中国品牌轻量化道路遇难题

陈琼

好钢如何用在刀刃上

汽车的行驶阻力与车重成正比，车重的不断增加，会使汽车的能耗大部分消耗在自重上，而不是满足客货运输的需要。汽车轻量化能够有效减缓因车载装备的增加而导致汽车增重速度加快。世界铝业协会报告指出，汽车自重每减少10%，燃油消耗可降低6%～8%。研究表明，汽车每减重100公斤，百公里油耗可降低0.4升、二氧化碳排放可减少1公斤。

汽车轻量化能够有效改善汽车燃料经济性，提升汽车动力性、制动性能和通过性，降低有害气体排放。同时，在不改变汽车结构材质的条件下，通过结构优化设计使汽车实现轻量化，还可以节省原材料消耗，降低材料成本。

我国要实现《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》提出的第四阶段油耗指标5L/100km，轻量化是重要技术路径之一。

轻量化的手段就是对汽车总体结构进行分析和优化，实现对汽车零部件的精简、整体化和轻质化。结构合理设计主要包括以下三个方面：一是通过结构优化设计，减小车身骨架及车身钢板的质量，对车身强度和刚度进行校核，确保汽车在满足性能的前提下减轻自重；二是通过结构的小型化促进汽车轻量化，主要通过其主要功能部件在同等使用性能不变的情况下缩小尺寸；三是采取运动结构方式的变化来达到目的，比如采用轿车发动机前置前驱和超轻悬架结构等，使结构更紧凑，或采取发动机后置后驱的方式，达到使整车局部变小，实现轻量化的目标。

但业内人士认为，我国汽车轻量化技术的研发面临两大困难：一方面，要打破轻量化技术的发展所涉及的众多学科之间的壁垒，形成综合性、系统性知识体系；另一方面，在这一领域企业基本处于单打独斗状态。汽车企业对汽车轻量化关注度明显不够，尤其是国产品牌。如果持续下去，汽车企业将会失去一次技术跨越的绝好机会。而且，国内一些企业在实施“轻量化战略”的同时，经常会出现偷工减料的行为，导致汽车安全性受到影响。

对于轻量化核心技术的学习和掌握，国内一些整车企业有很长的路要走。清华大学汽车系教授宋健表示，汽车轻量化首先需要掌握汽车的核心技术，在此基础上才能加以改进。中国整车企业的一些零部件现在还需要外采，更不要提去减轻车辆的自重。更重要的是，国内一些汽车企业只能在车身整体结构上“动动手脚”，显然不能满足真正的轻量化的技术要求。

轻量化发展最明显的特征就是使用轻量化材料，但目前使用较为普遍的高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料五种材料都有其独特的优势，也有其无法避免的劣势。那么，如何将“好钢用在刀刃上”呢？业内专家一再呼吁，汽车轻量化要科学综合利用这些材料。

从性能、成本等综合因素考虑，高强度钢仍是市场上受欢迎的轻量化材料。凭借较高的强度和安全性，未来，它会更多地应用在各种汽车安全件、底盘、车身结构、车身覆盖件等方面。

当前铝合金在汽车上的应用比较多，如发动机缸体、缸盖、变速器壳体、车身、底盘、散热器等，整车企业和零部件企业对铝合金的研究也比较多。随着技术的进步，铝合金在当前领域的应用肯定会越来越广，未来在底盘和车身覆盖件方面也有很大的发展潜力。

镁合金与工程塑料都面临整车厂的认识问题。镁合金当前主要应用在汽车方向盘、汽车仪表、中控支架等可覆盖的地方。基于此，未来镁合金可以在不暴露表面如车内门板、座椅支架等方面进行推广，而镁合金发动机罩盖、变速器外壳、车身结构等可在高端车上使用，迫于成本压力，中低端车要批量使用还需要继续努力。

另外，工程塑料和复合材料作为一种新的材料技术也被大家广泛看好，轻量化的进一步发展必然推动它们快速发展。未来，工程塑料和复合材料都可应用到汽车内外饰、汽车座椅、汽车天窗、水箱、电池箱、刹车踏板、仪表盘等地方。

结构设计与优化是软实力

减轻了车辆自重，安全性如何保障？中国汽车工程学会专家陈一龙认为，车身结构的设计和优化配比至关重要。

他分析，汽车轻量化技术并非仅仅依靠材料，它是设计、制造、材料技术集成的工程。例如，东风牵引车减重1400公斤，其中结构优化占19%，功能配置优化占40%，两者共占59%，真正新材料新技术只占41%。把轻量化看成材料供应问题是我国从事逆向设计、仿制造成的结果，是当前阻碍我国轻量化水平提高的主要技术瓶颈之一。

