新材料應用在汽車輕量化設計中的現狀淺析
時間：2021-04-20 來源：
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新材料應用在汽車輕量化設計中的現狀淺析
近年來，能源與環境的危機加速了各國政府對汽車行業的產品能耗和排放的嚴格控制。到2020年，除美國之外的全球主要的汽車生產與消費國家和地區對乘用車燃油油耗的要求都將嚴格限制在5L/100km以下的水平，而且碳排放也更為嚴格（國內在2020將采用國Ⅵ的排放標準）。這迫使新能源汽車技術和汽車輕量化設計成為了目前改善能耗問題的兩大必要途徑。關于新能源汽車技術的發展趨勢以及目前主流技術解讀這兩年在飛靈的文章中我都有過詳細的解讀，這篇文章主要是想聊聊目前的汽車輕量化技術。
輕量化設計實現的路徑與發展現狀
關于目前實現汽車輕量化設計的路徑，主要有兩種形式：一種是通過結構的合理化設計，對車體的主要承力部件進行加強、非主要承力部件進行合理的弱化，在性能滿足的前提下盡量減小傳力通道截面大小，合理、精細化的選用材料板厚等來實現結構輕量化設計。另一種是使用新材料替代普通鋼材來實現輕量化設計，比如用鋁合金、GFRP（玻璃纖維增強塑料）和CFRP(碳纖維)等密度更小的新材料來代替鋼材來實現輕量化設計，比如用強度更高、板厚更薄的熱成型材料（熱成型材料本質上還是鋼材）代替普通高強度鋼來減少加強結構零件的數量實現輕量化設計。
在實際的汽車設計中，這兩種輕量化途徑很多時候都是相互結合使用來實現車體的輕量化設計，同時還促進了彼此的發展。比如在車身A柱上邊梁、B柱等結構的設計中，目前主流設計都是采用熱成型材料來替代普通高強度鋼材的設計，熱成型材料的使用本身是一種材料輕量化的設計，但是熱成型材料的使用又可以讓這些車身區域減少加強件結構的設計，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板、限位器加強板等結構。而精細化的結構設計又促進了不等厚板材、激光拼焊板材、鋁合金等的發展。
某美系SUV車型的不等厚熱成型B柱加強板結構輕量化設計由于在車型的功能性不同，且各大OEM對于自身車體性能目標的設定也存在差異性等因素，設計思路上會不太一致，這里就不展開詳說。而且結構輕量化所帶來的效果并不如材料輕量化那般立馬有效，需要大幅改善動力性能、操控性能、能耗的新車型上，目前主要還是依賴材料輕量化。
由于受到整體工業發展水平、OEM研發實力和生產條件、產品品牌因素等限制，目前主流OEM輕量化設計的現狀是結構輕量化各花結各果，材料輕量化卻只能是少數好廠家的“炫技”。這篇文章也主要就是想和大家聊聊主流OEM材料輕量化的現狀。
主流輕量化材料
既能保證車體結構的性能，又能大幅度降低車體重量的材料，目前行業內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。這些材料在車體結構中的使用，輕量化效果非常明顯。以鋁合金車身的福特F150為例，車身實現了百分之40以上的減重，整備質量降低了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，作為純電動車型整備質量卻只有1195kg，相比同尺寸的常規車型來說，都要輕了150Kg左右。
這里要說說鋁合金車身的幾個問題。所謂的全鋁車身，實際是鋁合金車身而并非是純鋁車身。而且目前量產的鋁合金車身的車型中，主流還是采用鋁合金和鋼制的復合結構：上車體的A柱上邊梁、B柱加強板、車門防撞梁、機艙前擋板下部加強板或者前縱梁后段等與碰撞安全相關的主要承力結構件依然會采用熱成型鋼板，比如寶馬7系、凱迪拉克CT6等都是鋼鋁復合車身。目前行業內并沒有完全的鋁合金車身，即便是號稱全鋁的特斯拉，鋁合金的使用率實際也只是百分之98，車體中也使用了其他復合材料，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的使用比例可以見下圖，主要使用是在車身和底盤系統部件中：
新材料應用在汽車輕量化設計中的現狀淺析
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，目前國內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，又因為其較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構的車型售價基本都在40萬以上，鑄鋁件則較早就在發動機殼體、懸架擺臂、副車架等底盤和動力系統部件上使用，因所占車型開發成本比例較小，搭載車型級別不一。
F&S統計的新材料數據對比
新材料應用在汽車輕量化設計中的現狀淺析
