汽车轻量化发展路径

文/海川

汽车轻量化发展路径

文/海川

汽车轻量化必须在预定整车减重目标、整车成本控制目标、安全性目标和NVH控制水平的全面约束下进行

德国汽车市场调研机构预测，预计到2015年，全球汽车保有量将增至11.2亿辆左右。同时，到2015年，亚洲地区将拥有全球1/4的汽车，也就是2.8亿辆，其中中国和印度市场增长潜力巨大。

另据工信部预测，到2020年，中国汽车保有量将达到2.5亿量，消耗成品油约4亿吨，也就是说汽车的平均年耗油量为1.6吨/辆。

由于大气污染和全球气候变暖现象日趋严峻，加大汽车节能减排刻不容缓，汽车轻量化已成为世界汽车发展的潮流。除了日系车热衷于车身的轻量化，自上世纪九十年代以来，国际上就出现了一系列大型的推动车身轻量化技术的计划，比如欧系车企的铝制车身等。

不单单是传统燃油汽车需要轻量化，新能源汽车同样如此。轻量化技术是横跨汽车发展变革时代的一项基础性技术。

汽车轻量化是在满足汽车使用要求、安全性和成本控制要求的条件下，将结构轻量化设计技术与多种轻量化材料、轻量化制造技术集成应用实现的产品减重。但在实现汽车轻量化的同时，一个非常重要的前提是：不能以牺牲车辆安全性和NVH（噪音、振动、平顺性）为代价，汽车轻量化必须在预定整车减重目标、整车成本控制目标、安全性目标和NVH控制水平的全面约束下进行。

汽车轻量化益处多多

首先，车身轻量化有助于节能减排。去年，我国工信部出台一个燃油料消耗量规定，2020年由2015年的6.9L/km降低到5.0L/km,这对乘用车来说压力非常大，汽车轻量化发展成为应对燃油限值的重要方法之一。

据研究表明，在采用相同动力系统和传动系统的前提下，乘用车的整车质量每减少10%，燃油消耗就可降低6%-8%。巴斯夫公司统计结果表明，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。相比于动力技术的提升所带来的燃油消耗降低，车身轻量化技术的投入相对较少，成效也要更加显著。在过去近十年时间里，传统内燃机技术的提升所带来的经济性表现的改善也就是在8%左右。

同时，汽车轻量化还有利于汽车安全性能的提升。从理论上说，汽车碰撞时的冲击能量与汽车的质量成正比。在同等条件下汽车越轻，碰撞时冲击能量越小，车身结构的变形、侵入量和乘员受到的冲击加速度就越小，汽车对乘员的保护性能越好、越安全。另外，汽车制动时消耗的能量也与汽车质量成正比，汽车越轻，在以相同初速度刹车时，制动器要消耗的能量就越小，制动减速度就越快，制动距离越短，制动性能就会有明显改善，汽车主动安全性也会变好。

长安汽车工程研究院副院长曹渡表示，汽车轻量化势在必行，首要推动力是政策，车企想卖车，就必须满足法规，某种程度上说是被“逼”的。其二，汽车每减轻100千克，加速性能就可提升8-10%，制动距离减少2-7米，可以提升汽车的安全性。因此“减重不仅仅是一个油耗的节约，还是一个综合性能的提升，为整车的综合性能和效益都有非常大的好处，这个就是我们要做减重的原因之二。”曹渡说。

此外，除了传统内燃机车，新能源车也亟需减重，因为新能源车电池十分重，比如宝马i3的电池重达280公斤，一般中国品牌纯电动车的电池净重都需要300～400公斤才能达到150-200公里以上的续航历程，所以新能源车的减重也到了一个刻不容缓的地步。否则，续航里程就受到限制，电池容量就必须要增大。

曹渡认为，汽车行业对轻量化的认识尚不充分。减重100千克，看似成本增加，实际上并非如此。其用相关分析举例说明，“一公斤的金属用到车里，综合成本大概是15～17块，非金属成本更高，约25-35块左右。这样一来，整车每减重1千克，实际上就能节省15～35块。而这些钱就可以补贴到减重过程中的一些成本的上升。对于这一点，行业的认识不够充分。”

轻量化的三个维度

从目前国际通行的研究方向来看，汽车的轻量化技术主要包括结构的轻量化、材料的轻量化以及先进制造技术的运用三个层面。

结构的轻量化最早在上世纪八十年代由日本铃木提出，当时的铃木甚至把每一个零件的重量都精确到了以克为单位进行减重。时至今日，结构的轻量化也是车辆轻量化研究方向中最为复杂也是最具有潜力的一大设计手段。因为相比于后面即将提到的材料轻量化以及先进制造技术的运用两个方面，结构的轻量化对于整车企业而言是最容易实施同时也是花费成本最低的一种方式。不仅仅是车身，包括底盘动力等零件的设计也会大量运用到结构轻量化的设计，而综合考虑整车性能而进行的多目标优化是目前结构轻量化研究的一个热点。

