中國品牌輕量化道路遇難題

陳瓊

好鋼如何用在刀刃上

汽車的行駛阻力與車重成正比，車重的不斷增加，會使汽車的能耗大部分消耗在自重上，而不是滿足客貨運輸的需要。汽車輕量化能夠有效減緩因車載裝備的增加而導致汽車增重速度加快。世界鋁業協會報告指出，汽車自重每減少10%，燃油消耗可降低6%～8%。研究表明，汽車每減重100公斤，百公里油耗可降低0.4升、二氧化碳排放可減少1公斤。

汽車輕量化能夠有效改善汽車燃料經濟性，提升汽車動力性、制動性能和通過性，降低有害氣體排放。同時，在不改變汽車結構材質的條件下，通過結構優化設計使汽車實現輕量化，還可以節省原材料消耗，降低材料成本。

我國要實現《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020年）》提出的第四階段油耗指標5L/100km，輕量化是重要技術路徑之一。

輕量化的手段就是對汽車總體結構進行分析和優化，實現對汽車零部件的精簡、整體化和輕質化。結構合理設計主要包括以下三個方面：一是通過結構優化設計，減小車身骨架及車身鋼板的質量，對車身強度和剛度進行校核，確保汽車在滿足性能的前提下減輕自重；二是通過結構的小型化促進汽車輕量化，主要通過其主要功能部件在同等使用性能不變的情況下縮小尺寸；三是采取運動結構方式的變化來達到目的，比如采用轎車發動機前置前驅和超輕懸架結構等，使結構更緊湊，或采取發動機后置后驅的方式，達到使整車局部變小，實現輕量化的目標。

但業內人士認為，我國汽車輕量化技術的研發面臨兩大困難：一方面，要打破輕量化技術的發展所涉及的眾多學科之間的壁壘，形成綜合性、系統性知識體系；另一方面，在這一領域企業基本處于單打獨斗狀態。汽車企業對汽車輕量化關注度明顯不夠，尤其是國產品牌。如果持續下去，汽車企業將會失去一次技術跨越的絕好機會。而且，國內一些企業在實施“輕量化戰略”的同時，經常會出現偷工減料的行為，導致汽車安全性受到影響。

對于輕量化核心技術的學習和掌握，國內一些整車企業有很長的路要走。清華大學汽車系教授宋健表示，汽車輕量化首先需要掌握汽車的核心技術，在此基礎上才能加以改進。中國整車企業的一些零部件現在還需要外采，更不要提去減輕車輛的自重。更重要的是，國內一些汽車企業只能在車身整體結構上“動動手腳”，顯然不能滿足真正的輕量化的技術要求。

輕量化發展最明顯的特征就是使用輕量化材料，但目前使用較為普遍的高強度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料、復合材料五種材料都有其獨特的優勢，也有其無法避免的劣勢。那么，如何將“好鋼用在刀刃上”呢？業內專家一再呼吁，汽車輕量化要科學綜合利用這些材料。

從性能、成本等綜合因素考慮，高強度鋼仍是市場上受歡迎的輕量化材料。憑借較高的強度和安全性，未來，它會更多地應用在各種汽車安全件、底盤、車身結構、車身覆蓋件等方面。

當前鋁合金在汽車上的應用比較多，如發動機缸體、缸蓋、變速器殼體、車身、底盤、散熱器等，整車企業和零部件企業對鋁合金的研究也比較多。隨著技術的進步，鋁合金在當前領域的應用肯定會越來越廣，未來在底盤和車身覆蓋件方面也有很大的發展潛力。

鎂合金與工程塑料都面臨整車廠的認識問題。鎂合金當前主要應用在汽車方向盤、汽車儀表、中控支架等可覆蓋的地方。基于此，未來鎂合金可以在不暴露表面如車內門板、座椅支架等方面進行推廣，而鎂合金發動機罩蓋、變速器外殼、車身結構等可在高端車上使用，迫于成本壓力，中低端車要批量使用還需要繼續努力。

