輕薄之“途”

許暉

看寶馬5系歷代可看出車輛尺寸的逐代增加

入行汽車媒體之初，曾聽一位賽車界老前輩教導道：“當你對于一臺車的改裝方案毫無頭緒的時候，不要猶豫，盡量減重一定沒錯。”這似乎很有道理，畢竟減重之后的車輛，不但能減輕發動機的負荷，同樣也能在彎道具有更好的操控性能，更能減緩各種運動的機械部件的磨損。君不見號稱汽車界別技術含量最高的一級方程式賽車，800匹動力卻匹配僅有740Kg的車身，由此可見一斑。量產車并非賽車，解決重量問題離不開輕量化材料。

汽車這個復雜的運動體必定躲不開重量的影響

車身重量理應重視

安全性、燃油經濟性、顏值等因數，通常是大多數消費者在選購新車時排位靠前的衡量標準。而對于車子本身的重量，往往被排在極其末尾的名次，或是完全不予考量。可實際上前面提到的那些被當為首要衡量標準的關注點，無一例外地與你的車子重量，有著休戚相關的聯系。在車重這個問題上，消費者應該知道的知識還真不少。

大部分人在不看行駛證的情況下，基本很難一口說出自己車輛到底有多重，就連資深的車迷，往往也無法準確知道這一數值。行駛證上所記載的車輛“整備重量”，實際上代表著一輛沒有乘客和貨物的車輛，在配備所有標準設備（包括冷卻劑，機油，汽油箱）時的總重。從汽車出現至今的一百多年里，汽車的增重已經進入了一個惡性循環的怪圈之中。消費者對于汽車的安全、性能、以及豪華舒適度的需求，令制造商覺得，空間更大、更舒適、性能更強勁的汽車可以提高利潤率，并逐步向著更高的車身剛度、更強大的引擎配備、更廣闊的內部空間以及豪華配置等目標進發，車輛越來越重的結果也顯而易見。舉個不恰當的例子，1976年的高爾夫GTIMKI重量為820Kg，擁有108Hp動力;2006的高爾夫GTIMKV重量已經達到1340Kg，動力也提升提升到了200Hp。30年間，主流車型的重量幾乎是以前的2倍之多，能耗豈能不升？

燃油經濟性是所有人都關注的問題。現代燃油系統在改善燃油經濟性的技術方面已經走過了很長一段發展時期。汽車越重，引擎所需要負擔的能耗也越高這點毋庸置疑，盡管工業技術讓現代引擎變得異常高效與強大，可終歸無法承受不斷添加的重量，更別提風云變化的國際市場油價。美國EPA的數據顯示，車重每減少100磅（約45Kg），燃油效率將提高1%～2%。不要輕視這45Kg的重量，對于那些后備箱永遠裝滿不必要行李、加油永遠滿箱的車主來說，同樣的車輛往往需要耗費更多的燃料。如何學會為車輛科學減重是車主用車的習慣，也是汽車工業技術的目標。

汽車重量因為消費者需求不斷增重

著名的微型車FIAT500體積重量也在增加

車重的增減實際上一把雙刃劍，在相同造車工藝與材料應用之下，重量減輕雖明顯提升經濟性，但對安全而言則有可能起到反作用。舉個不恰當的例子，用豐田Yaris與雷克薩斯LX做一個80Km/h的正面對撞試驗。相信后果大家都能清楚預測，三倍重量于對手的雷克薩斯鐵定完勝。有科研機構的數據表明，如果碰撞之中兩輛汽車之間的重量相差超過1000磅（495kg），那么較輕一方在該碰撞發生時的致死率將增加接近50%。

此時若要討論日韓車系過于輕薄，或是歐美車系過于笨重似乎過于膚淺了。這個事關生死、事關金錢、事關顏面的汽車技術話題，本就是一個平衡問題，如何做到輕快好省，眾多專注于汽車輕量化的工程師，從汽車設計結構上、制作材料以及制造工藝上，給予了相當多的解決辦法。這其中汽車輕量化材料成為了重中之重。

ordModelT出現真正意義上的車架式車身結構

空客為飛機制造所使用的玻纖復合材料

采埃孚研發的輕量化復合板簧

FCA研發出全新適用于發動機缸體的鋁合金材料

更輕盈的輕量化材料變遷

歷史上最初的汽車完全由木頭所建造的，隨后進化出了使用木質框架覆蓋鋼制面板。1900年的時候，首次出現了車架設計的想法，車輛開始擁有承載底盤，以支撐工作所需要的機械零部件以及通常由鋼制成的車身。這其中福特著名的T型車就是最好的例證。時至今日大部分體型較小的車輛，例如中小型SUV和轎車，多采用了一體式結構（承載式車身結構），而像卡車、大型公共汽車或是部分大型SUV等重型車輛，依然使用車架車身結構（非承載式車身結構）。但無論采用哪種改造技術，鋼材依然是車架使用的主要材料。

