NGV)中多采用鋁內膽纏繞碳纖維製成壓縮天然氣罐，使得汽車質量更輕。歐洲 EADS 等公司還用碳基或陶瓷基複合材料製成輪轂等部件。符合材料這些材料的運用很大程度上制約了鑄造業的發展。因此，為使鑄造業能在新能源汽車發展中立於不敗之地，必定要在鑄造成型工藝和材料等方面加大研究探索的力度，如加強對鎂合金等易於鑄造成型輕金屬的研究，提高其在汽車執行過程中的使用效能，使鎂合金鑄件能夠在眾多新材料零件的激烈競爭中凸顯優勢。
3.2 其他成型技術的使用
新能源汽車的發展過程中，由於其部分零部件和結構等與傳統燃油汽車有一定的差別，因此也相應地衍生出了其他的成型技術。另外，新能源汽車中碳纖維等複合材料的運用，也使得其他的成型工藝得到運用，如片狀模塑膠(Sheet Molding Compound，SMC)成型、樹脂傳遞模塑(Resin Transfer Molding，RTM)成型以及纏繞(Winding Process)成型等。除一些已經得到運用的成型工藝對鑄造技術的衝擊之外，還有一些處於研發中的成型工藝也會或多或少的影響鑄造技術在新能源汽車中的應用，如全塑車門一體化的成型的應用，其不僅能夠減輕整車質量，還能得到美觀適用的零件。再如滾塑整體成型電動車的車身，其為塑膠在新能源汽車車身上提供了新思路。除此之外，還有如衝壓、鍛造等成型技術。因此，需加強對鑄造成型技術的深入研究，改善最佳化鑄件質量，提高鑄件使用效能，從而抵抗來自其他成型零件的衝擊。
4 新能源汽車給鑄造帶來的機遇
4.1 鑄件輕量化
面對越來越嚴重的能源問題，汽車行業也不得不尋找新的方法實現節能減排，其中，汽車輕量化便是實現節能減排的一個重要措施。根據已有資料表明，汽車自重每減少 10%，燃油消耗可減少 6%～8%，車體質量每減少 30%，行駛里程可增加 33%。而對於新能源汽車，其在動力方面與傳統燃油汽車相比還存在一點不足，因此減輕整車質量對於新能源汽車而言更加有意義。汽車中很多零部件都是經過鑄造成型的方式得到的，因此，鑄件質量能夠減輕，在很大程度上便能減輕整車質量。就目前而言，鎂合金是實際應用中最輕的金屬結構材料，其密度小，是鋁的 2/3，鋼的1/4，並且具有很好的鑄造效能。隨著汽車行業輕量化的需求與日俱增，鎂合金鑄件在汽車上的應用也顯示出長期增長的態勢，如汽車零部件中的腳踏板、方向盤、增壓器殼體、傳動箱罩蓋、輪轂等。除了運用輕質材料，還應注重提高材料的效能，使單位質量的零件能夠承受更大的載荷。如東風汽車公司運用等溫淬火球墨鑄鐵生產的零件替代鑄鋼件，得到了令人滿意的輕量化效果，如表 4.1。在實際生產過程中也可運用此工藝生產某些鑄件用於新能源汽車。與傳統燃油汽車相比，新能源汽車輕量化的要求更加迫切，對於電動車而言，一次充電後行駛里程要長，而整車輕量化後則可以很好的實現長距離行駛，據悉，整車質量減少 30%，行駛里程則會增加 33%左右。因此，鑄件向輕量化方向發展，將有利於鞏固鑄造技術在汽車行業的地位
4.2 鑄件一體化
隨著新材料的運用和鑄造技術的不斷髮展，以及節能減排降低成本等要求不斷增加，透過合理的設計和結構最佳化，汽車中使用的諸多零部件便可以採用整合鑄造成型的方式得到，這可以有效的減輕鑄件的質量和減少不必要的加工工藝過程，如一汽集團開發了一體化的橋殼，此種橋殼便可以應用在新能源城市公交車上，從而提高城市公交車的安全性。汽車上的其他部件，如車門內板、座椅骨架、儀表盤骨架、前端框架等，同樣可以先整合設計，再運用高壓鑄造的方式生產出來。透過整合化鑄造的方式，不僅可以得到複雜而理想且質量相對較輕的零件，還能得到壁厚、應力分佈均勻，工作可靠的零件。新能源汽車的發展，不僅在動力方面有要求，在安全方面同樣要求很高，因此，透過整合化鑄造成型的方式所得的零件，將有利於新能源汽車的發展。
4.3 鑄件附加值提高
不論是傳統燃油汽車還是新能源汽車都需要用到鑄造成型技術生產的零件。根據 2013 年的資料顯示，我國鑄件出口均價由 2012 年的1502 美元/噸提高到 1616 美元/噸，由此可以看出我國鑄件產品的附加值得到了提高。對於鑄件需求較大的汽車行業，其對鑄件的附加值要求也與日俱增。透過合理的生產工藝生產高附加值的汽車鑄件，是汽車鑄件製造企業長久發展的保證。新能源汽車在動力系統方面與傳統燃油汽車有一定的差別，從而導致一些關鍵零部件結構和功能上的不同。比如新能源汽車的變速器行星齒輪，如圖 4.1，其在功能上與傳統的變速器相比明顯簡化，但其在結構上卻要求在離合器殼體中佈置行星結構，從而實現無級變速。若要實現這種設計，就得保證變速器中的齒輪結構的質量，提高齒輪的尺寸精度以及內部質量才能很好的實現汽車安全平穩的執行和加速。鑄造產品市場日益激烈的競爭以及國外高附加值鑄件的衝擊，迫切要求我國鑄造業生產高附加值鑄件，而新能源汽車的大力發展，更如助推器，促使鑄造業向生產高附加值鑄件方向發展。
5 總結與展望
新能源汽車的高速發展，猶如一縷春風吹向了鑄造業，給鑄造業帶來了發展的機遇，促使鑄造成型技術向輕量化、整合化發展。同時也給鑄造行業的發展帶來了挑戰，不僅要面對新材料成型的零件的衝擊，還要面對其他成型技術製造的零件的競爭。因此，汽車鑄造行業需加強高階鑄造成型技術的研究，探索新的鑄造工藝和新材料，制定新的標準，積極促進汽車鑄件企業向規模化、專業化、自動化方向發展，透過結構和功能最佳化、外部尺寸精度提高和內部質量提高等方面提高汽車鑄件附加值，同時也要求企業在生產過程中加強節能減排，真正實現從生產到使用都符合新能源汽車發展的理念。