表：轻量化材料减重效果一览

材料的轻量化是眼下的汽车企业最乐于向市场推广的一个方面，也是汽车轻量化发展的主要方向。始作俑者是历来都热衷于技术营销的欧洲车企。一般来说，材料技术的轻量化包括高强度钢、铝合金、镁合金、树脂复合材料以及先进的碳纤维等。在这其中，高强度钢在成型、碰撞、疲劳性能以及成本方面相比于后面几种材料有着更大的优势，是目前主要的汽车车身轻量化材料。高强度的钢材就好比薄的铁皮，而低强度的钢材就好比厚的纸壳，孰强孰弱无需多言。而近年来铝制车身材料和碳纤维材料也开始呈现出占据高端的态势。

最后一个就是先进的制造技术，先进的制造技术包括先进的成型和连接工艺，还有诸如真空压铸、内高压成型等。其中最具有代表性的就是奥迪将铝合金和钢材实现无铆钉铆接的复合式车身成型技术。先进成型技术在一定意义上可以看做是结构轻量化技术和材料轻量化技术的一个辅助，当然，先进的成型技术也保证了整车结构的安全性。

与欧美汽车工业相比，中国的汽车工业一直处于追赶中，中国的汽车轻量化技术水平同样与国外差距不小。不过，由于中国车企在轻量化方面做得不够，因此未来有很大的上升空间，可以通过设计的优化来达到减重的目的。

曹渡指出，设计优化是最容易实现的轻量化手段，并且其无需花费成本，主要通过设计软件以及对标其他品牌已经应用的方案，并加以优化而实现。例如，雪佛兰新科鲁兹实现了减重约140千克，其中白车身减重74千克，除部分材料采用高强钢外，设计优化细节随处可见，是典型的优化设计案例。为此，油箱容积减小了8升，续航里程反而提升了100公里，后排纵向空间增加，头部空间增加，行李厢空间增加，而总尺寸减少，售价和老款相差无几。

俗话说，万事开头难，而对于汽车轻量化来说，却是开头容易后头难。曹渡说，当设计优化做到近乎极致后，进一步轻量化则只能依靠新材料、新工艺、新技术。目前，使用最广泛的材料仍然是高强度钢/超高强度钢，但由于钢的密度达到7.8克/立方厘米，虽然其技术比较成熟，然而减重的幅度并不太大，更轻的铝镁合金的成本相对较高。更进一步就是当前业界流行的“以塑代钢”技术，实则就是玻纤复合材料，此类材料已经在尾门上有所应用。

重量最轻、强度最高、成本也最高者则当属碳纤维。曹渡强调，将来任何一种材料都不可能单独在汽车上出现，而是多材料混搭将成为主流。这方面，最典型的一家车企就是宝马，在宝马i3颠覆了传统的设计理念和产品开发理念，上车体全部采用碳纤维，下车体采用铝合金，车身外覆盖件基本采用工程塑料。

“材料应用的改变对于工艺也提出了新的要求”曹渡表示。宝马i3车身50%以上采用碳纤维，从原丝到碳丝到零部件，其中冲压工艺变成了高压RTM工艺，并且取消了焊装步骤，用黏接来代替；车身的总装过程也完全不同与传统工艺完全不同。而下一代的宝马7系则采用了碳纤维与金属混合材料的车身，更是车身开发技术的一次革命。

曹渡描述中国车企碳纤维轻量化技术的应用现状时说道：“中国品牌目前仅制作了一些展示用的碳纤维样件或样车，并没有为了真正的应用去研发。我们应该从材料、工艺、 设计、评价、维修、回收的完整产业链上切实地开展研发工作。”

轻量化材料各有优劣

在汽车轻量化道路上，高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金等轻质金属材料和创新性的非金属复合材料，谁也不会完全取代谁，谁的技术更先进，性价比更低，谁的应用就会更多。而且，这些轻量化材料都不会是孤军奋战，必然是以组合的形式出现，因为汽车未来的发展趋势是多种材料的混合使用。

高强度钢

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。

奇瑞汽车股份有限公司材料工程部主管材料工程师李军表示，与镁合金、铝合金及复合材料等其他汽车轻量化候选材料相比，高强度钢板具有以下优点：首先，原材料价格低，经济性好；其次，综合性能优越，易实现零部件的强度和刚度要求；第三，可直接利用现有的（冲压）成形、焊接、涂装和总装生产线，大大节约了设备投资成本。