另外，工程塑料和復合材料作為一種新的材料技術也被大家廣泛看好，輕量化的進一步發展必然推動它們快速發展。未來，工程塑料和復合材料都可應用到汽車內外飾、汽車座椅、汽車天窗、水箱、電池箱、剎車踏板、儀表盤等地方。

結構設計與優化是軟實力

減輕了車輛自重，安全性如何保障？中國汽車工程學會專家陳一龍認為，車身結構的設計和優化配比至關重要。

他分析，汽車輕量化技術并非僅僅依靠材料，它是設計、制造、材料技術集成的工程。例如，東風牽引車減重1400公斤，其中結構優化占19%，功能配置優化占40%，兩者共占59%，真正新材料新技術只占41%。把輕量化看成材料供應問題是我國從事逆向設計、仿制造成的結果，是當前阻礙我國輕量化水平提高的主要技術瓶頸之一。

事實上，車身的結構設計和鋼材的強度都是決定安全的重要因素。工程師通過強大的設計軟件可以優化設計和校核汽車結構的強度和剛度，減少車身重量和鋼板厚度，使零部件中空化、小型化或復合化，確保整車的質量和性能。要想在材料成本、輕量化、安全性能等多目標中尋求最佳結合點，就需要多種材料組合的使用，而針對多材料組合必須合理設計安排使用各材料的最佳部位。

不同于普通汽車，高檔汽車采用空間框架的結構，部件多為多功能的大型鑄件，大型整體結構和高比例的鍛壓件，可以減少車身零件的數量，一系列的優化設計使得整車輕量化的同時提升了安全性能。車輛的安全性主要體現在事故發生時對人員的保護，而不是以車的受損程度來衡量。重量大的車跟重量輕的車碰撞，重量大的車受損程度比較小，但是人員的受損程度跟吸能式車身設計以及主被動安全配置有密切聯系。例如在某些車型上通過優化的結構設計，可以更好的將碰撞吸收的能量分散到強度很高的A柱和車身底部，提高乘客安全性的同時也降低了對對方車輛的攻擊性。

在汽車行業，大眾MQB輕量化平臺、奧迪塑料圓簧、ContiTech空氣彈簧、江森自控輕量化鋁鋼座椅框架等技術的應用，都為車輛的輕量化作出了巨大貢獻。

成本與發展的矛盾

在我國，各大品牌開始提升合金、超強度鋼、工程塑料等多種輕質化材料在汽車產品中的應用比例。但由于外資材料供應商在一些核心部件方面幾乎壟斷了技術，自主品牌的采購價格居高不下。

另外，一部分輕質材料雖然降低重量效果明顯，但是成本高昂。對于經濟型產品來說，車重降低一公斤的成本控制在20元以內才是一個可接受的范圍。目前在合成塑料上，相較本土材料商，外資材料商的價格平均每噸貴幾千元，算下來平均每公斤增加成本幾十元。輕量化的優勢已成為共識，如何尋求低成本前提下的輕量化技術路線成為企業和行業人士重點關注的問題。

奇瑞車身技術研究院陳曉鋒表示，“成本和重量確實是一個很難平衡的東西，要達到一個較好的結果和成效，是一個技術，也是一門藝術。”例如，在塑料件和金屬件達到相同性能的情況下，前后材料重量相差0.8公斤，然前者的成本會增加15塊錢左右，這個時候就要考慮下其最終性價比了。他認為，在輕量化方面，諸多的材料如碳纖維、工程塑料、鋁合金等都擁有各自的優點，比如用鋼材做前防撞條，滾軋動力明顯比冷成型的至少在相同情況下輕三公斤，相對其他材料來說是最優方案?！翱傮w來說，所有的輕量化都是采用混合式的方法，根據不同部位和不同的特點，選相對性價比比較高的，同時我們要多方合作，利用各自的優勢，而不是使用它的劣勢，這樣的話至少在車身輕量化里面是一個合理的方案。

