根據ECB探討車身輕量化技術趨勢

摘 要：通過對過去5年ECB展示的轎車和SUV進行統計，分析了白車身輕量化系數、車身形式、高強鋼、熱成形鋼、鋁合金和復合材料的現狀和趨勢。研究結果表明，白車身輕量化系數雖然有波動，但未來會不斷下降。鋼制車身會緩慢下降，多種材料復合車身和鋼鋁混合車身越來越多，全鋁車身由于成本太高應用會越來越少。高強鋼包括熱成形鋼和鋁合金的開發和應用是未來車身輕量化的主要方向，應用鋁板、擠壓型材和鑄造件最多的零部件分別是前機蓋內外板、前防撞梁和前減振塔，復合材料主要體現在塑料后尾門的應用上。

關鍵詞：ECB；輕量化；高強鋼；鋁合金

歐洲車身大會（EuroCarBody， ECB）是由國際汽車聯盟（Automotive Circle International）組織的國際車身領域頂級峰會，截至2023年已經舉辦了25屆，目前已發展成為全球最新車身技術展示和交流的平臺。作為一個高規格的國際化技術平臺，旨在推動車身技術交流與進步，會議就車身結構布置、平臺化、創新結構、新材料、質量及材料占比、連接技術、模態及剛度、NVH、碰撞安全性能、工藝及廠房布置等進行交流、研討與評價[1]。

ECB代表著全球汽車車身發展趨勢，近年來一直被譽為車身界的頂級峰會。本文通過分析2019－2023五年來ECB展示的轎車和SUV（合計33個車身，不包括MPV、皮卡、賽車、敞篷車以及極少數缺少數據的車身）車身材料應用趨勢，為新車型車身選材提供參考。

車身輕量化理論

1. 白車身輕量化系數

白車身輕量化系數（Light Weight Index）是汽車行業公認的評價指標[2]，該系數的定義

（1）

式中" "L——白車身輕量化系數；

m——不含四門兩蓋的白車身骨架質量，單位kg；

CT ——車身靜態扭轉剛度（本文中新能源的計

算包含動力電池），單位N·m/°；

A—— 車身的腳印面積，單位m2。

A=（前輪距+后輪距）/2×軸距" " " " " "（2）

根據公式（1），可以看出白車身輕量化系數主要體現了車身的質量與車身剛度和車身尺寸間的關系，車身輕量化系數越小，代表輕量化技術水平越高。

2019－2023年ECB白車身平均輕量化系數和最小輕量化系數如圖1所示，從2019年到2022年輕量化系數持續降低，2023年反彈上升。原因是2023年參展的鈴木FRONX和標致3008兩款低成本鋼制車身輕量化系數很高，拉升了整體水平。雖然有所波折，但是隨著技術的發展進步，輕量化系數必然會不斷下降。

2. 車身輕量化技術

車身輕量化是目前汽車輕量化路徑方案中最核心、最關鍵的技術，包括材料輕量化、結構輕量化以及工藝輕量化三大類，目的是通過輕量化設計使合適的材料、最優的結構形狀和尺寸用在汽車結構的合適位置，使每部分材料都能發揮出最大的承載作用，增加剛度和吸能作用，提高材料利用率、降低整車質量、減少材料成本，實現節能、減排和降耗。

在結構輕量化方面，常用的技術有結構拓撲優化、形貌優化、尺寸優化以及單目標和多目標優化設計等。在車身材料輕量化方面，主要是通過在車身上應用高強度鋼、超高強鋼、鋁合金、鎂合金及纖維增強復合材料等輕質材料實現車身的輕量化。

目前，在車身上應用低合金高強鋼、烘烤硬化鋼、無間隙原子鋼、雙相鋼等高強度鋼材料已成為各汽車企業實現車身輕量化普遍做法。隨著鋁合金材料技術發展，在車身上應用鋁合金材料實現輕量化已成為當下熱點技術之一。

在車身工藝輕量化方面，主要有熱成形、液壓成形、激光拼焊板（Tailor Welded Blank， TWB）、變厚板（Tailor Rolled Blank，TRB）以及鋁、鎂合金的高真空壓鑄成形等[3]。

ECB車身材料應用分析

從材料上劃分，ECB車身可以分為鋼制車身、鋼鋁混合車身、全鋁車身及多種材料復合車身。鋼制車身用材主要為鋼板，分為低碳鋼（DC系列）、低合金高強鋼、先進高強鋼、超高強鋼以及熱成形鋼等。鋼鋁混合車身由鋼制部件加部分鋁合金部件組成。鋁合金主要用在四門和發動機艙蓋、行李艙蓋或者尾門部位，以及前縱梁和前、后減振塔位置等。全鋁車身指整個車身全部是鋁合金經過沖壓、擠壓、鑄造成型后的零部件連接而成的車身，在部分重要部位為了滿足可靠性及耐久性要求，全鋁車身會在A柱、B柱等區域采用熱成形部件或者強度等級較高的高強鋼。多種材料復合車身是指車身由鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維及工程塑料等多種材料經過點焊、鉚接、螺栓聯接、弧焊及金屬結構膠等方式連接而成[4]。圖2列舉了四種典型的車身形式。