一臺汽車的基本組成部分主要涵蓋了發動機、底盤、車身和電氣設備四大塊。其中車身占重35%、底盤占重34%、動力總成占了27%，剩下的4%則為各種內飾以及其他部分。正是這幾個看得見摸得著的部分，占去了整車絕大部分的重量。汽車從最初的原木制造變為木質框架再到鋼制框架，材質上已經得到了翻天覆地的改變。木到鋼的更替，車身強度在增加的同時重量亦隨之增加。幸好更具重量優勢的新型輕質材料不斷誕生，讓減重大計得以實施，強度方面更無需妥協。目前的減重排行榜之中，高強度鋼、鋁、鎂以及復合材料等已經逐步開始替代純鋼材料并越來越多地應用在量產車型之上。

1994年亮相IAA引起轟動的奧迪A8首次采用全鋁車身結構

A8的全鋁車身應用了各種連接工藝

鋁合金被廣泛應用在車輛各部位

特斯拉打造出適用于電動機的全新鋁合金

鋁合金可方便制成各種車輛主要零部件

鋁合金（Aluminum Alloy）

鋁合金應該算是最早進入人們視野的非鋼輕質材料。從1975年開始至今的，鋁合金的散熱系統、輪轂、發動機缸蓋、缸體、防撞杠、引擎蓋以及車門與白車身，量產車上的鋁合金制品無處不在。與純鋼材料相比，成本雖然略高，但并不妨礙同等體積減重接近40%的鋁合金材料瞬間成為了制造商的寵兒。第一輛嘗試使用全鋁車架的量產車是1994年的奧迪A8。這讓奧迪在C級轎車領域比競爭對手更為輕盈，性能以及操控方面也更具有優勢。到了2015年，作為皮卡典型的福特F150也通過使用鋁合金令車身減重超過226Kg完成了華麗轉身。當然還少不了路虎攬勝運動版，鋁制車身與之前型號相比，減去了300Kg的重量。現在的量產車之中，平均每臺汽車包含約90Kg鋁制零件。

鋁合金除了能大幅減低重量以外，其良好的延展性、方便的閉環回收利用以及特有的成形性與成型工藝，同樣受到業界歡迎。譬如特有的擠壓成型工藝在“自沖鉚接”工藝配合下，能讓車架零件的數量與連接點較傳統鋼制單體外殼減少一半甚至更多。盡管鋁合金原本預計需求增長最快的領域會是底盤與車身范圍，可實際上現在已經在所有車輛系統之中大放異彩。鋁鑄件也成為發動機、變速箱缸體，甚至懸架以及轉向系統所熱衷的使用材料。目前來看，鋁材已經成為用于年產規模10萬輛以下車型最具性價比的材料。

輕便結實的鎂合金一直是專業相機的機身材料

鎂合金材料

鎂合金在汽車輕量化之中的零部件應用

鎂合金成為許多變速箱殼體首選材料

鎂合金（Magnesium Alloy）

鎂是全球排第八大豐富的元素，蘊藏含量約占地殼2%，同時也是溶解在海水之中第三大的豐富元素，為此蘊藏量十分巨大。鎂合金的密度小，約占鋼的1/4，鋁合金的2/3，比剛度和比強度優于鋼和鋁合金，遠高于工程塑料。此外，鎂合金材料具有良好的阻尼性能，并具有良好的電磁屏蔽、散熱、切割、無毒、可降解、易回收等性能，所以鎂合金被認為是最便宜也最輕的金屬合金，十分被汽車工業所看好。鎂合金的優點很明顯，缺點也是有的，鎂合金質地較脆，其在碰撞之下會產生較大變形，存在很大的斷裂風險，因此鎂合金并不適用于如保險杠、門梁、B柱等面對大變形的結構。但對于如方向盤、座椅骨架、儀表盤等在碰撞時不易觸發大變形的結構處，鎂合金就體現出了自身的價值。所以鎂合金對鋁合金更多的是部分替代而非整體取代。鎂合金結構件的使用可以在鋁合金結構件的基礎上實現30%左右的減重效果。目前福特、通用、大眾、寶馬等不少品牌，已經將鎂合金作為如托架、氣門蓋、方向盤、油底殼，甚至是變速器箱體的主要輕量化材料。

應用在車輛前端的法雷奧玻纖復合材料

玻璃纖維纏繞工藝

碳纖復合材料

復合材料應用（Composites Applications）

碳纖維與玻璃纖維等高分子材料的出現，為汽車輕量化大業注入了新的活力。特別是碳纖維復合材料，已經被航空航天領域應用多年，具有良好的技術沉淀，在許多特性上也超越了傳統材料，有望逐步成為汽車結構件輕量化材料的主線。其質地在目前所有輕量化材料之中最輕，高強、抗沖擊和耐腐蝕等特點也十分優異。在符合安全標準的前提下，碳纖維車身能較同體積的鋁合金車身再減重50%。極致減重的同時，碳纖維復合材料強度達到了鋼的8倍，同時具有金屬材料5倍的能量吸收能力，達到了121KJ/kg水平。這讓碳纖維復合材料在汽車結構件上可取代目前的鋼結構車身。