注：普通強度鋼、高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、碳纖維的密度、抗拉強度、材料國際價格
OEM使用新型輕量化材料還會涉及到傳統生產線設備的改造，四大工藝中沖壓、焊接、涂裝生產線基本都需要面臨著工位的大幅改造或者重建，動輒幾億的投入對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、碳纖維等材料供應鏈在國內也較為缺少，鋁板的供應商也僅有江蘇的諾貝麗斯和天津神戶等工廠，并且能供應全系鋁板的也僅有諾貝麗斯一家，目前主要給捷豹路虎等車型供貨，碳纖維的主要供應商為日本的東麗和帝人，占據了全球的大半份額，但是碳纖維的加工工藝技術帶頭者是德國。
全球主流OEM輕量化材料的使用現狀
對于自主品牌來說，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計主要是采用結構輕量化策略，輔以部分熱成型板、不等厚板的使用。所以車體的主要構件基本為鋼材，在主要的結構件上并未有太多新材料的實用，也僅有在自主品牌車型的懸架擺臂、車身防撞梁、發動機罩、發動機缸體等部位會采用鋁合金，加油口采用工程塑料等，所占比例較低。
其實從上面的分析中我們不難發現，材料輕量化主要是在一些對成本敏感度不高的豪華車型和對重量較為敏感純電動車型中使用較多。而這些車型主要集中在德國、美國、日本這三個國家中，我們來看看這些汽車強國的輕量化材料在整車中的占比。
首先是德國，一方面由于歐洲在能耗和排放的政策上越發嚴格，另一方面德國是目前豪華品牌車型多的國家，新材料、新技術對于車型也會有著科技豪華感的加持作用，所以德國以ABB為代表的車企對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帶頭地位。
2015年德國新生產汽車鋁合金和其他新材料在車身和底盤中的占比高達百分之25，是目前全球汽車輕量化材料使用比例高的國家，到2020年新材料的使用趨勢會繼續上漲，將達到百分之34左右。
其次是美國，美國雖然豪華品牌車型也較多，但是美國汽車行業對于新型輕量化材料的熱衷主要來源于新能源汽車的發展以及排放和能耗的壓力，代表企業是特斯拉、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合材料，而GM的品牌凱迪拉克在近兩年的新車型中也開始采用鋼鋁復合車身結構，比如凱迪拉克CT6，福特則是將鋁合金車身首先搭載在F150這類皮卡車型上。
受到環境和能源危機的影響，美國政府出臺了諸多鼓勵新能源汽車發展的優惠政策，企業也表現出了較高的積極性，這使得美國逐漸處于全球新能源汽車研發和生產的帶頭地位。隨著這個趨勢的進一步發展，到2020年受到排放的嚴格限制，新能源汽車的產銷比例會進一步提升，而新型輕量化材料的占比也會進一步提升，而這個比例可能會從目前的百分之15提升到百分之20左右。
日本汽車企業一直都是結構輕量化的高手，而且在能耗的管理上他們一直都屬于很好的選手，所以汽車企業并沒有太明顯的材料輕量化動力。在新能源汽車的研發上，日本也主要是以混合動力和氫燃料電池動力為主，即便是純電動車型也是以k-car車型為主，對輕量化要求并沒有純電動汽車那么迫切，所以目前日本汽車企業里輕量化材料的使用比例并不高，只有百分之10左右。
目前日本汽車企業的的輕量化材料的使用也主要是集中在一些非結構件上，比如鋁合金的發動機罩、塑料的翼子板和尾門等，還有就是底盤和發動機的一些鑄鋁件。其中代表企業是豐田的雷克薩斯和本田阿庫拉。本田已經在阿庫拉NSX車體上使用了部門鋁合金車身的設計，豐田已經在目前量產的NX系列車型的發動機罩使用了鋁合金，尾門使用了工程塑料等，而且計劃在2018年凱美瑞的換代中采用鋁合金車身的設計。
隨著2020年全球的能耗和排放政策的越發嚴格，日本企業也開始加大了材料輕量化方面的研發投入，預計到2020年，日本汽車企業輕量化材料在底盤和車身中的占比會趕上美國，達到百分之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面說明該地區汽車企業在汽車材料輕量化方面所處的行業水平，也能反映出該地區新能源汽車發展的水平。而且從目前的趨勢來看，隨著材料成本的進一步降低，鋁合金車體的開發在未來數年內或許會迎來一個爆發期，到2025年，鋁合金的生產規模可能會達到目前的四倍以上。
目前自主品牌在純電動汽車的續航里程方面一直沒有太亮眼的成績，很大一部分原因就是受限于汽車強量化材料應用方面的發展，輕量化設計是新能源汽車發展的必要途徑，隨著2020和2025年的汽車能耗大限將至，企業和政府都須加大在汽車輕量化材料方面的研發投入。
