結(jié)構(gòu)輕量化向材料輕量化的轉(zhuǎn)變，助力電動(dòng)車增加續(xù)航

　　近年來，能源與環(huán)境的危機(jī)加速了各國(guó)政府對(duì)汽車行業(yè)的產(chǎn)品能耗和排放的嚴(yán)格控制。到2020年，除美國(guó)之外的全球主要的汽車生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)家和地區(qū)對(duì)乘用車燃油油耗的要求都將嚴(yán)格限制在5L/100km以下的水平，而且碳排放也更為嚴(yán)格（國(guó)內(nèi)在2020將采用國(guó)Ⅵ的排放標(biāo)準(zhǔn)）。

　　這迫使新能源汽車技術(shù)和汽車輕量化設(shè)計(jì)成為了目前改善能耗問題的兩大必要途徑。關(guān)于新能源汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及目前主流技術(shù)解讀這兩年在飛靈的文章中我都有過詳細(xì)的解讀，這篇文章主要是想聊聊目前的汽車輕量化技術(shù)。

　　輕量化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的路徑與發(fā)展現(xiàn)狀

　　關(guān)于目前實(shí)現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計(jì)的路徑，主要有兩種形式：一種是通過結(jié)構(gòu)的合理、精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，對(duì)車體的主要承力部件進(jìn)行加強(qiáng)、非主要承力部件進(jìn)行合理的弱化，在性能滿足的前提下盡量減小傳力通道截面大小，合理、精細(xì)化的選用材料板厚等來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。另一種是使用新材料替代普通鋼材來實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，比如用鋁合金、GFRP（玻璃纖維增強(qiáng)塑料）和CFRP（碳纖維）等密度更小的新材料來代替鋼材來實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，比如用強(qiáng)度更高、板厚更薄的熱成型材料（熱成型材料本質(zhì)上還是鋼材）代替普通高強(qiáng)度鋼來減少加強(qiáng)結(jié)構(gòu)零件的數(shù)量實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

　　在實(shí)際的汽車設(shè)計(jì)中，這兩種輕量化途徑很多時(shí)候都是相互結(jié)合使用來最大限度的實(shí)現(xiàn)車體的輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)還促進(jìn)了彼此的發(fā)展。比如在車身A柱上邊梁、B柱等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，目前主流設(shè)計(jì)都是采用熱成型材料來替代普通高強(qiáng)度鋼材的設(shè)計(jì)，熱成型材料的使用本身是一種材料輕量化的設(shè)計(jì)，但是熱成型材料的使用又可以讓這些車身區(qū)域減少加強(qiáng)件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不等厚熱成型板的使用甚至可以讓B柱取消原有的鉸鏈加強(qiáng)板、限位器加強(qiáng)板等結(jié)構(gòu)。而精細(xì)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又促進(jìn)了不等厚板材、激光拼焊板材、鋁合金等的發(fā)展。

　　某美系SUV車型的不等厚熱成型B柱加強(qiáng)板

　　結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)由于在車型的功能性不同，且各大OEM對(duì)于自身車體性能目標(biāo)的設(shè)定也存在差異性等因素，設(shè)計(jì)思路上會(huì)不太一致，這里就不展開詳說。而且結(jié)構(gòu)輕量化所帶來的效果并不如材料輕量化那般立竿見影，需要大幅改善動(dòng)力性能、操控性能、能耗的新車型上，目前主要還是依賴材料輕量化。

　　由于受到整體工業(yè)發(fā)展水平、OEM研發(fā)實(shí)力和生產(chǎn)條件、產(chǎn)品品牌因素等限制，目前主流OEM輕量化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀是結(jié)構(gòu)輕量化各花結(jié)各果，材料輕量化卻只能是少數(shù)一流廠家的“炫技”。這篇文章也主要就是想和大家聊聊主流OEM材料輕量化的現(xiàn)狀。

　　主流輕量化材料

　　既能保證車體結(jié)構(gòu)的性能，又能大幅度降低車體重量的材料，目前行業(yè)內(nèi)普遍使用的是碳纖維、鋁合金、鎂合金、工程塑料等密度較小的材料。這些材料在車體結(jié)構(gòu)中的使用，輕量化效果非常明顯。以鋁合金車身的福特F150為例，車身實(shí)現(xiàn)了40%以上的減重，整備質(zhì)量降低了300kg。車身采用碳纖維和鋁合金粘連工藝而成的寶馬i3，輕量化效果更為明顯，作為純電動(dòng)車型整備質(zhì)量卻只有1195kg，相比同尺寸的常規(guī)車型來說，都要輕了150Kg左右。

