避“重”就“輕”

文/宋菲

避“重”就“輕”

文/宋菲

在此次新能源發展浪潮中，與新能源動力技術提到同樣高度的，便是整車輕量化。在這方面，獲取國家新能源生產資質，必須在輕量化上拿出實際的效果。比如，奇瑞eQ1就通過鋁車身將整車減重30%以上

汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少能量消耗。

作為汽車產業的重要發展方向之一，無論在傳統汽車還是新能源汽車領域，國內外各大汽車企業從未停止過對輕量化技術的開發和應用，很多車企也在汽車輕量化方面做出過里程碑式的貢獻。

日前，奇瑞eQ1的上市再次引發了業內對輕量化技術，尤其是電動汽車輕量化技術的高度關注，因為eQ1為中國首款鋁制車身的新能源車型，通過超級輕量化技術平臺打造的“全鋁空間架構+全復合材料外覆蓋件”，使整車重量比傳統車減少了30%到40%。

減重有助于燃油經濟性

近年來，“減重”在汽車圈子里也蔚然成風。在近年新車上市的宣傳中，我們經常會聽到這樣的描述，“新一代車型采用車身輕量化結構，相比上一代車型減重XX公斤。”

世界鋁業協會的報告也指出，現代汽車自身質量同過去相比減輕了20%～26%。預計在未來的10年內，轎車自身質量還將繼續減輕20%。而且據了解，到2025年，采用全鋁車身的車型占比達到30%，全球車身用鋁總量將達到870萬噸，車身用鋁行業將出現爆發式增長。

發展汽車輕量化的理由其實很好理解。同等動力配置下的汽車，汽車整備質量越輕，動力性越好，油耗會越低，排放污染也就越少。而節能減排應該是大力推廣汽車輕量化的最主要原因之一。

實驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車整備質量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3～0.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。

減重有助于燃油經濟性，或許成為多數車企著手汽車輕量化技術研究的最大動力之一。畢竟2020年越來越接近，5.0L/100km的油耗目標就擺在那里，實現這個目標對于每個車企都是不小的挑戰。而一旦不能完成指標，企業經營將遭受沖擊。

近日，2016年度乘用車企業平均燃料消耗量公布，雖然整體6.56L/100km的水平達到了2016年6.7L/100km的目標，但是在總共95家國產車企和27家進口車企中，超標車企達到了43家，占比為35.2%。而輕量技術或許能成為助力車企實現愈加嚴苛的油耗目標的一條途徑。

新能源車輕量化更為重要

與傳統燃油車相比，電動汽車的輕量化其實更為重要。主要原因在于，電池能量密度的提高十分困難，需要大量資源的投入，且很難達到汽油和氫燃料的能量密度水平，這就要求減輕電動汽車重量，以增加續航能力，提升能量利用率，輕量化由此成為電動汽車發展的必由之路。

BMW i3作為第一款進入量產的碳纖維車身設計的車輛，成為碳纖維應用于汽車的里程碑項目，也在電動車輕量化技術方面具有里程碑式的意義。

近日，中國首款鋁制車身的新能源車型奇瑞eQ1上市，帶來了全新的汽車輕量化生產思路及理念，再一次引發了業內對電動汽車輕量化技術的高度關注。由于通過超級輕量化技術平臺打造的“全鋁空間架構+全復合材料外覆蓋件”，使整車重量比傳統車減少了30%到40%，在當前碳纖維復合材料成本居高不下的情況下，給我國電動汽車輕量化的發展開辟了新的途徑。

當然，除應用碳纖維、鋁這些輕量化材料之外，給電池減重，也是車企突破電動車輕量化技術的一個著眼點。

去年年底，沃爾沃就已經宣布在汽車電池輕量化上取得突破。據了解，這種創新的輕質電池結構，由一種新型納米材料組成的，它包括由碳纖維、聚合樹脂組成的納米結構，以及植入其間的超級電容器。沃爾沃還表示，這種新電池材料成本更低，也更加環保。如果將目前的電動車電池全部更換成這種新型材料，可以減低車重超過15%，效果是顯而易見的。

汽車輕量化的概念也已經蔓延到氫燃料電池車上。以本田新FCV為例，大量采用輕量材料，重量比雅閣輕了15%。

具體而言，車身的約55%(重量比)使用了高張力鋼板和鋁合金等輕量材料，與尺寸相近的中型轎車“雅閣”相比，車身重量減輕約15%。雅閣的輕量材料使用比例為29%。輕量材料的具體使用比例方面，1.5GPa級高張力鋼板(熱壓材料)約為10%、980MPa級高張力鋼板(冷壓材料)約為20%、780MPa級高張力鋼板(冷壓材料)約為5%、鋁合金約為15%、包含GFRP(玻璃纖維強化樹脂)在內的樹脂材料約為5%。其中，1.5GPa級高張力鋼板用于中柱、前柱、車頂縱梁和門檻梁等。980MPa級高張力鋼板的使用部位為車頂側梁、地板側梁、前部側車架等。單從車身骨架來看，980MPa級以上高張力鋼板的使用比例約為40%鋁合金方面，主要在外板使用了6000系合金。具體使用部位為前發動機罩、翼子板、車門和行李艙蓋等。另外，前保險杠防撞梁和車門防撞梁使用了強度比6000系合金高的7000系合金。另外，層疊了連續玻璃纖維和不連續玻璃纖維的混合成型GFRP被用于后保險杠防撞梁。前隔板采用樹脂與鋁合金的混合結構。隔板本身采用樹脂制造，連接鋼板車身和隔板的部分為鋁合金。