基于鋁合金在車身中的質量占比，對應用鋁合金的車身做以下定義：

1）鋼制車身，其中鋁合金占比小于20%。

2）鋼鋁混合車身，其中鋁合金占比為20%～60%，輕度鋼鋁混合車身鋁合金占比為20%～40%，重度鋼鋁混合車身鋁合金占比為40%～60%。

3）全鋁車身，其中鋁合金占比大于60%[5]。

通過對2019－2023年ECB的車身類型進行統計分析，各類車身數量的統計結果如圖3所示。

由于ECB每年展示的車型數量不一樣，故用車身所占總體的百分數比單純的數量更能說明變化的趨勢，如圖4所示。

從統計結果可以看出，鋼制車身占比最大，多種材料復合車身次之，鋼鋁混合車身和全鋁車身應用最少。從變化趨勢上來看，鋼制車身在2020年達到峰值后逐年下降，多種材料復合車身應用較為穩定，鋼鋁混合車身逐年上升，全鋁車身的應用不斷下降。

輕量化材料應用現狀及趨勢

對2019－2023年車身用材總體統計如圖5所示，鋼是最主要的材料，軟鋼、高強鋼和熱成形鋼總共占比83.39%，鋁合金占比14.16%。

每年的用材占比情況如圖6所示，從中可以看到用材波動情況，比如鋁合金在2020年應用最少，而鋼卻應用最多，二者呈現出此消彼長的關系。

1.高強鋼應用現狀及趨勢

依據現狀分析，車身輕量化設計中的主流材料為高強鋼，具有高強度、低成本及豐富的技術經驗等優點。根據ECB對材料的分類，高強鋼可以分為普通高強鋼HSS（包括高強無間隙原子鋼HSIF、烘烤硬化鋼BH、高強度低合金鋼HSLA和碳錳鋼CMn）、先進高強鋼AHSS（第1/2/3代）、奧氏體不銹鋼、超高強鋼UHSS（復相鋼CP和馬氏體鋼MS）和熱成形鋼PHS。

2019－2023年ECB高強鋼占比變化曲線如圖7所示，可以發現高強鋼的使用較為穩定，在50%～70%波動，高強鋼依然是車身最主要的材料，高強鋼的開發和應用是車身輕量化最主要的方向。

熱成形鋼是車身上應用強度最高的材料，主要應用在碰撞安全件，例如A/B柱加強板、門檻加強板、A柱內板、中央通道及座椅橫梁等位置。通過熱沖壓成形獲得的零部件的屈服強度在950MPa以上，抗拉強度一般在1300MPa以上，伸長率在5%以上，微觀組織是全馬氏體。與此同時，抗拉強度達到2000MPa的熱成形鋼的應用越來越普遍，極狐、特斯拉、問界及哈弗等車型均已搭載。

圖8是2019－2023年ECB熱成形鋼占比變化曲線，在10%～14%波動，在車身中的占比同樣較為穩定，可以預測將來會持續應用。

2. 鋁合金應用現狀及趨勢

材料輕量化是三大類輕量化技術之一，而鋁合金的應用是材料輕量化最重要的方面。鋁合金是一種綠色環保的金屬材料，除了具有可回收性和可循環利用的優點，質量輕、性能優異和價格合理等讓鋁合金在汽車上的應用越來越廣泛。汽車上的鋁合金零部件包括沖壓件、擠壓型材和鑄造件[6]。

2019－2023的5年ECB中平均單車鋁合金占比變化曲線如圖9所示，總體來說鋁合金用量波動很大，2019年鋁合金應用較多，但是2020年急劇下降，2021和2022年恢復增長，2023年又有所降低。

（1）鋁合金沖壓件" 沖壓件常用在汽車車身的外覆蓋件及加強結構，均可由沖壓成形得到，這些沖壓件通過焊接等連接工藝形成車身本體。在汽車制造業領域，由于鋁的高比強度，它在很多面板、覆蓋件的材料選擇上已逐步取代鋼的位置。用在汽車覆蓋件上的鋁板，需要滿足高的表面質量、高成形性能、高強度（烘烤硬化性）及連接性能優異等特點。而用在加強板上的鋁板需要具備良好的成形性及一定的強度。

常用的鋁合金板包括不可熱處理的Al-Mg（5000系列）合金和可熱處理的Al-Mg-Si（6000系列）合金。由于化學成分的差異，5000系列鋁板常被用在車身內板或加強板中；而6000系列鋁板常用于車身外部面板或較復雜的加強板中，兼具高強度和良好的可成形性。