而對于供應商，格朗吉斯鋁業（上海）有限公司徐坤豪坦言，輕量化發展到一個階段，相對于他們來說是不太有利的，上游客戶會對材料成本提出更加嚴苛的要求，即便如此，公司采取的一個策略就是主動做輕量化，分擔客戶的成本壓力。“我們所配套的產品——熱交換器在整車中所占的比重相當小，在這種情況下輕量化對整體重量上不會有太大的影響，然對成本的影響很大的。我們很清楚，不管是主機廠、零部件還是材料供應商，價格和輕量化應該是兩者密不可分，而且是我們行業追求的一個方向。 ”

整車企業攜手公關輕量化

中國汽車工程學會牽頭成立的“汽車輕量化創新戰略聯盟”已八年。在輕量化聯盟的組織下，聯盟成員不斷突破輕量化關鍵技術，并實現技術成果在聯盟內轉移，同時建立了一系列行業標準以及聯盟成員共享的數據庫，推動了我國汽車輕量化水平的提高。

長安汽車 “進入技術轉化應用階段”

現在，長安已經進入了輕量化技術轉化應用階段，向著到2020年主力車型平均減重50kg的目標努力，并以此為總目標，帶動車身、底盤、電裝、動力系統等部門建立各細分領域輕量化方案和體系。

在輕量化聯盟的引導下，長安得到了零部件供應商、原材料供應商的支持，集合行業力量，共同推進輕量化產品的研制。自主研發的鋁合金汽車發動機蓋板是長安加入輕量化聯盟之后的重要成果之一。

從鋁板的選材、技術規范的對標研究開始，聯合原材料供應商、模具制造商探討可行的業界可接受的材料標準，不斷改良鋁板的連接和沖壓技術、生產線設備，以及鋼鋁混件的涂裝工藝，經過無數次的結構優化和剛度、疲勞度測試等，才得以造出一塊合格的鋁合金汽車發動機蓋板。

該鋁蓋板在長安逸動混合動力轎車上應用，其重量相比鋼制件的18.9kg減到10.98kg，減重率為41.9%。依托此項目，長安參與編制了《汽車覆蓋板材抗凹痕性能測試規范》和《鋁合金前罩總成設計規范》，以指導企業和行業發展。

一汽集團 “輕量化技術發展規劃先行者”

一汽主要從設計理論與方法、新型輕質材料應用技術研究、承載構件輕量化制造技術、安全構件輕量化制造技術、高強度鋼應用技術研究五大方面推進輕量化技術發展。

到2020年，一汽要形成輕量化技術研究及應用的體系化能力，建立輕量化工作常態推進機制，推進集團輕量化技術的橫向應用，打造集團輕量化產品、工藝、材料專業技術開發團隊。

在輕量化聯盟的推動下，一汽建立了汽車輕量化先進成形技術創新基地，針對成型技術開展了三維輥壓、1800MPa熱成形、鋁合金半固態加工、鋁合金擠壓鑄造及高真空壓鑄等輕量化技術研究，大部分技術處于轉量產階段。材料方面開展了第二代、第三代先進高強鋼、過共晶鋁-硅合金、耐熱鎂合金、碳纖維復合材料、PC、GMT等輕量化材料在汽車上應用研究，部分材料處于轉量產階段。設計方面，采用有限元分析、局部加強設計、拓撲優化等技術，從結構上減少零部件數量；在滿足強度的前提下，可減少材料消耗，降低產品重量。

一汽轎車在輕量化技術研發方面的投入已經超過一億元，輕量化技術在乘用車、商用車均有大量應用成果。一汽奔騰X80在多種輕量化技術的共同作用下，相比某合資企業的對標車型減重90kg，同時C-NCAP碰撞測試得到了58.9的超高得分。

長城汽車 “項目落地快執行力最強”

