中國自主乘用車車身用材發展歷程

李軍 孫壘 馮昌川

中國汽車工業的發展壯大，也是中國工業發展史的一個縮影。特別是2001年以后，中國自主品牌汽車異軍突起，發展迅猛，日益成為中國汽車產業中一支重要的生力軍。自主品牌乘用車在所處的不同歷史時期也有其自身特點，車身材料技術作為乘用車的核心技術之一，見證了我國汽車工業的發展歷程。

1 國內乘用車車身輕量化趨勢

對于乘用車白車身，輕量化材料的應用主要方向是：鋼制車身→鋼鋁混合車身→全鋁車身→全碳纖維車身（圖1）。傳統軟鋼逐漸減少，高強度鋼、鋁合金和碳纖維等新材料將逐步得到應用。根據產品的定位不同，各汽車企業將選擇適合自己的車企輕量化技術路線。

車身輕量化系數[1]是評價白車身輕量化水平的一個重要指標。近年來，隨著車身高強度鋼、鋁合金的應用，行業的車身輕量化水平也在不斷提高。圖2為歷年歐洲車身會議和國內車身會議的轎車平均車身輕量化系數，可見國內車身輕量化技術發展較快，與國外車型的差距不斷縮小。

2 自主品牌乘用車車身用材情況

隨著國內汽車工業和輕量化技術的不斷發展，汽車車身用材也在不斷的發生變化。傳統冷軋低碳鋼的應用比例在逐漸縮小，先進高強鋼、熱成形鋼、鋁型材、鋁板、壓鑄鋁、鎂合金等材料的應用比例呈快速增長趨勢[7]。

2.1 高強度鋼的應用

2.1.1 高強鋼概述[8]

采用高強度鋼替代低強度鋼板可以達到減薄板材厚度和輕量化的目的，并能同時保證汽車的碰撞安全性。高強度鋼以較高的性價比、成熟的設計和制造工藝，已成為車身輕量化材料的首選。在減重、節能、提高安全性、降低排放等方面展現出良好的應用前景和競爭力。

近年來，國內自主品牌乘用車高強鋼以及超高強鋼（含熱成形鋼）的應用比例持續增加，圖3展示了2012—2017年自主品牌典型車身用材情況（傳統燃油車）。從圖3可以看出，2012年高強鋼的比例不足50%，到2016年高強鋼比例已超過了60%，2017年達到了65%以上，達到或超過同級別合資品牌的高強鋼應用水平。相對于鎂鋁合金材料，高強鋼的成本、性能和技術成熟度優勢明顯，在可預見的未來，高強鋼將依然是車身的主要材料。

2.1.2 典型車型高強鋼應用

2.1.2.1 北汽集團——紳寶X55

北汽集團車身高強鋼應用比例已達55%以上，新開發車型已達到60%以上。圖4為北汽集團“紳寶X55”車型，其熱成形件用量達到11件，單車降重20kg以上，且實現了成本降低。熱成形材料是近年來北汽集團車身輕量化應用的重點材料，未來新車型上用量將進一步增加，單車用鋁將達20件以上，進一步實現車型輕量化。

2.1.2.2 奇瑞汽車——瑞虎7

奇瑞汽車股份有限公司（簡稱“奇瑞汽車”）車身高強度鋼應用比例已達55%以上，且高強鋼的強度級別越來越高。圖5是奇瑞汽車“瑞虎7”車型的高強鋼應用示意圖。車身通過高強鋼應用實現減重7.1kg，同時保證了符合中國新車評價規程（C—NCAP）五星水平。

2.1.2.3 長城汽車——哈弗H6

作為長城汽車乃至國內汽車市場的明星車型，哈弗H6一直以來都是行業關注的重點。該車型覆蓋件大量選用180MPa、220MPa烘烤硬化鋼取代傳統的低碳軟鋼，實現了10%以上的減重；防撞梁等安全件大量選用了590MPa、780MPa的雙相鋼鋼等先進高強度鋼；車門防撞梁選用了1200MPa以上的超高強度鋼。該車車身高強度鋼的應用比達到60%以上。高強度鋼的大量應用也確保了其達到整車安全C—NCAP五星要求。

2.1.2.4 東風汽車——風神AX4

風神AX4——作為一款以“90后”人群為目標用戶，定位時尚的小型SUV。風神AX4采用東風汽車代號為DF1平臺的設計，白車身重440.2kg，輕量化系數為3.65。車身除覆蓋件大量采用高強度鋼板，關鍵部位采用超高強度鋼板。高強度鋼/先進高強度鋼/超高強度鋼比例合計達到65%，具體用材分布見圖6。

