汽車輕量化發展路徑

文/海川

汽車輕量化發展路徑

文/海川

汽車輕量化必須在預定整車減重目標、整車成本控制目標、安全性目標和NVH控制水平的全面約束下進行

德國汽車市場調研機構預測，預計到2015年，全球汽車保有量將增至11.2億輛左右。同時，到2015年，亞洲地區將擁有全球1/4的汽車，也就是2.8億輛，其中中國和印度市場增長潛力巨大。

另據工信部預測，到2020年，中國汽車保有量將達到2.5億量，消耗成品油約4億噸，也就是說汽車的平均年耗油量為1.6噸/輛。

由于大氣污染和全球氣候變暖現象日趨嚴峻，加大汽車節能減排刻不容緩，汽車輕量化已成為世界汽車發展的潮流。除了日系車熱衷于車身的輕量化，自上世紀九十年代以來，國際上就出現了一系列大型的推動車身輕量化技術的計劃，比如歐系車企的鋁制車身等。

不單單是傳統燃油汽車需要輕量化，新能源汽車同樣如此。輕量化技術是橫跨汽車發展變革時代的一項基礎性技術。

汽車輕量化是在滿足汽車使用要求、安全性和成本控制要求的條件下，將結構輕量化設計技術與多種輕量化材料、輕量化制造技術集成應用實現的產品減重。但在實現汽車輕量化的同時，一個非常重要的前提是：不能以犧牲車輛安全性和NVH（噪音、振動、平順性）為代價，汽車輕量化必須在預定整車減重目標、整車成本控制目標、安全性目標和NVH控制水平的全面約束下進行。

汽車輕量化益處多多

首先，車身輕量化有助于節能減排。去年，我國工信部出臺一個燃油料消耗量規定，2020年由2015年的6.9L/km降低到5.0L/km,這對乘用車來說壓力非常大，汽車輕量化發展成為應對燃油限值的重要方法之一。

據研究表明，在采用相同動力系統和傳動系統的前提下，乘用車的整車質量每減少10%，燃油消耗就可降低6%-8%。巴斯夫公司統計結果表明，汽車每減重100公斤，百公里油耗可降低0.4升、二氧化碳排放可減少1公斤。相比于動力技術的提升所帶來的燃油消耗降低，車身輕量化技術的投入相對較少，成效也要更加顯著。在過去近十年時間里，傳統內燃機技術的提升所帶來的經濟性表現的改善也就是在8%左右。

同時，汽車輕量化還有利于汽車安全性能的提升。從理論上說，汽車碰撞時的沖擊能量與汽車的質量成正比。在同等條件下汽車越輕，碰撞時沖擊能量越小，車身結構的變形、侵入量和乘員受到的沖擊加速度就越小，汽車對乘員的保護性能越好、越安全。另外，汽車制動時消耗的能量也與汽車質量成正比，汽車越輕，在以相同初速度剎車時，制動器要消耗的能量就越小，制動減速度就越快，制動距離越短，制動性能就會有明顯改善，汽車主動安全性也會變好。

長安汽車工程研究院副院長曹渡表示，汽車輕量化勢在必行，首要推動力是政策，車企想賣車，就必須滿足法規，某種程度上說是被“逼”的。其二，汽車每減輕100千克，加速性能就可提升8-10%，制動距離減少2-7米，可以提升汽車的安全性。因此“減重不僅僅是一個油耗的節約，還是一個綜合性能的提升，為整車的綜合性能和效益都有非常大的好處，這個就是我們要做減重的原因之二?！辈芏烧f。

此外，除了傳統內燃機車，新能源車也亟需減重，因為新能源車電池十分重，比如寶馬i3的電池重達280公斤，一般中國品牌純電動車的電池凈重都需要300～400公斤才能達到150-200公里以上的續航歷程，所以新能源車的減重也到了一個刻不容緩的地步。否則，續航里程就受到限制，電池容量就必須要增大。

曹渡認為，汽車行業對輕量化的認識尚不充分。減重100千克，看似成本增加，實際上并非如此。其用相關分析舉例說明，“一公斤的金屬用到車里，綜合成本大概是15～17塊，非金屬成本更高，約25-35塊左右。這樣一來，整車每減重1千克，實際上就能節省15～35塊。而這些錢就可以補貼到減重過程中的一些成本的上升。對于這一點，行業的認識不夠充分?！?/p>