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。

铝合金

1896年印度人率先用铝制做了汽车曲轴箱。进入20世纪早期，铝在制造豪华汽车和赛车上有一定的应用，铝制车身的汽车开始出现，如亨利•福特的Model T型汽车和二三十年代欧洲赛车场上法拉利360赛车都是铝制车身。

奥迪汽车公司最早于1980年在Audi 80和Audi 100上采用了铝车门，然后不断扩大应用。1994年奥迪斥资800万欧元建立了铝材中心（1994～2002年），后更名为“奥迪铝材及轻量设计中心”。1994年奥迪开发了第一代Audi A8全铝空间框架结构（asf），其车身超过了现代轿车钢板车身的强度和安全水平，且汽车自身重量减轻了大约40%。随后于1999年诞生的奥迪A2成为首批采用该技术的量产车；2002年，奥迪铝材及轻量设计中心又见证了第二代奥迪A8的诞生。

铝合金在汽车轻量化中有其天然的优势：一是减重和节能效果明显。铝的力学性能好，其密度只有钢铁的1/3，铝代替钢制造汽车，可使整车重量减轻30%～40%，制造发动机可减重30%，铝质散热器比相同的铜制品轻20%～40%，铝车轮可减重30%左右。具有良好的导热性，仅次于铜，机械加工性能比铁高4.5 倍，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蚀性，因此铝成为实现汽车轻量化的主要材料之一。

减重不仅仅是一个油耗的节约，还是一个综合性能的提升，为整车的综合性能和效益都有非常大的好处，这个就是我们要做减重的原因之二。

二、乘客的舒适性和安全性获得提高。铝合金汽车是在不降低汽车容量的情况下减轻汽车自重，车身重心减低，汽车行驶更稳定、舒适。由于铝材的吸能性好，在碰撞安全性方面有明显的优势，汽车前部的变形区在碰撞时会产生皱褶，可吸收大量的冲击力，从而保护了后面的驾驶员和乘客。

三、铝易于回收。铝制品在使用过程中几乎不发生腐蚀或仅发生轻微的腐蚀，工业上使用的常规材料中，铝的回收价值率是最高的。在铝材—铝制品—使用—回收再生铝锭—再加工成铝材的循环过程中，铝的损耗也仅5%左右，其再生性能比任何一种常用金属都高。

但铝合金成本相对较高，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。

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。

福特公司日前展示了 一款与美国能源部合作开发的基于Fusion/蒙迪欧打造的轻量化技术验证车，由于使用大量铝合金，该款车比标准版的蒙迪欧轻了363公斤，减重约25%。路虎揽胜越野车、大众奥迪A8、奔驰CLA、通用雪佛兰Corvette跑车等车身部分或全部采用铝材料。新能源车方面，特斯拉Model S车型是全铝车身，其前后悬架大部分材料也采用铝材。

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有很大的发展潜力。

镁合金

我国是镁资源丰富的国家，资料显示，中国的镁资源总储量占全球的85%，位列世界第一位。不过，我国在镁资源利用方面却远远不够，专家表示，在汽车、国防、体育等镁合金产品的生产应用方面落后国外几十年。

镁合金在轻量化方面具有明显优势，镁合金的密度非常低，是目前所有能够作为结构件或者汽车零部件材料中密度最低的，为1.7 kg/ m3，铝是2.8 kg/m3，钢是7.8 kg/m3。另外镁合金的储量非常丰富，占地球地壳2.7%，开采寿命分别为铁和铝的20和4倍，我国占有世界70%的储量，我国白云石储备已经超过70亿吨，白云石是制造镁合金的基础原材料。

在壳体方面，铝合金变速箱的壳体重量一般会超过12kg，而镁合金变速箱仅为5.4kg，减轻了58%的重量。在动力系统、框架、悬挂、以及内饰件、内门板、座椅支架、刹车系统、转向系统等方面，轻量化至少30%以上，如果以上都用镁合金，重量可以减轻85公斤，减轻率45%。

镁合金还有一个好处就是减震效果好，如果车用上以后可以起到减重的作用，结合当前发展方向和全球资源环境的要求，镁合金材料的研发必然是汽车行业的一个重要的发展方向。

其不足方面，镁合金压铸机的投入成本比铝合金高，其耐氧化性比铝低，模具相对成本比较高。另外，镁合金的废品率高且存在安全生产问题，回收成本比铝合金要高，但是镁合金的投资回报率非常大，可持续性比较强，具有极佳的发展态势。

