郎 勇

（吉利汽車前瞻技術(shù)研究部，上海 楓涇 201501）

引言

伴隨我國汽車工業(yè)的發(fā)展，能源問題日益突出。為了實現(xiàn)節(jié)能減排目標，汽車輕量化就顯得尤為重要了。

《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》在汽車輕量化技術(shù)上也明確指出，“2020年整車需要比2015年減重15%，到2025年減重 30%。大力推進高強度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料、復合材料等在汽車上的應用”。

研究表明，汽車燃油消耗與汽車的自身質(zhì)量成正比，汽車質(zhì)量每減輕1%，燃油消耗降低0.6%～1.0%，燃油消耗的下降，排放也會減少。

對于電動車來說，如果采用增加電池來增加行駛里程，成本會非常高。在電池技術(shù)短期難以突破的情況下，電動汽車迫切需要采用輕量化技術(shù)來降低重量，以減輕電池增重的壓力。

1 國內(nèi)車身輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)整車企業(yè)在汽車車身結(jié)構(gòu)開發(fā)上仍沿用傳統(tǒng)汽車設計理念，在輕量化材料和新技術(shù)的應用方面也明顯落后。

1.2 國內(nèi)材料品種、數(shù)量、性能與國外還有很大差距。國內(nèi)汽車企業(yè)和材料企業(yè)也融合得不夠，國內(nèi)材料企業(yè)明顯滯后于汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1.3 由于技術(shù)限制，國內(nèi)企業(yè)在材料和加工成本控制難度大，導致整車成本上升，制約了汽車輕量化的發(fā)展。

1.4 國內(nèi)沒有完整的汽車輕量化零部件技術(shù)和產(chǎn)品標準。

2 輕量化車身的四種技術(shù)路線

目前，輕量化車身的四種技術(shù)路線，分別是鋼板車身、鋁合金車身、碳纖維車身及多種材料混合車身。其中多種材料混合車身是車身輕量化的發(fā)展趨勢。

2.1 鋼板車身輕量化路線

車身本體主要采用高強度鋼板作為主要輕量化材料。

2.1.1 高強鋼材料包括高強鋼、超高強鋼、先進高強度鋼

——高強鋼指屈服強度介于210～550MPa的鋼材；

——超高強鋼(UHSS)指屈服強度大于 50Mpa，抗拉強度大于700Mpa；

——先進高強鋼(AHSS)，強度在500MPa～1500MPa之間。

2.1.2 高強鋼材料的應用

目前鋼板車身使用的高強度鋼板（包括高強度、超高強度和夾層減重鋼板），主要應用在汽車加強件等方面，特別是車身A、B柱，門檻，縱梁、橫梁、側(cè)圍邊梁以及中央通道等關(guān)鍵部位上，如圖1所示。

圖1

2.1.3 鋼板車身輕量化路線的優(yōu)勢

1）材料成本低

鋼的價格5000～9000元/噸，相對便宜， 尤其是高強鋼的應用，因其良好的安全性，低成本等因素，在今后一段時間內(nèi)還將是降低汽車質(zhì)量的主要材料。

2）減重效果好

高強鋼屈服點較高，可以通過減少外表面的厚度，達到減少質(zhì)量的目的。

當鋼板厚度分別減少0.05mm、0.10mm、0.15mm時，車身減重分別為6%、12%、18%左右。

理論上，相對于傳統(tǒng)340MPa的材料，600MPa級鋼種的減重潛能約為20%，800MPa級鋼種的減重潛能可達到30%以上；零件厚度減薄10%～20%，高強度鋼板的均價增加10%～25%，因此單件成本基本不變。

3）車身性能易保證

采用高強鋼的車身，在車身碰撞安全性、剛度、強度等車身性能開發(fā)具有優(yōu)勢，在不增加成本的前提下，實現(xiàn)車身減重10%～25%（以4門轎車為參照），且靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度提高80%，靜態(tài)彎曲剛度提高52%，車身強度及安全性能得到極大的提升。

4）制造成本低，技術(shù)成熟，應用廣泛。經(jīng)濟性好

制造成本較低，可以沿用原有的沖壓設備及焊接設備，生產(chǎn)線不需調(diào)整，可實現(xiàn)多種車型共線生產(chǎn)。

2.1.4 鋼板車身輕量化路線劣勢

隨著強度增加，高強鋼沖壓性能變差，回彈量大尺寸難以控制。

車身采用鋼板材料與采用鋁合金材料相比，減重效果無優(yōu)勢以某A0級車為例 ，車身采用高強鋼材料，白車身重量為360kg，而采用鋁合金材料，則白車身減重約為20%，即減少重量72kg。車身材料采用鋁合金減重效果明顯。

