基于ECB 的車身輕量化材料應用趨勢

呂奉陽，羅培鋒，陳東

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

歐洲車身會議（EuroCarBody），簡稱ECB，每年10 月在德國小鎮巴特瑙海姆舉行，至2018 年已經舉辦20 屆。ECB以汽車輕量化為主題，是車身領域的頂級峰會，代表著全球汽車車身發展趨勢。每年的ECB 參展車身，展示了白車身最新設計理念和輕量化技術應用成果，反映了車身發展的最新水平，已成為車身發展的風向標[1]。通過對歷年車身材料應用的統計分析，可以看出車身輕量化材料的應用趨勢，從而為新開發車型車身材料選擇提供參考依據。

1 輕量化理論介紹

1.1 車身輕量化系數

車身輕量化系數是目前被行業普遍接受的評價車身輕量化水平的一個重要指標。車身輕量化系數考慮了車身質量水平、車身扭轉剛度、車身尺寸大小，對白車身結構優化設計及輕量化材料的合理選用有重要意義[2]。

車身輕量化系數的定義如下：

式中，L 為輕量化系數；MBIW為白車身質量；CT為白車身靜態扭轉剛度；A 為白車身正投影面積，由整車軸距與輪距相乘得到。

輕量化系數越小，說明輕量化技術水平越高。

2018 年ECB 車身的輕量化系數如圖1 所示。2009-2018年ECB 車身輕量化系數變化曲線如圖2 所示。

圖1 2018 年ECB 車身輕量化系數

圖2 ECB 車身輕量化系數變化曲線（2009-2018）

1.2 車身輕量化途徑

目前車身輕量化技術的主要思路是：在兼顧車身性能和成本的前提下，采用輕質材料、新工藝及結構優化設計，盡可能地降低車身重量，以達到減重、降耗、環保、安全的綜合指標[3]。車身輕量化途徑包括：結構設計優化、輕質材料替代、先進制造工藝[4]。

結構設計優化是車身輕量化的重要途徑，是車身輕量化基礎和前提，通過輕量化設計使材料、最優的結構形狀和尺寸用在車身結構合適的位置，使每部分材料都能發揮出最大的承載或吸能作用，可以提高材料利用率。

輕質材料是指可用來降低零部件重量的材料，主要包括兩大類：一類是高強度材料，如先進高強鋼、超高強鋼、熱成型鋼等，一類是低密度的輕質材料，如鋁合金、鎂合金、碳纖維增強復合材料等。

先進制造工藝是指為了滿足輕量化材料應用以及實現零件集成化設計所采用的工藝技術，包括先進成型工藝和先進連接工藝。先進成型工藝有熱沖壓成型、輥壓成型、液壓成型、微發泡成型、半固態成型、激光拼焊、柔性軋制等。先進連接工藝有：鋁電阻點焊、自沖鉚接、TOX 無鉚連接、結構膠粘接、攪拌摩擦焊、激光螺旋焊等。

2 ECB 車身材料應用分析

2.1 ECB 車身分類

根據車身材料構成，可以將ECB 車身分為四類：鋼制車身、鋁制車身、鋼鋁混合車身、多材料復合車身。通過對2009-2018 年108 個ECB 車身進行分類統計，各類車身數量統計結果如圖3 所示，各類車身數量的歷年變化曲線如圖4所示。

圖3 ECB 車身種類統計（2009-2018）

圖4 2009-2018 年ECB 車身種類歷年變化曲線

從統計結果可以看出，鋁制車身應用較少，鋼制車身應用呈現逐年下降趨勢，鋼鋁混合車身及多材料復合車身呈現波動式增長趨勢。

2.2 ECB 車身材料應用現狀

通過對ECB 車身材料進行分類統計，鋼材、鋁合金及其他材料的應用比例如圖5 所示，從統計結果可以看出，鋼材應用比例超過75%，是最主要的車身材料，鋁合金應用比例接近20%，僅次于鋼材，是第二大車身材料，其他材料應用比例不足5%。