采用碳纖維復合材料打造的車身可以令整車重心下移，提升操控穩定性;擁有極佳的能量吸收能力，在碰撞之中進一步保證車輛成員安全;更高的震動阻尼也給予整車NVH極大的改善。關鍵一點是碳纖維復合材料比金屬材料具有更高的抗疲勞強度。開篇提到的一級方程式賽車正是采用大量碳纖維復合材料打造，令其擁有FIA國際汽聯所要求740Kg的靚麗身材。目前世界范圍車企之中，德國車企特別是寶馬在碳纖維車身方面可謂處于整個汽車行業的領先位置。

玻纖復合材料則屬于改性增強塑料范疇。從工藝上根據塑料粒子的長度和玻纖維的長度可分為短玻纖增強塑料SFT和長玻纖增強塑料LFT。長玻纖長度為2-4mm，比長度僅為0.2-0.4mm短玻纖排列更規律，強度、剛度也更占優，所以勢必替代短玻纖材料。玻纖復合材料具有密度小、易成型、設計靈活、耐腐蝕、耐沖擊、抗振隔熱、絕緣等諸多優點，價格更是遠比碳纖維復合材料便宜。傳統認為玻纖材料質地較脆，強度比碳纖維要低，受熱情況下形變程度較大，所以只適合用于制造支撐汽車的非結構件或是裝飾件，譬如發動機罩、電池托架、儀表板、發動機罩蓋，以及后背門等部件之上。

BMW i3使用碳素纖維制成的保險杠

麥格納為豐田supra做的加強框架

車用碳纖外殼

眾多國際著名零部件生產企業對于玻纖材料的應用研發一直十分重視，這其中加拿大企業麥格納憑借復合材料尾門立體加強框架在豐田Supra上的首次應用，贏得了2020年PACE供應商創新大獎。這款復合材料立體框架是由泡沫芯制成的管狀框架，采用連續玻璃纖維進行纏繞并注入聚氨酯熱固性樹脂制成，現今全球62%的汽車尾門中，只有少量由塑料制成將使其擁有巨大的市場潛力。

法國零部件企業法雷奧，更是在在車輛前端模塊之中率先使用了由玻纖增強樹脂所制成的輕質復合材料，以滿足更高的剛性與耐久性要求，這款輕質復合材料在較鋼制配件減重30%的情況之下，依然能保證擁有同樣的安全等級。看來隨著工藝與技術的發展，玻纖復合材料等級將進一步提升，并嘗試被應用在部分車輛結構件之中。

鋼材仍是制造汽車的主要材料

Smart與BenzS級的對撞測試

一級方程式賽車是輕量化工程的極致典范

合理的車輛結構與材料選用才能最大程度為車輛減重

鋼材（Steel）

雖然上面提及了不少目前已經得到應用的汽車輕量化材料。但是最后依然要給大家說一下依然被車企所高度依賴的汽用鋼材族群。這其中依照鋼材強度從低到高分為低強度鋼（LSS）、高強度鋼（HSS）、先進高強度鋼（AHSS）、超高強度鋼（UHSS）以及熱成型鋼（PHS）。各種鋼材的強度也從低于210MPa一直延伸至大于1000MPa，部分產品在改進工藝之后更能達到接近2000MPa的強度。由于鋼材工藝不在本文討論范圍，這里就不作細述。或許有人會問，鋼的密度都是7.85g/cm3，從何減重呢？其實這就必須提及“強度”這一產品特征了。在車輛部件上使用更高強度的鋼材，可達成更薄的鋼板厚度要求，同樣實現了輕量化的目的。

通常較為負責的車企，會將高強鋼或超高強度鋼專門用于結構件，譬如防止碰撞變形與侵入傷害的安全籠（乘客艙）部位。值得一提的是，由于目前國內并沒有一個較為成文的規定，具體劃分鋼材強度的分級，通常只會按照業內人士約定俗成的公認標準，并不具備任何約束力。所以車企文宣上高強度鋼的使用不但需要考慮占比，更需要考慮其結構設計是否合理。倘若不合理的結構設計，再高強度的鋼材也無法保證安全，相反可能對乘員還會帶來不必要的傷害。

結語：

世界對于環境保護的渴望;消費者對于燃油經濟性的看重;新能源對于汽車設計結構的根本性改變，重量問題對于制造商、零部件提供商和消費者而言均變得越來越重要。不要對賭消費者放棄大型車輛的可能性，既然輕量化材料生產的經濟可行性已經得到解決，不妨建議相關企業，以貓步繼續行走于這條輕薄之“途”。