雖然車身采用鋼板具有較大的成本優(yōu)勢，但利用高強鋼進行車身輕量化的空間已經(jīng)十分有限。

2.2 鋁合金車身輕量化路線

車身本體主要采用鋁合金作為主要輕量化材料。

2.2.1 鋁合金材料及其在車身的應用

表1 鋁合金的應用

2.2.2 鋁合金車身的優(yōu)點

1）鋁合金具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、耐磨性好、比強度高及可回收等優(yōu)點。

2）輕量化成效明顯，鋁合金減重效果優(yōu)于鋼鐵。

汽車使用1 kg鋁合金材料可替代2.25 kg鋼材，相對于鋼板車身，輕質(zhì)鋁合金車身可以減重20%～30%。

據(jù)歐洲鋁業(yè)協(xié)會（EAA）的研究表明，對于高爾夫之類的小的電動車型，在相同續(xù)航里程下，使用全鋁車身將增加1015歐元成本，但可以節(jié)省電池成本1650歐元，總成本僅增加635歐元。

3）鋁合金車身比鋼制車身具有更明顯的彈性優(yōu)勢。在碰撞時，能夠更好的吸收沖擊力，保護車內(nèi)人員的安全。

2.2.3 鋁合金以其輕量化效果明顯，日益受到各汽車廠家的重視。

圖2

奧迪A8 D3 采用全鋁車身，車身均采用鋁材制造，框架采用立體框架結(jié)構(gòu)，覆蓋件為鋁板沖壓而成。與鋼板車身相比，質(zhì)量減輕30～50%，油耗減低5～8%，扭轉(zhuǎn)剛度增加了38%以上，如圖2所示。

2.2.4 鋁合金車身在汽車制造方面問題

1）材料成本高，鋁合金目前市場價格為4.5萬/噸，是普通鋼板的2～5倍。

2）沖壓工藝方面

材料延伸率不夠，易拉裂。基于鋁板液壓成形技術(shù)欠缺、工裝和模具開發(fā)成型難度大韌性差。

3）焊接工藝方面

焊接性能差，傳統(tǒng)點焊不適用。鋼鋁焊接比鋁鋁焊接更加困難，鋼和鋁的熔點相差大致在 900℃左右?；炀€生產(chǎn)困難。

4）涂裝工藝方面

鋁的膨脹系數(shù)是鋼的2倍，隨溫度上升，鋁制零件會伸長。鋁合金表面的致密氧化膜與鋁車身活潑的化學性質(zhì)，電鍍的預處理會難一些。混線生產(chǎn)困難

5）生產(chǎn)線改造

傳統(tǒng)生產(chǎn)線設備及工位等均需改造或重建，如開卷、沖壓、焊裝、涂裝。

6）原材料供應方面

鋁合金板材國產(chǎn)技術(shù)不成熟，產(chǎn)能過小，鋁板供應商僅江蘇諾貝麗與天津神戶、愛麗。

7）鋁合金車身連接困難是阻礙鋁合金發(fā)展的瓶頸

目前鋁制車身的連接方式如下：

——捷豹XFL 采用自沖鉚接及膠粘技術(shù)實現(xiàn)車身連接，如圖3所示。

圖3

——特斯拉采用焊接工藝實現(xiàn)車身連接

如圖4所示，通過選擇CMT冷金屬過渡技術(shù)實現(xiàn)鋼和鋁的連接，以及伏能士DeltaSpot電阻點焊技術(shù)實現(xiàn)在不同在不同厚度/不同材料的焊接，如圖5所示。

圖4

圖5

——凱迪拉克CT6采用鋁激光釬焊、鋁電阻點焊、自攻螺接、自沖鉚接實現(xiàn)連接

8）全鋁合金車身生產(chǎn)工序繁多，工藝復雜，制造成本過高，板材產(chǎn)能過小，難以與量產(chǎn)車型共線等因素，導致其推廣應用受限。

2.2.5 國內(nèi)鋁制車身零件現(xiàn)狀

1）壓鑄造鋁合金技術(shù)在國內(nèi)應用十分成熟。采用壓鑄工藝制作有車身零件有如下優(yōu)勢：

——具有較高強度，起連接車身各鋁材的作用。

——可以將十幾個沖壓件集成為一個壓鑄件，解決較為復雜的或深沖的零件表面質(zhì)量及尺寸精度問題，降低模具的費用。

——可以解決鋼板焊接工藝缺陷帶來的疲勞強度不足問題。

2）我國自主研發(fā)的車身用鋁合金型材擠壓→彎曲→淬火一體化成形技術(shù)，能簡化生產(chǎn)工壓差表、降低制造成本，從而時一步推廣鋁合金在汽車上的大眾化應用。