事实上，车身的结构设计和钢材的强度都是决定安全的重要因素。工程师通过强大的设计软件可以优化设计和校核汽车结构的强度和刚度，减少车身重量和钢板厚度，使零部件中空化、小型化或复合化，确保整车的质量和性能。要想在材料成本、轻量化、安全性能等多目标中寻求最佳结合点，就需要多种材料组合的使用，而针对多材料组合必须合理设计安排使用各材料的最佳部位。

不同于普通汽车，高档汽车采用空间框架的结构，部件多为多功能的大型铸件，大型整体结构和高比例的锻压件，可以减少车身零件的数量，一系列的优化设计使得整车轻量化的同时提升了安全性能。车辆的安全性主要体现在事故发生时对人员的保护，而不是以车的受损程度来衡量。重量大的车跟重量轻的车碰撞，重量大的车受损程度比较小，但是人员的受损程度跟吸能式车身设计以及主被动安全配置有密切联系。例如在某些车型上通过优化的结构设计，可以更好的将碰撞吸收的能量分散到强度很高的A柱和车身底部，提高乘客安全性的同时也降低了对对方车辆的攻击性。

在汽车行业，大众MQB轻量化平台、奥迪塑料圆簧、ContiTech空气弹簧、江森自控轻量化铝钢座椅框架等技术的应用，都为车辆的轻量化作出了巨大贡献。

成本与发展的矛盾

在我国，各大品牌开始提升合金、超强度钢、工程塑料等多种轻质化材料在汽车产品中的应用比例。但由于外资材料供应商在一些核心部件方面几乎垄断了技术，自主品牌的采购价格居高不下。

另外，一部分轻质材料虽然降低重量效果明显，但是成本高昂。对于经济型产品来说，车重降低一公斤的成本控制在20元以内才是一个可接受的范围。目前在合成塑料上，相较本土材料商，外资材料商的价格平均每吨贵几千元，算下来平均每公斤增加成本几十元。轻量化的优势已成为共识，如何寻求低成本前提下的轻量化技术路线成为企业和行业人士重点关注的问题。

奇瑞车身技术研究院陈晓锋表示，“成本和重量确实是一个很难平衡的东西，要达到一个较好的结果和成效，是一个技术，也是一门艺术。”例如，在塑料件和金属件达到相同性能的情况下，前后材料重量相差0.8公斤，然前者的成本会增加15块钱左右，这个时候就要考虑下其最终性价比了。他认为，在轻量化方面，诸多的材料如碳纤维、工程塑料、铝合金等都拥有各自的优点，比如用钢材做前防撞条，滚轧动力明显比冷成型的至少在相同情况下轻三公斤，相对其他材料来说是最优方案。“总体来说，所有的轻量化都是采用混合式的方法，根据不同部位和不同的特点，选相对性价比比较高的，同时我们要多方合作，利用各自的优势，而不是使用它的劣势，这样的话至少在车身轻量化里面是一个合理的方案。

而对于供应商，格朗吉斯铝业（上海）有限公司徐坤豪坦言，轻量化发展到一个阶段，相对于他们来说是不太有利的，上游客户会对材料成本提出更加严苛的要求，即便如此，公司采取的一个策略就是主动做轻量化，分担客户的成本压力。“我们所配套的产品——热交换器在整车中所占的比重相当小，在这种情况下轻量化对整体重量上不会有太大的影响，然对成本的影响很大的。我们很清楚，不管是主机厂、零部件还是材料供应商，价格和轻量化应该是两者密不可分，而且是我们行业追求的一个方向。 ”

整车企业携手公关轻量化

中国汽车工程学会牵头成立的“汽车轻量化创新战略联盟”已八年。在轻量化联盟的组织下，联盟成员不断突破轻量化关键技术，并实现技术成果在联盟内转移，同时建立了一系列行业标准以及联盟成员共享的数据库，推动了我国汽车轻量化水平的提高。

长安汽车 “进入技术转化应用阶段”

现在，长安已经进入了轻量化技术转化应用阶段，向着到2020年主力车型平均减重50kg的目标努力，并以此为总目标，带动车身、底盘、电装、动力系统等部门建立各细分领域轻量化方案和体系。

在轻量化联盟的引导下，长安得到了零部件供应商、原材料供应商的支持，集合行业力量，共同推进轻量化产品的研制。自主研发的铝合金汽车发动机盖板是长安加入轻量化联盟之后的重要成果之一。

从铝板的选材、技术规范的对标研究开始，联合原材料供应商、模具制造商探讨可行的业界可接受的材料标准，不断改良铝板的连接和冲压技术、生产线设备，以及钢铝混件的涂装工艺，经过无数次的结构优化和刚度、疲劳度测试等，才得以造出一块合格的铝合金汽车发动机盖板。