輕量化的三個維度

從目前國際通行的研究方向來看，汽車的輕量化技術主要包括結構的輕量化、材料的輕量化以及先進制造技術的運用三個層面。

結構的輕量化最早在上世紀八十年代由日本鈴木提出，當時的鈴木甚至把每一個零件的重量都精確到了以克為單位進行減重。時至今日，結構的輕量化也是車輛輕量化研究方向中最為復雜也是最具有潛力的一大設計手段。因為相比于后面即將提到的材料輕量化以及先進制造技術的運用兩個方面，結構的輕量化對于整車企業而言是最容易實施同時也是花費成本最低的一種方式。不僅僅是車身，包括底盤動力等零件的設計也會大量運用到結構輕量化的設計，而綜合考慮整車性能而進行的多目標優化是目前結構輕量化研究的一個熱點。

表：輕量化材料減重效果一覽

材料的輕量化是眼下的汽車企業最樂于向市場推廣的一個方面，也是汽車輕量化發展的主要方向。始作俑者是歷來都熱衷于技術營銷的歐洲車企。一般來說，材料技術的輕量化包括高強度鋼、鋁合金、鎂合金、樹脂復合材料以及先進的碳纖維等。在這其中，高強度鋼在成型、碰撞、疲勞性能以及成本方面相比于后面幾種材料有著更大的優勢，是目前主要的汽車車身輕量化材料。高強度的鋼材就好比薄的鐵皮，而低強度的鋼材就好比厚的紙殼，孰強孰弱無需多言。而近年來鋁制車身材料和碳纖維材料也開始呈現出占據高端的態勢。

最后一個就是先進的制造技術，先進的制造技術包括先進的成型和連接工藝，還有諸如真空壓鑄、內高壓成型等。其中最具有代表性的就是奧迪將鋁合金和鋼材實現無鉚釘鉚接的復合式車身成型技術。先進成型技術在一定意義上可以看做是結構輕量化技術和材料輕量化技術的一個輔助，當然，先進的成型技術也保證了整車結構的安全性。

與歐美汽車工業相比，中國的汽車工業一直處于追趕中，中國的汽車輕量化技術水平同樣與國外差距不小。不過，由于中國車企在輕量化方面做得不夠，因此未來有很大的上升空間，可以通過設計的優化來達到減重的目的。

曹渡指出，設計優化是最容易實現的輕量化手段，并且其無需花費成本，主要通過設計軟件以及對標其他品牌已經應用的方案，并加以優化而實現。例如，雪佛蘭新科魯茲實現了減重約140千克，其中白車身減重74千克，除部分材料采用高強鋼外，設計優化細節隨處可見，是典型的優化設計案例。為此，油箱容積減小了8升，續航里程反而提升了100公里，后排縱向空間增加，頭部空間增加，行李廂空間增加，而總尺寸減少，售價和老款相差無幾。

俗話說，萬事開頭難，而對于汽車輕量化來說，卻是開頭容易后頭難。曹渡說，當設計優化做到近乎極致后，進一步輕量化則只能依靠新材料、新工藝、新技術。目前，使用最廣泛的材料仍然是高強度鋼/超高強度鋼，但由于鋼的密度達到7.8克/立方厘米，雖然其技術比較成熟，然而減重的幅度并不太大，更輕的鋁鎂合金的成本相對較高。更進一步就是當前業界流行的“以塑代鋼”技術，實則就是玻纖復合材料，此類材料已經在尾門上有所應用。

重量最輕、強度最高、成本也最高者則當屬碳纖維。曹渡強調，將來任何一種材料都不可能單獨在汽車上出現，而是多材料混搭將成為主流。這方面，最典型的一家車企就是寶馬，在寶馬i3顛覆了傳統的設計理念和產品開發理念，上車體全部采用碳纖維，下車體采用鋁合金，車身外覆蓋件基本采用工程塑料。