2.3 碳纖維車身輕量化路線

采用碳纖維增強復合材料（CFRP）為主的車身，減重效果明顯。

2.3.1 碳纖維增強復合材料（CFRP）優(yōu)點

碳纖維增強復合材料（CFRP）有絕佳的韌性和抗拉強度。CFRP的體積質(zhì)量只有鋼材的20%～30%,而硬度卻是鋼材的10倍以上，這使得CFRP車身比鋼質(zhì)車身減輕50% 以上，比鋁質(zhì)車身減輕約30%。

寶馬在i3和i8的乘員艙，采用高強度且輕量化的碳纖維增強復合材料( CFRP），強度是鋼材的10倍、重量僅為鋼材的 1/2。使用這種材料可以大幅降低車身重量，同時有助于提升車輛的燃油經(jīng)濟性和操控性，如圖6所示。

圖6

2.3.2 碳纖維增強復合材料（CFRP）劣勢

1）碳纖維是一種脆性材料，一旦受力過大就會直接斷裂，損壞后基本無法修復。

2）碳纖維與其它材料連接存在問題，使用螺栓連接，連接孔周圍很容易產(chǎn)行裂紋。

3）碳纖材料成本與制造成本高，制造工藝不成熟，是制約碳纖維車身發(fā)展的重要因素，碳纖維材料成本為80萬/噸。

2.4 多種材料混合車身輕量化路線

車身主要以鋼材料或鋁合金材料作為車身骨架，其它車身零件采用復合材料或工程塑料制作。

2.4.1 復合材料主要包括碳纖維、SMC、LFT、增強PP等。

1）復合材料SMC的應用

歐洲和美國SMC汽車部件用量最多。應用領域包括懸架零件、車身及車身部件、發(fā)動機蓋下部件、車內(nèi)裝飾部件等，其中尤其以保險杠、車頂、發(fā)動機罩、發(fā)動機隔音板、前后翼子板等部件用量最大。

2）復合材料LFT的應用

由于性價比高，以PP為基體樹脂的LFT占LFT總量的80%以上。主要應用于前端模塊、保險杠支架、雜物箱、座椅框架、車底護板、內(nèi)飾件支架、電池托架、內(nèi)門板組件、地板等。

3）復合材料增強PP的應用

由于GMT(玻璃纖維增強型熱塑性塑料）材料具有沖擊韌性好、重量輕、生產(chǎn)效率高、加工成本低、可再生利用等 一系列優(yōu)點的，其優(yōu)良的特性使之能夠在一些汽車零件上取代鋼材和鋁材。主要應用于儀表板、車門內(nèi)板及前端模塊等零件。

2.4.2 工程塑料

工程塑料主要包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等。

1）工程塑料的優(yōu)勢

— 成型性好、質(zhì)量輕（減重約20%～30%），能夠緩沖吸能?？箾_擊性好，造型設計自由度大，抗腐蝕性好。

— 熱固性塑料：耐熱性好，受壓不易變形，常用的有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、氨基樹脂、有機硅樹脂。

— 熱塑性塑料加工成形性好，力學性能好。

2）工程塑料劣勢

— 塑料剛度低、易老化，在車身上應用具有安全隱患

— 熱固性塑料力學性能較差。

— 熱塑性塑料耐熱性較差，容易變形。

3）工程塑料在車身的應用

— 車身內(nèi)、外裝飾件，內(nèi)飾材料；

— 車身附件的殼體、罩蓋、支架和手柄等；

— 前、后保險杠，車門防撞裝飾條等車身外部防撞構(gòu)件；

— 代替鋼板材料制造車身板件，如擋泥板、車門外板、發(fā)動機罩、行李艙蓋等。

2.4.3 多種材料混合車身的典型結(jié)構(gòu)

1）鋁全金骨架+高強鋼+碳纖維車身結(jié)構(gòu)

圖7

Audi A8 D5車身的整體框架由鋁型材搭建，關(guān)鍵部位采用鋁制鑄件進行連接，車身表面采用鋁制板金件。為了進一步降低車身重量，車廂后部采用了碳纖維材料，車廂部分采用高強度合金鋼，如圖7所示。