该铝盖板在长安逸动混合动力轿车上应用，其重量相比钢制件的18.9kg减到10.98kg，减重率为41.9%。依托此项目，长安参与编制了《汽车覆盖板材抗凹痕性能测试规范》和《铝合金前罩总成设计规范》，以指导企业和行业发展。

一汽集团 “轻量化技术发展规划先行者”

一汽主要从设计理论与方法、新型轻质材料应用技术研究、承载构件轻量化制造技术、安全构件轻量化制造技术、高强度钢应用技术研究五大方面推进轻量化技术发展。

到2020年，一汽要形成轻量化技术研究及应用的体系化能力，建立轻量化工作常态推进机制，推进集团轻量化技术的横向应用，打造集团轻量化产品、工艺、材料专业技术开发团队。

在轻量化联盟的推动下，一汽建立了汽车轻量化先进成形技术创新基地，针对成型技术开展了三维辊压、1800MPa热成形、铝合金半固态加工、铝合金挤压铸造及高真空压铸等轻量化技术研究，大部分技术处于转量产阶段。材料方面开展了第二代、第三代先进高强钢、过共晶铝-硅合金、耐热镁合金、碳纤维复合材料、PC、GMT等轻量化材料在汽车上应用研究，部分材料处于转量产阶段。设计方面，采用有限元分析、局部加强设计、拓扑优化等技术，从结构上减少零部件数量；在满足强度的前提下，可减少材料消耗，降低产品重量。

一汽轿车在轻量化技术研发方面的投入已经超过一亿元，轻量化技术在乘用车、商用车均有大量应用成果。一汽奔腾X80在多种轻量化技术的共同作用下，相比某合资企业的对标车型减重90kg，同时C-NCAP碰撞测试得到了58.9的超高得分。

长城汽车 “项目落地快执行力最强”

高强度钢是长城汽车现阶段批量化使用最为广泛的轻量化材料之一，为此长城专门投入巨资设立一条生产线，应用热成型技术生产高强度钢零部件，在H6等车型上应用。长城正在开发的一款车型中，有至少8个主要零部件应用高强度钢，整体减重超过10%。借助联盟的力量，长城与宝钢成立实验室，共同承担多个轻量化研究项目。车型之间平台化使长城多种车型共享轻量化技术和零部件，成本也会逐步下降。

碳纤维材料是长城轻量化技术主攻的方向之一，长城正牵头组织多家整车企业，欲联合攻关碳纤维技术，推动国内碳纤维产业发展。

北京汽车 “一把手亲自抓”

北汽集团董事长徐和谊早已将轻量化技术的发展纳入到集团的战略布局中，以此打造“一把手工程”。

为了推进北汽自主品牌轻量化，北汽研究院全院工程师从轻量化材料、轻量化技术、轻量化设计三方面开展轻量化技术研究与应用。加强高强度钢板在车身上的应用，扩大铝合金材料在汽车底盘、动力系统零部件的应用范围，开展以塑代钢等专项工作。加大热成型、辊压成型、液压成型、激光焊接等技术在自主品牌上的应用。北汽推出的每款新车型都会有一套详细轻量化方案并付诸实践。“北汽轻量化技术的研发成果会在集团的多个车型推广，而轻量化新技术的应用则可以对标萨博、北京现代的成熟技术和车型。北汽集团旗下自主品牌与合资品牌之间一直有着紧密的技术交流，有助于提升自主品牌的技术水平。”吕霞彪还表示，“汽车轻量化技术是助推产品销量提升的关键技术之一。我们希望轻量化技术应用可形成一种生态链，施行绿色制造，控制有害物质的产生，同时提高产品回收率。”

奇瑞汽车“引入重量管理理念”

瑞虎5是奇瑞汽车走正向研发之路的又一成果，也是大量应用轻量化材料和技术的车型，车身骨架的四分之三材料应用了多种高强度钢，在连接工艺、激光焊接、辊压成型、热成型技术方面也有很大提升。奇瑞推进轻量化技术应用的关键一步是建立重量工程系统，设定产品重量目标。“在奇瑞走正向研发之路，推进自主设计之后，轻量化的目标也得以全面融入到新产品的开发体系。”奇瑞汽车研究总院核心技术管理部长李鼐一介绍说。在新产品开发初期，奇瑞引入了重量管理的理念，需要为新车型建立重量工程系统，设定产品重量目标，从而决定各总成部件的技术工艺、材料选择以及结构开发设计等。

上汽车“为轻量化技术已投入数千万元”

上汽荣威E50车身大量应用高强度钢、轻金属及非金属材料，比如铝合金骨架、保险杠以及使用复合材料的电池盒、前端模块等，通过车身覆盖件减薄、结构优化、应用热成型技术等措施，使车身减重37kg。这车身集成了上汽在轻量化领域研究的多项成果。“上汽自主品牌从2007年就开始了轻量化技术和零部件的研发，这保证了上汽在2015年满足国家对乘用车平均燃油消耗的要求。”上汽新能源和技术管理部冯奇说。