2.2 鋁合金的應用

2.2.1 鋁合金應用趨勢

與國外和合資品牌相比，自主品牌在鋁合金車身技術上才剛剛起步，還存在明顯的差距。自主乘用車品牌大多已開展鋁合金應用技術的研究，部分已開始嘗試應用。

根據最新統計結果，北美的單車用鋁量已達到約158kg，約占9%，2015年達到10.4%，約179kg。國內乘用車用鋁量基本在7%～10%左右，與美國目前9%～10%的差距并不是非常明顯。隨著新能源汽車的發展，國內自主品牌的鋁合金用量未來將顯著提升，除典型的鋁合金擠壓型材（防撞梁）的批量應用之外，在新能源汽車的全鋁車身骨架、鋁合金沖壓汽車板、鋁合金減震塔等方面均實現了突破和批量應用。圖7為2018年北京車展各類車型的車身用鋁情況和售價。鋁合金輕質材料在新能源車中的應用比例較高，從A00級到C級車均有大量應用。其中，A00級車主要為框架式車身，白車身材料以鋁型材為主，外覆蓋件使用非金屬復合材料。傳統乘用車的鋁合金應用主要集中在中高端車型，自主品牌中端車型有部分應用鋁合金發蓋，外資高端車型采用鋁合金多材料車身，售價在40萬元以上。

2.2.2 典型車型鋁合金應用

2.2.2.1 奇瑞汽車“小螞蟻”鋁合金應用

奇瑞汽車“小螞蟻”通過鋁型材MIG焊接，形成車身主體框架。其擠壓型材主要選用空心材和心部增強結構，除了質量小、剛度高以外，耐腐蝕性能也非常優異。

相比于鋼制車身，采用框架式鋁合金車身可減重110kg，減重比例達40%。鋁型材的比例達66.9%，鋁板材占24.2%，其余為少量鑄鋁件和鈑金件。“小螞蟻”車身還采用了復雜斷面設計、高強度鋁鎂合金擠壓成型、3D空間精密彎曲、激光組合焊接等先進技術。車身骨架重94.4kg，扭轉剛度為13 000N·m/deg，輕量化系數做到3.1，并且具有良好的碰撞性能表現。

此外，“小螞蟻”創新應用了先進的、獨特的制造工藝，簡化了傳統沖、焊、涂、總4大流程，其制造流程如圖8所示。主機廠僅負責焊裝和總裝，減少了廠房建設和工裝投入。

2.2.2.2 鋁合金板材車身——蔚來ES8

蔚來ES8——是國內首款采用鋁合金板材的全鋁車身，如圖9所示，車身上鋁材的使用率高達96.4%，成為全球量產的全鋁車身中鋁材應用量比例最高的車型。其白車身質量335kg，扭轉剛度4 4140N·m/deg，白車身輕量化系數為2.02。

ES8白車身以鋁板材為主，減震塔和后縱梁為壓鑄鋁合金，橫梁和部分結構件采用鋁型材。另外，ES8的前端結構采用了鎂合金，其工藝為高壓鑄造，相對于鋁合金可減重30%左右。

2.3 塑料的應用

2.3.1 塑料件應用趨勢

塑料在汽車上的應用主要集中在外飾件和內飾件，隨著輕量化技術的進步，塑料件在車身上的應用開始出現并增長。20世紀90年代，塑料的單車用量在90～120kg之間，2005年達到了160kg，2015年達到了230kg。

車身塑料件的應用以增強復合材料為主，其中碳纖增強復合材料的占比較大，這是由于碳纖增強復合材料具有較好的強度、剛度、比模量和耐沖擊性。

2.3.2 塑料件在車身系統的典型應用

2.3.2.1 奇瑞“小螞蟻”車身外覆蓋件

2013年寶馬i3白車身率先采用了碳纖維增強復合材料，外覆蓋件使用了工程塑料。近幾年，隨著國內新能源汽車產業的發展以及輕量化的需求日益增強，越來越多的電動車應用了塑料外覆蓋件。圖10為奇瑞“小螞蟻”外覆蓋件，其外覆蓋件全部采用工程塑料，可實現輕量化40%。

車身外覆蓋件選材在傳統軟鋼的基礎上將向著塑料等輕質材料方向發展，除考慮零件輕量化外，前期模具等投入費用相對于傳統鋼制沖壓件也大幅降低。因此在一些小型新能源車上實現了批量應用，如北汽新能源Lite、東風E30、奇瑞小螞蟻等。

2.3.2.2 江淮汽車“瑞風S5”塑料前端模塊

塑料前端模塊在合資品牌中已得到廣泛應用，但在自主品牌中的應用相對滯后。傳統意義上的前端模塊通常由100多個散部件組成，重點涉及照明系統、發動機冷卻系統、減震裝置、空調冷凝器和空氣凈化器以及引擎蓋鎖緊裝置、軟管、接頭和部分線束等。目前，前端模塊主要以塑料材料為主，由零部件供應商供貨，主機廠進行裝配。

玻纖/長玻纖增強尼龍（PA）或者長玻纖增強聚丙烯纖維（LGF+PP）是近年來較受歡迎的前端模塊材料。一般通過模壓或者注塑成型得到成品。國內江淮汽車在其瑞風S5車型上采用了長玻纖增強PP前端模塊，實現減重50%。此外，北汽、奇瑞、長安等車企均在新車型實現了塑料前端模塊的研發和量產。