材料輕薄并非安全性降低

輕量化材料的應用對汽車“減重”起到至關重要的作用，鋁、鎂、鈦合金材料是所有現用金屬材料中密度較低的輕金屬材料(鎂合金約1.74g/cm3, 鋁合金約2.7g/cm3，鈦合金約4.51g/cm3。而鋼的密度約7.8g/cm3)，因而成為汽車減輕自重，提高節能性和環保性的首選材料。在非金屬材料中，碳纖維材料由于密度低、強度高、耐腐蝕、耐高溫等特性被寄予厚望，是未來汽車材料的主要發展方向。

不過，普通消費者對于汽車輕量化安全的判斷，其實很大程度上基于他們對于汽車安全性的感性認識。這種觀念是，汽車是一個金屬外殼，人是殼中之軀，車將人包裹起來，殼越重越堅固，安全性就越高。這也就不難理解為什么很多國內消費者選車時喜歡重重關一下門，若聽到沉悶的“砰”的一聲，便很滿意；或是用手敲敲車身，聽上去鋼板越厚實越好。因此，更加輕薄的輕量化材料應用于車身，會普遍令消費者缺乏安全感。

然而事實上，輕薄的輕量化材料應用于車輛，并不能說降低了安全性。

首先，我們并不能通過敲車門聽聲音來判斷一輛車的安全性。據記者了解，車身部件按照功能可以大致分為兩種：車身覆蓋件和結構件。 所謂覆蓋件就是覆蓋在車身表面的部件，基本上從車外看到的部分都屬于覆蓋件，如車門、車頂、翼子板等等，通常起到美觀和遮風擋雨的作用，一般都用厚度不超過1毫米的鋼板沖壓而成。平時所說的某輛車鋼板的薄厚就是指這些部位。實際上這些部位對于車身強度的影響很有限，所以不能從車身覆蓋件的薄厚來判斷一輛車的碰撞安全性了。車身結構件隱藏在車身覆蓋件之下，對車身起到支撐和抗沖擊的作用，分布在車身各處的鋼梁是車身結構件的一種。

另外，正如國家汽車輕量化技術創新戰略聯盟副秘書長王智文曾表示的，“即使汽車上使用很輕的材料，如果采用高強度加工工藝，也能達到很輕但彈性非常好的效果，滿足安全性。”

輕量化材料要“軟硬兼施”

然而，也不能在車身的每一寸都追求高強度，“雞蛋試驗”更能說明這個道理。實驗將一只雞蛋固定在一個車頭為金屬的小車上，以一定速度撞向另一塊固定的木樁。木頭車直接碰到木樁后停住，車沒有任何損壞，但車上的雞蛋卻破碎了。第二次試驗，雞蛋固定方式和撞向木樁的速度都不變，但在在車頭把金屬換成了同樣大小的海綿，結果碰撞時海綿被壓癟，雞蛋卻相安無事。該實驗可以說明，柔軟的海綿重量較輕、剛性不高，但發生撞擊時恰恰能起到吸收能量的效果。

目前比較流行的輕量化材料有多種，它們各有各的特點，有些強度很高，有些兼顧柔美。比如高強度鋼，作為傳統材料在汽車輕量化的使用中是主力。理論上相對于傳統340Mpa的材料，600Mpa級鋼種的減重潛能約為20%，800Mpa級鋼種的減重潛能可達到30%以上，高強度與安全性受到廣泛關注。而工程塑料這種輕量化材料，在擁有類似的金屬硬度、強度的基礎上，就兼有柔美之性能，彈性變形的特性能吸收大量碰撞能量。

而在應用這些輕量化材料時，為了確保汽車輕量化以后的安全性，需要“軟硬兼施”，綜合利用。也就是說，在需要吸能的地方要做得“軟”一些，在一些需要加強的位置要做得“硬”一些，總之，最好的材料要用在最合適的地方。

輕量化的問題很復雜

目前，奇瑞在電動汽車輕量化技術的研究和應用方面已取得突出成績，其在全鋁車身方面的成功探索給國內輕量化技術的發展帶來很大信心。

然而，從當前我國汽車企業在輕量化方面取得的成績來看，對輕量化技術的探索還任重而道遠。

僅僅在新材料的應用方面，我國材料的品種數量和性能就與發達國家存在較大差距。更何況輕量化的問題還很復雜。

中國汽車工程學會副秘書長張寧曾表示，目前跨產業的協同及產學研合作方面非常不足。例如，現在理論上已經找到大幅提高碳纖維性能，使原有成本降低三分之一的方法，但是由于缺乏交叉學科人才，廠商與科研團隊之間溝通不暢，嚴重阻礙了輕量化進程。