高強度鋼是長城汽車現階段批量化使用最為廣泛的輕量化材料之一，為此長城專門投入巨資設立一條生產線，應用熱成型技術生產高強度鋼零部件，在H6等車型上應用。長城正在開發的一款車型中，有至少8個主要零部件應用高強度鋼，整體減重超過10%。借助聯盟的力量，長城與寶鋼成立實驗室，共同承擔多個輕量化研究項目。車型之間平臺化使長城多種車型共享輕量化技術和零部件，成本也會逐步下降。

碳纖維材料是長城輕量化技術主攻的方向之一，長城正牽頭組織多家整車企業，欲聯合攻關碳纖維技術，推動國內碳纖維產業發展。

北京汽車 “一把手親自抓”

北汽集團董事長徐和誼早已將輕量化技術的發展納入到集團的戰略布局中，以此打造“一把手工程”。

為了推進北汽自主品牌輕量化，北汽研究院全院工程師從輕量化材料、輕量化技術、輕量化設計三方面開展輕量化技術研究與應用。加強高強度鋼板在車身上的應用，擴大鋁合金材料在汽車底盤、動力系統零部件的應用范圍，開展以塑代鋼等專項工作。加大熱成型、輥壓成型、液壓成型、激光焊接等技術在自主品牌上的應用。北汽推出的每款新車型都會有一套詳細輕量化方案并付諸實踐?！氨逼p量化技術的研發成果會在集團的多個車型推廣，而輕量化新技術的應用則可以對標薩博、北京現代的成熟技術和車型。北汽集團旗下自主品牌與合資品牌之間一直有著緊密的技術交流，有助于提升自主品牌的技術水平?！眳蜗急脒€表示，“汽車輕量化技術是助推產品銷量提升的關鍵技術之一。我們希望輕量化技術應用可形成一種生態鏈，施行綠色制造，控制有害物質的產生，同時提高產品回收率?！?img src="https://cimg.fx361.com/images/2024/05/07/qkimagesqczhqczh201511qczh20151115-5-l.jpg"/>

奇瑞汽車“引入重量管理理念”

瑞虎5是奇瑞汽車走正向研發之路的又一成果，也是大量應用輕量化材料和技術的車型，車身骨架的四分之三材料應用了多種高強度鋼，在連接工藝、激光焊接、輥壓成型、熱成型技術方面也有很大提升。奇瑞推進輕量化技術應用的關鍵一步是建立重量工程系統，設定產品重量目標?！霸谄嫒鹱哒蜓邪l之路，推進自主設計之后，輕量化的目標也得以全面融入到新產品的開發體系。”奇瑞汽車研究總院核心技術管理部長李鼐一介紹說。在新產品開發初期，奇瑞引入了重量管理的理念，需要為新車型建立重量工程系統，設定產品重量目標，從而決定各總成部件的技術工藝、材料選擇以及結構開發設計等。

上汽車“為輕量化技術已投入數千萬元”

上汽榮威E50車身大量應用高強度鋼、輕金屬及非金屬材料，比如鋁合金骨架、保險杠以及使用復合材料的電池盒、前端模塊等，通過車身覆蓋件減薄、結構優化、應用熱成型技術等措施，使車身減重37kg。這車身集成了上汽在輕量化領域研究的多項成果。“上汽自主品牌從2007年就開始了輕量化技術和零部件的研發，這保證了上汽在2015年滿足國家對乘用車平均燃油消耗的要求?！鄙掀履茉春图夹g管理部馮奇說。

據悉，2008年以前，上汽只是在已有平臺上從事零散的輕量化零部件開發，而到2013年，上汽在鋁合金車身等輕量化材料和技術方面的研發投入已達數千萬元。馮奇表示，目前，上汽輕量化目標已上升至集團戰略層面，并在集團領導的帶領下，成立了前瞻技術研究部，針對新能源、輕量化等領域的先進技術進行深入研究，建立技術向產品轉化的模式。

商用車是近年來東風輕量化技術應用的重點領域。早在2008年，東風開啟了針對重型商用車輕量化技術應用的研發工作。以東風天龍新型牽引車為例，在應用鋁合金油箱、塑料空濾外殼、高強度鋼車架、高強度鋼車輪以及零部件支架優化設計等一系列措施之后，整車減重達到9.3%。劉成虎表示，未來東風還會推出標配全鋁合金車輪等輕量化零部件的高端重卡，以滿足市場對高品質商用車的需求。