据悉，2008年以前，上汽只是在已有平台上从事零散的轻量化零部件开发，而到2013年，上汽在铝合金车身等轻量化材料和技术方面的研发投入已达数千万元。冯奇表示，目前，上汽轻量化目标已上升至集团战略层面，并在集团领导的带领下，成立了前瞻技术研究部，针对新能源、轻量化等领域的先进技术进行深入研究，建立技术向产品转化的模式。

商用车是近年来东风轻量化技术应用的重点领域。早在2008年，东风开启了针对重型商用车轻量化技术应用的研发工作。以东风天龙新型牵引车为例，在应用铝合金油箱、塑料空滤外壳、高强度钢车架、高强度钢车轮以及零部件支架优化设计等一系列措施之后，整车减重达到9.3%。刘成虎表示，未来东风还会推出标配全铝合金车轮等轻量化零部件的高端重卡，以满足市场对高品质商用车的需求。

针对东风销量最好的“金霸”轻卡，东风则采用了以塑代钢的油箱总成、高强度钢的车架和车轮、铝合金的缸体缸盖和变速器箱体、铝合金的货箱箱体，以及传动轴轴管和蓄电池的结构优化设计，使整车减重10%。

名词解释：

所谓汽车轻量化，是在满足汽车结构强度、刚度、振动噪声、被动安全性和耐久性条件下的轻量化。通过优化汽车结构和零部件的用材，选择合理的制造工艺，让合适的材料、最优的结构形状和尺寸用在汽车合适的位置，充分发挥每一部分材料的承载、吸能、加刚作用，来有效减少汽车重量。

欧美日引领轻量化发展

在美国，2012年8月奥巴马政府发布了2025年公司平均燃油经济性（CAFE）法规的最终版本。按照新法规，美国市场上各车企2017-2025年款新车的燃油经济性平均值应当达到54.5英里/加仑，约合百公里4.3升油耗，比2012年车辆水平几乎提高一倍。

在欧盟，2014年2月欧洲议会通过一项改革，从2020年1月1日起，欧盟将开始销售独特的新型汽车，这些汽车的二氧化碳平均排放量为95克/公里，而2015年汽车二氧化碳排放量为130克/公里。如果超过95克/公里这一标准，汽车制造厂家将会受到经济处罚。

美国和欧盟的举措将推动汽车原始设备制造商寻找替代材料生产轻型车，从而推动轻量化材料市场出现显著增长。预计到2017年，全球汽车轻量化材料市场的收入有望实现1000亿美元。

目前，美国的发展目标是2020年在2013年的基础上降重20%，25年要降重30%。为此进行了整个组成系统的划分：整个车身系统减重35%、底盘减重25%、动力总承15%。同时，国外从政策、科研角度及整个材料推动角度也开展了众多轻量化研究项目。如美国百公里油耗3升，及其他计划，都投入了大量的资金。在过去发展历史中，汽车企业非常重视投入大量资金关注汽车轻量化技术。

福特、丰田、大众、通用、宝马都确定了轻量化指标，并在典型车型上都有轻量化指标。比如福特IV150减重138公斤，采用了全铝的骨架，而且在保持成本不变的情况下实现减重300公斤的水平。这对它来讲是一个挑战，但是对全铝的整车车身的产业化的角度是一个巨变。宝马i3的电动车，在2014年已经量产，它的减重目标250 公斤，要比传统的电动车减17%。所以，从国家到地区到整个企业的具体产品，无不穿插着轻量化的技术。

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轻量化主要材料作为传统材料的高强度钢在汽车轻量化的大潮中是不会被取代的。安全是汽车的重要属性之一，先进的高强度钢在强度、抗腐蚀性方面具有优越性，而且当前高强度钢的技术应用成果显著，能够进一步提高汽车的安全性、环保性和节能性。但无法否认的是，从实现轻量化来讲，高强度钢的效果略低一些。

铝合金、镁合金、复合材料在汽车减重、环保方面效果显著，但成本相对较高，在技术工艺方面也不够成熟。铝合金与其他材料不好连接，焊接困难只能采用铆接，导致生产效率不高；镁合金则耐腐蚀性差、废品率高且存在安全生产问题；复合材料虽然能大大减轻整车重量和便于设计出更时尚的外形，但“高处不胜寒”，昂贵的价格让汽车制造商望而却步；工程塑料虽然成本较低，但与其他金属件的连接仍是技术瓶颈，而且人们对工程塑料的安全性有疑虑，工程塑料在回收利用方面也存在问题。