　　這里要說說鋁合金車身的幾個(gè)問題。所謂的全鋁車身，實(shí)際是鋁合金車身而并非是純鋁車身。而且目前量產(chǎn)的鋁合金車身的車型中，主流還是采用鋁合金和鋼制的復(fù)合結(jié)構(gòu)：上車體的A柱上邊梁、B柱加強(qiáng)板、車門防撞梁、機(jī)艙前擋板下部加強(qiáng)板或者前縱梁后段等與碰撞安全相關(guān)的主要承力結(jié)構(gòu)件依然會(huì)采用熱成型鋼板，比如寶馬7系、凱迪拉克CT6等都是鋼鋁復(fù)合車身。目前行業(yè)內(nèi)并沒有完全的鋁合金車身，即便是號(hào)稱全鋁的特斯拉，鋁合金的使用率實(shí)際也只是98%，車體中也使用了其他復(fù)合材料，比如非天窗版的頂蓋板采用的是樹脂材料等。

　　鋁合金在汽車中各系統(tǒng)的使用比例可以見下圖，主要使用是在車身和底盤系統(tǒng)部件中：

　　車用輕量化新材料使用成本高

　　目前車用輕量化新材料的成本普遍都偏高，目前國(guó)內(nèi)每噸車用冷軋汽車板材的成本在5000~9000之間，而每噸鋁合金的材料成本高達(dá)4.5萬左右，碳纖維的材料成本則更高，每噸約在80萬左右，又因?yàn)槠漭^高的成型廢品率問題，讓很多中低端車型在碳纖維的使用上更是望而卻步。所以目前采用鋁合金、碳纖維等新材料作為車身主結(jié)構(gòu)的車型售價(jià)基本都在40萬以上，鑄鋁件則較早就在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、懸架擺臂、副車架等底盤和動(dòng)力系統(tǒng)部件上使用，因所占車型開發(fā)成本比例較小，搭載車型級(jí)別不一。

　　F&S統(tǒng)計(jì)的新材料數(shù)據(jù)對(duì)比

　　注：普通強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、碳纖維的密度、抗拉強(qiáng)度、材料國(guó)際價(jià)格

　　OEM使用新型輕量化材料還會(huì)涉及到傳統(tǒng)生產(chǎn)線設(shè)備的改造，四大工藝中沖壓、焊接、涂裝生產(chǎn)線基本都需要面臨著工位的大幅改造或者重建，動(dòng)輒幾億的投入對(duì)于目前很多還處在溫飽線的自主品牌來說，更是心有余而力不足。其次是鋁合金、碳纖維等材料供應(yīng)鏈在國(guó)內(nèi)也較為稀缺，鋁板的供應(yīng)商也僅有江蘇的諾貝麗斯和天津神戶等工廠，并且能供應(yīng)全系鋁板的也僅有諾貝麗斯一家，目前主要給捷豹路虎等高端車型供貨，碳纖維的主要供應(yīng)商為日本的東麗和帝人，占據(jù)了全球的大半份額，但是碳纖維的加工工藝技術(shù)最先進(jìn)的是德國(guó)。

　　全球主流OEM輕量化材料的使用現(xiàn)狀

　　對(duì)于自主品牌來說，由于受到以上諸多外界條件的限制，所以自主品牌的輕量化設(shè)計(jì)主要是采用結(jié)構(gòu)輕量化策略，輔以部分熱成型板、不等厚板的使用。所以車體的主要構(gòu)件基本為鋼材，在主要的結(jié)構(gòu)件上并未有太多新材料的實(shí)用，也僅有在較高端的自主品牌車型的懸架擺臂、車身防撞梁、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等部位會(huì)采用鋁合金，加油口采用工程塑料等，所占比例較低。

　　其實(shí)從上面的分析中我們不難發(fā)現(xiàn)，材料輕量化主要是在一些對(duì)成本敏感度不高的高端豪華車型和對(duì)重量較為敏感純電動(dòng)車型中使用較多。而這些車型主要集中在德國(guó)、美國(guó)、日本這三個(gè)國(guó)家中，我們來看看這些汽車強(qiáng)國(guó)的輕量化材料在整車中的占比。

　　首先是德國(guó)，一方面由于歐洲在能耗和排放的政策上越發(fā)嚴(yán)格，另一方面德國(guó)是目前豪華品牌車型最多的國(guó)家，新材料、新技術(shù)對(duì)于高端車型也會(huì)有著科技豪華感的加持作用，所以德國(guó)以ABB為代表的車企對(duì)于新材料的使用上顯得更為熱衷，尤其是奧迪在鋁合金車身、寶馬在碳纖維車身方面都處于行業(yè)領(lǐng)先地位。