通過對鋁合金沖壓件零部件使用位置進行統計，結果如圖10所示，可以發現應用最多的三個位置是前機蓋內外板、車門內外板和翼子板，對這三個位置的零部件進行以鋁代鋼能收到良好的輕量化效果。

（2）鋁合金擠壓型材" 汽車用鋁擠壓型材件的材料絕大多數采用6系和7系鋁合金，6系的使用比例達到90%以上。而6系中最常用的合金是6063、6060、6061和6082，用于生產實心、半空心和空心截面形狀的零件。6063和6060應用廣泛，它不僅容易擠壓、焊接，并且具有良好的表面質量和出色的耐蝕性；6061具有較高的抗拉強度、良好的耐蝕性、焊接性和機加工特性；其他如6005、6008、6106等合金也會根據需要選用。如果需要滿足高強度的要求，那么7003、7075等7列鋁合金也會被選用。

通過對鋁合金擠壓零部件使用位置進行統計如圖11所示，前防撞梁是使用鋁合金擠壓型材最多的零部件，遠超排名后面的后防撞梁和前縱梁。

（3）鋁合金鑄造件" 鋁鑄件有著質量輕、比強度高、比剛度高、加工性好以及吸能性強等諸多優勢，為了減輕車輛整備質量，被廣泛應用在汽車行業中。鋁鑄件在鑄造時易產生疏松、氣泡和氧化物夾雜等問題，這些限制了鋁鑄件的使用范圍。鋁鑄件在車身受力件、底盤結構件、電池包殼體、動力系統殼體等零件上還是有很好的使用前景，尤其是薄壁型鋁鑄件，可以明顯減輕整車質量，而且力學性能優秀。

通過對鋁合金鑄造零部件使用位置進行統計，如圖12所示，前減振塔是使用鑄造鋁合金最多的零部件，其次是后減振塔。

3. 復合材料應用現狀及趨勢

復合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。各組成材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料進而滿足各種不同的要求[7]。在汽車輕量化中，以纖維增強樹脂基體的復合材料應用最多、用量最大，SMC、GMT、LFT及CFRP是車身用主要的復合材料。

復合材料在白車身的應用較少，2019－2023年均在4%以下。在ECB展示的車身中，復合材料主要體現在塑料后尾門的使用上。經統計，11款多種材料復合車身中，使用塑料后尾門的有7款。

結語

本文通過對2019－2023年參展的轎車和SUV共33個車身進行統計分析，得出結論如下：

1）從2019年到2022年輕量化系數持續降低，2023年反彈上升。原因是2023年參展的鈴木FRONX和標致3008兩款低成本鋼制車身輕量化系數很高，拉升了整體系數。未來隨著技術的發展進步，輕量化系數必然會不斷下降。

2）從車身形式上來看，鋼制車身和多種材料復合車身是占據絕大部分，鋼鋁混合車身和全鋁車身應用較少。隨著對輕量化的要求越來越高，鋼制車身的應用緩慢減少，多種材料復合車身和鋼鋁混合車身會越來越多，全鋁車身由于成本太高應用會越來越少。

3）通過對車身用材進行統計分析，鋼占比83.39%，鋁合金占比14.16%，是車身最主要的材料，高強鋼包括熱成形鋼和鋁合金的開發和應用是未來車身輕量化的主要方向。具體到零部件，應用鋁板最多零部件是前機蓋內外板，其次車門內外板和翼子板；應用鋁合金擠壓型材最多的零部件是前防撞梁，應用鋁合金鑄造件最多的零部件是前減振塔，其次是后減振塔；復合材料應用較少，主要體現在塑料后尾門的使用上。

參考文獻：

[1] 呂奉陽，羅培鋒，陳東.基于ECB的車身輕量化材料應用趨勢[J].汽車實用技術，2019（19）：179-183.

[2] 路洪洲，王智文，陳一龍，等.汽車輕量化評價[J].汽車工程學報，2015，5（1）：1-8.

[3] 楊鴻智，尹小文，蘇彥芳，等.AlSi10MnMg在汽車車身輕量化中的應用[J].汽車實用技術，2024，49（1）：167-171.

[4] 楊鴻智，蘇彥芳，尹小文，等.乘用車車身常用汽車用鋼金相和成分研究[J].汽車工藝師，2023（12）：49-53，59.

[5] 唐程光，劉江波，魯后國.乘用車車身結構設計與輕量化[M].北京：機械工業出版社，2021.

[6] 肖榮光.基于ECB統計數據的車身用鋁現狀分析和發展趨勢預判[J].裝備維修技術，2023（1）：66-72.

[7] 林剛.纖維復合材料的多形態化與汽車輕量化[J].高科技纖維與應用，2014，39（5）：26-33，37.