相比Audi D3車型，動態(tài)剛度提高24%，輕量化指數(shù)提高12%，車身前部剛度提高14%。

表2 Audi A8 D5車身材料構(gòu)成比例

2）鋁全金+高強鋼車身結(jié)構(gòu)

特斯拉Model S的車身和底盤主要采用鋁合金材料，車身框架用高強度硼鋼加固，如圖8所示。

特斯拉鋁合金的使用率實際也只是 98%，車體中也使用了其它復合材料，比如非天窗版的項蓋采用的是樹脂材料。

圖8

圖9

卡迪拉克 CT6 的車身采用鋼板和鋁合金組成而成的車身結(jié)構(gòu)，車身輕量化鋁合金材質(zhì)比例已經(jīng)達到 64%。因此比傳統(tǒng)的鋼制車身結(jié)構(gòu)減輕約99kg，如圖9所示。

3）高強鋼+塑料車身結(jié)構(gòu)

戴姆勒奔弛Smart的車身覆蓋件大量采用GE公司生產(chǎn)的Xenoy PC/PBT樹脂面板，可以降低低速碰撞后的維修成本。但A柱，B柱和門檻仍然是采用鋼板作為覆蓋件材料，如圖10所示。

圖10

圖11

4）高強鋼+SMC+鋁合金車身結(jié)構(gòu)

上汽榮威E50純電動轎車車身采用了輕質(zhì)材料和超高強度鋼結(jié)構(gòu)。駕乘室采用了超高強度鋼結(jié)構(gòu)，前緩沖梁采用鋁合金材料，尾門采用SMC復合輕量材料。充電口及小門、PEB橫梁也被新型合成材料所代替，如圖11所示。

5）鋁全金骨架+碳纖維車身結(jié)構(gòu)

北汽新能源 ARCFOX- 1，該車型采用了碳纖維復合材料上車身、鋁合金框架式車身設計，實現(xiàn)碳纖維復合材料同時應用于結(jié)構(gòu)件和外觀件。與傳統(tǒng)鋼制車身相比減重 30%。比同類車型整體減重15%，采用鉚接技術(shù)，續(xù)航能力提升11%。，如圖12所示。

單車用鋁量超過160kg，占車身重量的54%，采用鎂合金儀表板管梁，較傳統(tǒng)鋼制橫梁減重 30%以上，單車用鎂量超過5kg。

圖12

圖13

6）鋁全金骨架+復合材料外覆蓋件+碳纖維車身結(jié)構(gòu)

奇瑞新能源純電動車“小螞蟻”是基于全鋁空間架構(gòu)+全復合材料外覆蓋件的輕量化技術(shù)平臺開發(fā)。采用了高強度鋁合金骨架、FRT發(fā)泡樹脂復合材料外覆蓋件和碳纖維材料應用等輕量化技術(shù)，如圖13所示。

3 總結(jié)

3.1 因碳纖維復合材料的每噸成本很高，尚有許多關(guān)鍵技術(shù)沒有突破，目前不太適合在輕量化車身上大批量使用。

3.2 以鋼板車身、鋁合金車身或鋼鋁混合車身為主，復合材料或塑料零件為輔，多種材料組成的車身日益成為輕量化車身的趨勢。

3.3 鋼板車身無論是在成本、結(jié)構(gòu)設計與性能開發(fā)以及生產(chǎn)制造等技術(shù)均有優(yōu)勢。高強鋼及超高強鋼的大量應用為鋼板車身的輕量化設計，提供了足夠的技術(shù)支持，但與鋁合金對比，減重效果依然有很大的差距。超高強鋼在沖壓領域的應用，有一定的局限性，采用熱成形技術(shù)，必然會帶來成本的提升。

3.4 鋁合金的應用，依然是車身輕量化的發(fā)展方向，但由于受鋁板較高成本與國內(nèi)鋁制車身零件的設計制造能力以及供應商供貨能力限制，近期推廣難度較大。加之鋁板在沖壓、焊接、涂裝等方面的工藝難度及工裝、設備的改造及更新，造成制造成本過大，這些都是鋁制車身成本居高不下，現(xiàn)階段難以推廣的根本原因。

3.5 如何根據(jù)現(xiàn)有工藝水平與制造能力，充分利用鋼制車身在成本與性能、制造上的優(yōu)勢，結(jié)合鋁合金及復合材料輕量化的效果，考慮到國內(nèi)鋁制零件的制造能力，在成本增加不多的情況下，滿足車身輕量化的要求，是我們研發(fā)人員考慮的方向。

[1] 何莉萍.汽車輕量化車身新材料及其應用技術(shù)[M];湖南大學出版社;2016.9.