　　2015年德國(guó)新生產(chǎn)汽車鋁合金和其他新材料在車身和底盤中的占比高達(dá)25%，是目前全球汽車輕量化材料使用比例最高的國(guó)家，到2020年新材料的使用趨勢(shì)會(huì)繼續(xù)上漲，將達(dá)到34%左右。

　　其次是美國(guó)，美國(guó)雖然高端豪華品牌車型也較多，但是美國(guó)汽車行業(yè)對(duì)于新型輕量化材料的熱衷主要來源于新能源汽車的發(fā)展以及排放和能耗的壓力，代表企業(yè)是特斯拉、GM、福特等。特斯拉目前的Model S和Model X在車身和底盤上基本都采用了鋁合金和其他復(fù)合材料，而GM的高端品牌凱迪拉克在近兩年的新車型中也開始采用鋼鋁復(fù)合車身結(jié)構(gòu)，比如凱迪拉克CT6，福特則是將鋁合金車身首先搭載在F150這類高端皮卡車型上。

　　受到環(huán)境和能源危機(jī)的影響，美國(guó)政府出臺(tái)了諸多鼓勵(lì)新能源汽車發(fā)展的優(yōu)惠政策，企業(yè)也表現(xiàn)出了較高的積極性，這使得美國(guó)逐漸處于全球新能源汽車研發(fā)和生產(chǎn)的領(lǐng)先地位。隨著這個(gè)趨勢(shì)的進(jìn)一步發(fā)展，到2020年受到排放的嚴(yán)格限制，新能源汽車的產(chǎn)銷比例會(huì)進(jìn)一步提升，而新型輕量化材料的占比也會(huì)進(jìn)一步提升，而這個(gè)比例可能會(huì)從目前的15%提升到20%左右。

　　日本汽車企業(yè)一直都是結(jié)構(gòu)輕量化的高手，而且在能耗的管理上他們一直都屬于很出色的選手，所以汽車企業(yè)并沒有太明顯的材料輕量化動(dòng)力。在新能源汽車的研發(fā)上，日本也主要是以混合動(dòng)力和氫燃料電池動(dòng)力為主，即便是純電動(dòng)車型也是以k-car車型為主，對(duì)輕量化要求并沒有純電動(dòng)汽車那么迫切，所以目前日本汽車企業(yè)里輕量化材料的使用比例并不高，只有10%左右。

　　目前日本汽車企業(yè)的的輕量化材料的使用也主要是集中在一些非結(jié)構(gòu)件上，比如鋁合金的發(fā)動(dòng)機(jī)罩、塑料的翼子板和尾門等，還有就是底盤和發(fā)動(dòng)機(jī)的一些鑄鋁件。其中代表企業(yè)是豐田的雷克薩斯和本田阿庫(kù)拉。本田已經(jīng)在阿庫(kù)拉NSX車體上使用了部門鋁合金車身的設(shè)計(jì)，豐田已經(jīng)在目前量產(chǎn)的NX系列車型的發(fā)動(dòng)機(jī)罩使用了鋁合金，尾門使用了工程塑料等，而且計(jì)劃在2018年凱美瑞的換代中采用鋁合金車身的設(shè)計(jì)。

　　隨著2020年全球的能耗和排放政策的越發(fā)嚴(yán)格，日本企業(yè)也開始加大了材料輕量化方面的研發(fā)投入，預(yù)計(jì)到2020年，日本汽車企業(yè)輕量化材料在底盤和車身中的占比會(huì)趕上美國(guó)，達(dá)到20%左右。

　　綜 述

　　從以上的分析來看，輕量化材料的使用占比可以從側(cè)面說明該地區(qū)汽車企業(yè)在汽車材料輕量化方面所處的行業(yè)水平，也能反映出該地區(qū)新能源汽車發(fā)展的水平。而且從目前的趨勢(shì)來看，隨著材料成本的進(jìn)一步降低，鋁合金車體的開發(fā)在未來數(shù)年內(nèi)或許會(huì)迎來一個(gè)爆發(fā)期，到2025年，鋁合金的生產(chǎn)規(guī)?？赡軙?huì)達(dá)到目前的四倍以上。

　　目前自主品牌在純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程方面一直沒有太亮眼的成績(jī)，很大一部分原因就是受限于汽車強(qiáng)量化材料應(yīng)用方面的發(fā)展，輕量化設(shè)計(jì)是新能源汽車發(fā)展的必要途徑，隨著2020和2025年的汽車能耗大限將至，企業(yè)和政府都必須加大在汽車輕量化材料方面的研發(fā)投入。