圖5 ECB 車身材料統計（2009-2018）

車身材料歷年應用比例曲線如圖6 所示，鋼材與鋁合金材料應用比例關系曲線是一種此消彼長的交替變化曲線，同一年份鋼材應用比例的上升將導致鋁合金應用比例下降，鋼材應用比例下降則對應鋁合金應用比例上升。鋼材及鋁合金應用比例的波動變化，說明了車身輕量化設計不再以單獨追求減重為目標，反映了市場環境與車身性能、成本之間的動態平衡。

圖6 ECB 車身材料歷年應用比例曲線

3 輕量化材料應用現狀

3.1 高強鋼應用現狀

3.1.1 高強鋼分類

根據強度等級對鋼材進行分類，目前沒有統一的分類標準。世界鋼鐵協會按屈服強度將鋼材分為：普通鋼、高強度鋼、超高強度鋼。屈服強度小于210MPa 的稱為普通鋼；屈服強度在210～550MPa 之間的稱為高強度鋼；屈服強度超過550MPa 的稱為超高強度鋼。日系車型按鋼的抗拉強度分類，將抗拉強度不低于340MPa 的冷軋鋼板和抗拉強度不低于490MPa 的熱軋鋼板統稱為高強度鋼板。歐美系車型按鋼的屈服強度分類：屈服強度高于180MPa（含180MPa），低于300MPa 的為高強度鋼；屈服強度高于300MPa（含300MPa），低于600MPa 的為先進高強度鋼；屈服強度高于600MPa（含600MPa）的為超高強度鋼。歐洲車身會議將鋼材分為軟鋼（LSS）、高強度鋼（HSS）、先進高強度鋼（AHSS）、超高強度鋼（UHSS）和熱成型鋼（PHS）。國內一般將高強度鋼分為傳統高強度鋼和先進高強度鋼。

為了方便車身鋼材的應用統計，結合國內分類及歐洲車身會議分類，將鋼材分為軟鋼、普通高強鋼和先進高強鋼三類。軟鋼主要包括低碳鋼（Mild）、無間隙原子鋼（IF）等。普通高強鋼主要包括烘烤硬化鋼（BH）、各向同性鋼（IS）、高擴孔鋼（HE）、加磷高強鋼（P）、高強度無間隙原子鋼（HSIF）、低合金高強度鋼（HSLA）、碳錳鋼（CMn）等。先進高強鋼主要包括雙相鋼（DP）、相變誘導塑性鋼（TRIP）、馬氏體鋼（MS）、復相鋼（CP）、孿晶誘導塑性鋼（TWIP）、淬火延性鋼（Q&P）、熱成型鋼（PHS）等。

3.1.2 高強鋼在車身上的應用

高強鋼主要應用在車身結構加強件上，包括前縱梁、后縱梁、門檻梁、A 柱、B 柱、前后防撞梁、車門防撞梁、前圍橫梁、地板橫梁、頂蓋橫梁、中央通道等[5]。

Volvo V60（ECB2018）采用鋼鋁混合車身，高強鋼應用比例高達63.8%，其中熱成型鋼應用比例為24.6%，熱成型鋼應用零件包含A 柱、B 柱、門檻、縱梁、橫梁等，如圖7所示。

圖7 Volvo V60 車身熱成型鋼應用

3.2 鋁合金應用現狀

3.2.1 鋁合金分類

按化學成分分類，鋁合金可分為1-9 系鋁合金。鋁合金命名一般由4 位數字加上基礎狀態代號構成。首位數字代表主要合金元素代號。鋁合金牌號含義如表1 所示。

根據合金元素和加工工藝特性，可將鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。變形鋁合金包括板材、箔材、擠壓材、鍛件等，一般在汽車上主要用于制造車門、發動機罩、行李箱蓋等車身覆蓋件以及前后防撞梁、門檻、車身框架等結構件。鑄造鋁合金具備優良的鑄造性能，可以根據使用目的、零件形狀、尺寸精度、質量標準、機械性能、成本目標等要求選擇適合的鋁合金材料和鑄造方法，主要用于制造發動機缸體、變速器殼體、離合器殼體、轉向器殼體、車輪、減震塔座等。

表1 鋁合金牌號含義

3.2.2 鋁合金在車身上的應用

圖8 Jaguar I-PACE 車身鋁合金應用

車身用鋁合金一般分為鋁合金板材、擠壓鋁合金和鑄造鋁合金三類。鋁合金板材主要用于車身外覆蓋件。擠壓鋁合金主要用于前后防撞梁、門檻梁、縱梁、橫梁等斷面規則的簡單結構件。鑄造鋁合金主要用于功能集成的復雜結構件。