針對東風銷量最好的“金霸”輕卡，東風則采用了以塑代鋼的油箱總成、高強度鋼的車架和車輪、鋁合金的缸體缸蓋和變速器箱體、鋁合金的貨箱箱體，以及傳動軸軸管和蓄電池的結構優化設計，使整車減重10%。

名詞解釋：

所謂汽車輕量化，是在滿足汽車結構強度、剛度、振動噪聲、被動安全性和耐久性條件下的輕量化。通過優化汽車結構和零部件的用材，選擇合理的制造工藝，讓合適的材料、最優的結構形狀和尺寸用在汽車合適的位置，充分發揮每一部分材料的承載、吸能、加剛作用，來有效減少汽車重量。

歐美日引領輕量化發展

在美國，2012年8月奧巴馬政府發布了2025年公司平均燃油經濟性（CAFE）法規的最終版本。按照新法規，美國市場上各車企2017-2025年款新車的燃油經濟性平均值應當達到54.5英里/加侖，約合百公里4.3升油耗，比2012年車輛水平幾乎提高一倍。

在歐盟，2014年2月歐洲議會通過一項改革，從2020年1月1日起，歐盟將開始銷售獨特的新型汽車，這些汽車的二氧化碳平均排放量為95克/公里，而2015年汽車二氧化碳排放量為130克/公里。如果超過95克/公里這一標準，汽車制造廠家將會受到經濟處罰。

美國和歐盟的舉措將推動汽車原始設備制造商尋找替代材料生產輕型車，從而推動輕量化材料市場出現顯著增長。預計到2017年，全球汽車輕量化材料市場的收入有望實現1000億美元。

目前，美國的發展目標是2020年在2013年的基礎上降重20%，25年要降重30%。為此進行了整個組成系統的劃分：整個車身系統減重35%、底盤減重25%、動力總承15%。同時，國外從政策、科研角度及整個材料推動角度也開展了眾多輕量化研究項目。如美國百公里油耗3升，及其他計劃，都投入了大量的資金。在過去發展歷史中，汽車企業非常重視投入大量資金關注汽車輕量化技術。

福特、豐田、大眾、通用、寶馬都確定了輕量化指標，并在典型車型上都有輕量化指標。比如福特IV150減重138公斤，采用了全鋁的骨架，而且在保持成本不變的情況下實現減重300公斤的水平。這對它來講是一個挑戰，但是對全鋁的整車車身的產業化的角度是一個巨變。寶馬i3的電動車，在2014年已經量產，它的減重目標250 公斤，要比傳統的電動車減17%。所以，從國家到地區到整個企業的具體產品，無不穿插著輕量化的技術。

鏈接：

輕量化主要材料作為傳統材料的高強度鋼在汽車輕量化的大潮中是不會被取代的。安全是汽車的重要屬性之一，先進的高強度鋼在強度、抗腐蝕性方面具有優越性，而且當前高強度鋼的技術應用成果顯著，能夠進一步提高汽車的安全性、環保性和節能性。但無法否認的是，從實現輕量化來講，高強度鋼的效果略低一些。

鋁合金、鎂合金、復合材料在汽車減重、環保方面效果顯著，但成本相對較高，在技術工藝方面也不夠成熟。鋁合金與其他材料不好連接，焊接困難只能采用鉚接，導致生產效率不高；鎂合金則耐腐蝕性差、廢品率高且存在安全生產問題；復合材料雖然能大大減輕整車重量和便于設計出更時尚的外形，但“高處不勝寒”，昂貴的價格讓汽車制造商望而卻步；工程塑料雖然成本較低，但與其他金屬件的連接仍是技術瓶頸，而且人們對工程塑料的安全性有疑慮，工程塑料在回收利用方面也存在問題。