“材料應用的改變對于工藝也提出了新的要求”曹渡表示。寶馬i3車身50%以上采用碳纖維，從原絲到碳絲到零部件，其中沖壓工藝變成了高壓RTM工藝，并且取消了焊裝步驟，用黏接來代替；車身的總裝過程也完全不同與傳統工藝完全不同。而下一代的寶馬7系則采用了碳纖維與金屬混合材料的車身，更是車身開發技術的一次革命。

曹渡描述中國車企碳纖維輕量化技術的應用現狀時說道：“中國品牌目前僅制作了一些展示用的碳纖維樣件或樣車，并沒有為了真正的應用去研發。我們應該從材料、工藝、 設計、評價、維修、回收的完整產業鏈上切實地開展研發工作?！?/p>

輕量化材料各有優劣

在汽車輕量化道路上，高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕質金屬材料和創新性的非金屬復合材料，誰也不會完全取代誰，誰的技術更先進，性價比更低，誰的應用就會更多。而且，這些輕量化材料都不會是孤軍奮戰，必然是以組合的形式出現，因為汽車未來的發展趨勢是多種材料的混合使用。

高強度鋼

作為傳統材料的高強度鋼在汽車輕量化的大潮中是不會被取代的。安全是汽車的重要屬性之一，先進的高強度鋼在強度、抗腐蝕性方面具有優越性，而且當前高強度鋼的技術應用成果顯著，能夠進一步提高汽車的安全性、環保性和節能性。但無法否認的是，從實現輕量化來講，高強度鋼的效果略低一些。

奇瑞汽車股份有限公司材料工程部主管材料工程師李軍表示，與鎂合金、鋁合金及復合材料等其他汽車輕量化候選材料相比，高強度鋼板具有以下優點：首先，原材料價格低，經濟性好；其次，綜合性能優越，易實現零部件的強度和剛度要求；第三，可直接利用現有的（沖壓）成形、焊接、涂裝和總裝生產線，大大節約了設備投資成本。

從性能、成本等綜合因素考慮，高強度鋼仍是市場上受歡迎的輕量化材料。憑借較高的強度和安全性，未來，它會更多地應用在各種汽車安全件、底盤、車身結構、車身覆蓋件等方面。

鋁合金

1896年印度人率先用鋁制做了汽車曲軸箱。進入20世紀早期，鋁在制造豪華汽車和賽車上有一定的應用，鋁制車身的汽車開始出現，如亨利?福特的Model T型汽車和二三十年代歐洲賽車場上法拉利360賽車都是鋁制車身。

奧迪汽車公司最早于1980年在Audi 80和Audi 100上采用了鋁車門，然后不斷擴大應用。1994年奧迪斥資800萬歐元建立了鋁材中心（1994～2002年），后更名為“奧迪鋁材及輕量設計中心”。1994年奧迪開發了第一代Audi A8全鋁空間框架結構（asf），其車身超過了現代轎車鋼板車身的強度和安全水平，且汽車自身重量減輕了大約40%。隨后于1999年誕生的奧迪A2成為首批采用該技術的量產車；2002年，奧迪鋁材及輕量設計中心又見證了第二代奧迪A8的誕生。

鋁合金在汽車輕量化中有其天然的優勢：一是減重和節能效果明顯。鋁的力學性能好，其密度只有鋼鐵的1/3，鋁代替鋼制造汽車，可使整車重量減輕30%～40%，制造發動機可減重30%，鋁質散熱器比相同的銅制品輕20%～40%，鋁車輪可減重30%左右。具有良好的導熱性，僅次于銅，機械加工性能比鐵高4.5 倍，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蝕性，因此鋁成為實現汽車輕量化的主要材料之一。

減重不僅僅是一個油耗的節約，還是一個綜合性能的提升，為整車的綜合性能和效益都有非常大的好處，這個就是我們要做減重的原因之二。

二、乘客的舒適性和安全性獲得提高。鋁合金汽車是在不降低汽車容量的情況下減輕汽車自重，車身重心減低，汽車行駛更穩定、舒適。由于鋁材的吸能性好，在碰撞安全性方面有明顯的優勢，汽車前部的變形區在碰撞時會產生皺褶，可吸收大量的沖擊力，從而保護了后面的駕駛員和乘客。