2.3.2.3 東風汽車“AX4”塑料后尾門

后尾門是SUV或兩廂轎車尾部后背上的車門，是最重要的外覆蓋件之一，也是影響整車外觀質量的關鍵零件。后尾門一般由經冷沖壓而成的外板件和內板件再經過包邊壓合工藝連接一體。由于產品特點，其外形輪廓多不規則，制作工藝復雜。后尾門外板一般需要具有一定的剛度和強度，較高的成形性，較高的抗凹性能以及良好的外觀表面。

近年來，全塑尾門成為新的流行趨勢。內板一般使用LGF+PP，外板和擾流板使用PP或者聚烯烴熱塑性彈性體（TPO），全部使用注塑工藝成型，然后涂膠進行裝配。圖11為東風AX4的塑料后尾門，其采用塑料后背面替代鋼制件，實現輕量化19.5%。

此外，國內北汽、吉利、長安、宇通、奇瑞、長城等國內自主品牌車企也紛紛開發了塑料后尾門。

2.3.2.4 江淮汽車“S3”塑料后防撞梁

由于市場認知度和接受度，纖維增強塑料的防撞梁在前保橫梁中應用較少，但在后保橫梁上已有一定的應用。歐、美、日、韓等汽車工業發達的國家和地區已大量應用熱塑性復合材料制造汽車前/后防撞梁，如現代的“悅動”、大眾的“高爾夫”等車型均采用了玻璃纖維增強熱塑性塑料（GMT）的后保險杠橫梁。

目前，國內自主品牌車企還沒有開始大量的應用，但相關的研究和開發工作已大量展開。江淮瑞風S3的后橫梁已實現了復合材料批量應用，如圖12所示，相比于鋼制零件，可減重0.9kg，輕量化28%，并可保持成本不上升。另外，奇瑞、上汽、吉利等自主品牌車企也開展了碳纖維增強復合材料保險杠橫梁的開發。

3 乘用車車身用材發展趨勢

由于國內現有階段油耗法規不能有效地引導車輛小型化和輕量化的趨勢，同時國產乘用車的產品結構與品牌力不足，導致輕量化技術的推廣應用受到很大的制約。國產乘用車的產品與品牌處于低價區，因此對成本的增加相對敏感。燃油車的輕量化尚需油耗法規體系的進一步推動，第四五階段油耗實施后將具有更大的驅動力[9]。

基于上述現實原因，國產乘用車車身輕量化用材的趨勢可以總結為以下幾點：

3.1 傳統燃油車車身：以鋼為主多材料混合的技術路線

“以鋼為主，多材料混合”仍是燃油車輕量化的主流技術路線。由于鋼鐵材料在強度、塑性、抗沖擊能力、回收使用及低成本方面具有綜合的優越性，其在汽車材料中的主導地位仍是不可動搖的，尤其是高強度鋼和超高強度鋼的應用還將有較大的增長空間。電動化、智能化、共享化成為汽車行業的新的趨勢，但正如大眾汽車總裁所說，汽車行業也面臨低成本化的制約。

3.2 開發以滿足新能源汽車特點的輕量化車身材料技術路線

發展新能源汽車是我國從汽車大國走向汽車強國的必由之路，是我國汽車工業由大到強的唯一出路。而目前新能源汽車對于輕量化的需求最為迫切，在現有電池材料技術難有實質性突破的情況下，輕量化成為新能源汽車的迫切需求，輕量化有望成為我國輕量化技術應用推廣的突破口。此外，新能源汽車對成本相對不敏感，新能源汽車的產量相對較低，一些輕量化方案對于低產量的車型具有成本優勢，且技術風險小。因而，可以通過新能源汽車的應用，積累經驗，降低應用成本，再向傳統乘用車上轉移。

國內輕量化的突破在于新能源汽車，通過提高技術的成熟度、規模化帶來的低成本化，會進一步推動燃油車的輕量化。

參考文獻

[1] 李軍，陳云霞，孫衛健，等.乘用車輕量化評價方法研究[J].汽車工藝與材料，2014，（9）：1-5.

[2] 2013中國輕量化車身會議[C].武漢：汽車輕量化技術創新戰略聯盟，2013.

[3] 2014中國輕量化車身會議[C].上海：汽車輕量化技術創新戰略聯盟，2014.

[4] 2015中國輕量化車身會議[C].重慶：汽車輕量化技術創新戰略聯盟，2015.

[5] 2016中國輕量化車身會議[C].上海：汽車輕量化技術創新戰略聯盟，2016.

[6] 2017中國輕量化車身會議[C].上海：汽車輕量化技術創新戰略聯盟，2017.

[7] 中國汽車工程學會，中國汽車輕量化技術創新戰略聯盟，中國第一汽車股份有限公司技術中心.中國汽車輕量化發展——戰略與路徑[M].北京：北京理工大學出版社，2015.

[8] 李軍，路洪洲，易紅亮，等.乘用車輕量化及微合金化鋼板的應用[M].北京：北京理工大學出版社，2013.

[9] 2016中國乘用車燃料消耗量發展年度報告[R].能源與交通創新中心，2017.