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。

碳纤维

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维复合材料（CFRP）是指由碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合制成的结构材料。其中，汽车行业广泛应用的碳纤维环氧树脂复合材料，具有比重小、刚性好、强度高的特性：比铝轻30%、比钢轻50%，强度却是钢的7至9倍，最早用于航空、航天、军工等科技高精尖领域。

在全新BMW 7系的车体框架中，碳纤维增强复合材料被用于加固车顶横梁结构以及B柱和C柱、底部侧围、中央通道和后部支撑。相比上一代车型，全新BMW 7系最大减重达130公斤。

中航复合材料有限责任公司副总经理李宏运认为，复合材料是推广新能源汽车应用的一把金钥匙。复合材料的技术和工艺已经足以规模化应用，并且轻量化能弥补动力电池能量密度的不足，续航里程得以延长，因此复合材料与新能源汽车的结合是大有裨益的。

中航工业复材目前在汽车轻量化上集大成的一个样板——电动大巴车身。采用复合材料之后，大巴纯车身减重2.4吨，如果再与有轻量化的电机、电控、电池的整车厂家合作，整车能减重5吨多，达到8.5吨左右。只装载3吨左右的电池（减了2吨），一次充电的行驶里程就可以到500公里。

对于成本，李宏运说，车身造价肯定会增加，复合材料车身可能会比铝合金车身要翻一倍，但是整车的成本并不一定增长很多。因为电池成本大幅下降，“电池一吨起码要20万吧。”

不过，碳纤维也有缺点，它是脆性材料，受力过大直接断裂，因此损坏后基本无法修复。它高强度只限于轴向，径向强度较低。要生产碳纤维增强复合材料，不仅工艺复杂，还很费时。最致命的是高昂的成本，使得碳纤维目前只能局限在部分超豪华车型上，难以普及。例如雷克萨斯推出的全碳纤维车身和底盘的LFA，售价高达30万-40万英镑。目前只有宝马实现自产自足的CFRP批量供应，在相当长时期内，碳纤维不会成为汽车的主要材料。

工程塑料

据美国化学工业学会的研究资料显示，目前汽车内的塑料零部件总重量还不及汽车总重量的10%，基于此，“以塑代钢”的概念在汽车行业广为流传。

“一般塑料的比重在0.9～1.6，玻纤增强复合材料的比重也不会超过2.0，而A3 钢为7.6，黄铜为8.4，铝为2.7。这就使得塑料成为汽车轻量化的首选材料。使用塑料可以减轻零部件约40%的重量，同时其成本也可以大幅度降低。”北汽福田工程研究总院材料工程所工程师高嵩表示。

以塑料件代替金属材料部件，不仅能够减轻车重，降低燃油消耗和排放，还可以提高汽车的动力、舒适性及安全性，所以其广泛应用在汽车动力及底盘系统、内外装饰件、汽车电子等部件上。比如采用长玻纤增强复合材料代替金属外装饰件，可以减轻外部物体（包括行人）对车身的冲击力；塑料制品还具有吸收和衰减振动和噪声的能力，可以提高乘坐的舒适性；用塑料做车身覆盖件十分适宜在污染严重的地区使用；钢材制件如果漆面受损或者先期防腐做得不好就容易生锈腐蚀金属，但是汽车塑料耐腐蚀性强。塑料对酸、碱、盐等抗腐蚀能力大于钢板。此外，用塑料件替代金属制件，其成本可降低30%～40%。

高嵩介绍，聚酰胺(PA)材料主要应用于动力、底盘零部件及结构件，约占整车塑料的20%；聚碳酸酯、聚甲醛、改性聚苯醚和热塑性聚酯等材料主要应用于电子电器零部件及结构件，约占整车塑料的15%左右。改性聚苯醚（PP）和ABS工程塑料及其合金材料主要应用于内外饰零部件，随着车型档次提高，工程塑料应用增加，ABS及其合金应用比例增加。

工程塑料优势众多，深受欧美汽车企业重视，且应用广泛。据悉，在发达国家，每辆汽车塑料用量从上世纪90 年代的100～130kg上升到2004 年的152kg 和2006 年的174kg，现在用量是230kg。国外汽车品牌现在已经大规模使用塑料复合材料和高性能的工程塑料等，而国内自主品牌汽车在塑料复合材料上的应用（重量占比）却相对较少，目前国内车用工程塑料用量约为30kg。这也反映了我们整车轻量化技术水平的差距。

工程塑料具有很好的可设计性，但其与金属制件的连接在国内仍是制约其发展的瓶颈。除技术和工艺外，车用工程塑料应用发展正面临着回收问题的制约和轻金属材料技术发展等多方面的挑战。