三、鋁易于回收。鋁制品在使用過程中幾乎不發生腐蝕或僅發生輕微的腐蝕，工業上使用的常規材料中，鋁的回收價值率是最高的。在鋁材—鋁制品—使用—回收再生鋁錠—再加工成鋁材的循環過程中，鋁的損耗也僅5%左右，其再生性能比任何一種常用金屬都高。

但鋁合金成本相對較高，在技術工藝方面也不夠成熟。鋁合金與其他材料不好連接，焊接困難只能采用鉚接，導致生產效率不高。

當前鋁合金在汽車上的應用比較多，如發動機缸體、缸蓋、變速器殼體、車身、底盤、散熱器等，整車企業和零部件企業對鋁合金的研究也比較多。

福特公司日前展示了 一款與美國能源部合作開發的基于Fusion/蒙迪歐打造的輕量化技術驗證車，由于使用大量鋁合金，該款車比標準版的蒙迪歐輕了363公斤，減重約25%。路虎攬勝越野車、大眾奧迪A8、奔馳CLA、通用雪佛蘭Corvette跑車等車身部分或全部采用鋁材料。新能源車方面，特斯拉Model S車型是全鋁車身，其前后懸架大部分材料也采用鋁材。

隨著技術的進步，鋁合金在當前領域的應用肯定會越來越廣，未來在底盤和車身覆蓋件方面有很大的發展潛力。

鎂合金

我國是鎂資源豐富的國家，資料顯示，中國的鎂資源總儲量占全球的85%，位列世界第一位。不過，我國在鎂資源利用方面卻遠遠不夠，專家表示，在汽車、國防、體育等鎂合金產品的生產應用方面落后國外幾十年。

鎂合金在輕量化方面具有明顯優勢，鎂合金的密度非常低，是目前所有能夠作為結構件或者汽車零部件材料中密度最低的，為1.7 kg/ m3，鋁是2.8 kg/m3，鋼是7.8 kg/m3。另外鎂合金的儲量非常豐富，占地球地殼2.7%，開采壽命分別為鐵和鋁的20和4倍，我國占有世界70%的儲量，我國白云石儲備已經超過70億噸，白云石是制造鎂合金的基礎原材料。

在殼體方面，鋁合金變速箱的殼體重量一般會超過12kg，而鎂合金變速箱僅為5.4kg，減輕了58%的重量。在動力系統、框架、懸掛、以及內飾件、內門板、座椅支架、剎車系統、轉向系統等方面，輕量化至少30%以上，如果以上都用鎂合金，重量可以減輕85公斤，減輕率45%。

鎂合金還有一個好處就是減震效果好，如果車用上以后可以起到減重的作用，結合當前發展方向和全球資源環境的要求，鎂合金材料的研發必然是汽車行業的一個重要的發展方向。

其不足方面，鎂合金壓鑄機的投入成本比鋁合金高，其耐氧化性比鋁低，模具相對成本比較高。另外，鎂合金的廢品率高且存在安全生產問題，回收成本比鋁合金要高，但是鎂合金的投資回報率非常大，可持續性比較強，具有極佳的發展態勢。

鎂合金當前主要應用在汽車方向盤、汽車儀表、中控支架等可覆蓋的地方?；诖耍磥礞V合金可以在不暴露表面如車內門板、座椅支架等方面進行推廣，而鎂合金發動機罩蓋、變速器外殼、車身結構等可在高端車上使用，迫于成本壓力，中低端車要批量使用還需要繼續努力。

碳纖維

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。碳纖維復合材料（CFRP）是指由碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合制成的結構材料。其中，汽車行業廣泛應用的碳纖維環氧樹脂復合材料，具有比重小、剛性好、強度高的特性：比鋁輕30%、比鋼輕50%，強度卻是鋼的7至9倍，最早用于航空、航天、軍工等科技高精尖領域。

在全新BMW 7系的車體框架中，碳纖維增強復合材料被用于加固車頂橫梁結構以及B柱和C柱、底部側圍、中央通道和后部支撐。相比上一代車型，全新BMW 7系最大減重達130公斤。

中航復合材料有限責任公司副總經理李宏運認為，復合材料是推廣新能源汽車應用的一把金鑰匙。復合材料的技術和工藝已經足以規?；瘧?，并且輕量化能彌補動力電池能量密度的不足，續航里程得以延長，因此復合材料與新能源汽車的結合是大有裨益的。

中航工業復材目前在汽車輕量化上集大成的一個樣板——電動大巴車身。采用復合材料之后，大巴純車身減重2.4噸，如果再與有輕量化的電機、電控、電池的整車廠家合作，整車能減重5噸多，達到8.5噸左右。只裝載3噸左右的電池（減了2噸），一次充電的行駛里程就可以到500公里。

對于成本，李宏運說，車身造價肯定會增加，復合材料車身可能會比鋁合金車身要翻一倍，但是整車的成本并不一定增長很多。因為電池成本大幅下降，“電池一噸起碼要20萬吧?！?/p>

不過，碳纖維也有缺點，它是脆性材料，受力過大直接斷裂，因此損壞后基本無法修復。它高強度只限于軸向，徑向強度較低。要生產碳纖維增強復合材料，不僅工藝復雜，還很費時。最致命的是高昂的成本，使得碳纖維目前只能局限在部分超豪華車型上，難以普及。例如雷克薩斯推出的全碳纖維車身和底盤的LFA，售價高達30萬-40萬英鎊。目前只有寶馬實現自產自足的CFRP批量供應，在相當長時期內，碳纖維不會成為汽車的主要材料。

工程塑料

據美國化學工業學會的研究資料顯示，目前汽車內的塑料零部件總重量還不及汽車總重量的10%，基于此，“以塑代鋼”的概念在汽車行業廣為流傳。

“一般塑料的比重在0.9～1.6，玻纖增強復合材料的比重也不會超過2.0，而A3 鋼為7.6，黃銅為8.4，鋁為2.7。這就使得塑料成為汽車輕量化的首選材料。使用塑料可以減輕零部件約40%的重量，同時其成本也可以大幅度降低。”北汽福田工程研究總院材料工程所工程師高嵩表示。

以塑料件代替金屬材料部件，不僅能夠減輕車重，降低燃油消耗和排放，還可以提高汽車的動力、舒適性及安全性，所以其廣泛應用在汽車動力及底盤系統、內外裝飾件、汽車電子等部件上。比如采用長玻纖增強復合材料代替金屬外裝飾件，可以減輕外部物體（包括行人）對車身的沖擊力；塑料制品還具有吸收和衰減振動和噪聲的能力，可以提高乘坐的舒適性；用塑料做車身覆蓋件十分適宜在污染嚴重的地區使用；鋼材制件如果漆面受損或者先期防腐做得不好就容易生銹腐蝕金屬，但是汽車塑料耐腐蝕性強。塑料對酸、堿、鹽等抗腐蝕能力大于鋼板。此外，用塑料件替代金屬制件，其成本可降低30%～40%。

高嵩介紹，聚酰胺(PA)材料主要應用于動力、底盤零部件及結構件，約占整車塑料的20%；聚碳酸酯、聚甲醛、改性聚苯醚和熱塑性聚酯等材料主要應用于電子電器零部件及結構件，約占整車塑料的15%左右。改性聚苯醚（PP）和ABS工程塑料及其合金材料主要應用于內外飾零部件，隨著車型檔次提高，工程塑料應用增加，ABS及其合金應用比例增加。

工程塑料優勢眾多，深受歐美汽車企業重視，且應用廣泛。據悉，在發達國家，每輛汽車塑料用量從上世紀90 年代的100～130kg上升到2004 年的152kg 和2006 年的174kg，現在用量是230kg。國外汽車品牌現在已經大規模使用塑料復合材料和高性能的工程塑料等，而國內自主品牌汽車在塑料復合材料上的應用（重量占比）卻相對較少，目前國內車用工程塑料用量約為30kg。這也反映了我們整車輕量化技術水平的差距。

工程塑料具有很好的可設計性，但其與金屬制件的連接在國內仍是制約其發展的瓶頸。除技術和工藝外，車用工程塑料應用發展正面臨著回收問題的制約和輕金屬材料技術發展等多方面的挑戰。