Jaguar I-PACE（ECB2018）采用多材料復合車身，鋁合金應用比例高達84%，其中鋁合金板材54.3%，擠壓鋁合金14.1%，鑄造鋁合金15.6%。鋁合金應用范圍如圖8 所示，其中鋁合金板材應用零件有發動機罩、后背門、前后車門、前翼子板等；擠壓鋁合金應用零件有前防撞梁、門檻梁、后防撞梁吸能盒等；鑄造鋁合金應用零件有前后減震塔座等。

3.3 復合材料應用現狀

3.3.1 復合材料分類

復合材料分為熱固性樹脂基復合材料、熱塑性樹脂基復合材料、碳纖維增強復合材料、天然纖維增強復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料等[6]。其中熱固性樹脂基復合材料、熱塑性樹脂基復合材料和碳纖維增強復合材料在車身結構中應用較多。

熱固性樹脂基復合材料是以熱固性樹脂為基體，以玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強材料制成的復合材料。按成型工藝，可分為片狀模塑料（SMC）、團狀模塑料（BMC）、樹脂傳遞模塑（RTM）、增強反應注射成型（RRIM）、結構反應注射成型（SRIM）等。熱塑性樹脂基復合材料是以熱塑性樹脂為基體，以玻璃纖維、織物纖維及其他充填物為增強材料的復合材料。主要有玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料（GMT）、長纖維增強熱塑性復合材料（LFT）等。碳纖維增強復合材料（CFRP）是以碳纖維或碳纖維織物為增強體，以樹脂、陶瓷、金屬、水泥、碳質或橡膠等為基體所形成的復合材料。

3.3.2 復合材料在車身上的應用

圖9 BMW 7 Series 車身碳纖維增強復合材料應用

車身中應用的復合材料主要有SMC、GMT、LFT、CFRP等。SMC 是一種干法制造不飽和聚酯玻璃鋼制品的模塑料，主要原料由專用紗、不飽和樹脂、低收縮添加劑，填料及各種助劑組成。SMC 主要用于翼子板、發動機罩、后背門、頂蓋、備胎倉等。GMT 是一種以熱塑性樹脂為基體，以玻璃纖維氈為增強骨架的復合材料[7]。由于GMT 材料具有沖擊韌性好、重量輕、生產效率高、加工成本低、可再生利用等優點，能夠取代部分鋼材和鋁材。主要應用于前端模塊、后防撞梁、車門內板等零件。LFT 即長纖維增強熱塑性復合材料，主要應用于前端模塊、備胎倉、車身地板等。CFRP 即碳纖維增強復合材料，具有較高的比強度、比剛性，減重效果明顯，在高端及小批量生產車身結構中的應用較多[8]。BMW 7 Series（ECB2015）采用碳纖維內核車身結構，應用了16 個碳纖維增強復合材料零件，如圖9 所示。

4 車身輕量化材料應用趨勢

4.1 高強鋼應用趨勢

車身的輕量化，要求車身所采用的鋼材等材料必須自重輕、強度高。高強鋼的應用是汽車輕量化及節能減排的必然趨勢。通過統計2009-2018 年ECB 車身材料應用情況，可以看出鋼材特別是高強鋼在相當長的時間內仍將是車身最主要的原材料。2009-2018 年ECB 車身鋼材應用變化曲線如圖10所示，軟鋼及普通高強鋼應用比例呈現波動下降趨勢，先進高強鋼的應用比例呈現波動上升趨勢。

由于整車成本和研發效率等因素的限制，同時考慮高強鋼長期積累的制造技術優勢、成熟的成形經驗和優異的性價比，決定當前階段車身輕量化技術的主要方向是先進高強鋼的開發和應用[9]。

圖10 ECB 車身鋼材應用變化曲線（2009-2018）

4.2 鋁合金應用趨勢

2009-2018 年ECB 車身鋁合金材料應用變化曲線如圖11所示。鋁合金目前已成為僅次于鋼材的第二大車身材料。應用鋁合金的目的是為了降低新能源應用帶來的整車重量的增加。與鋼材相比，鋁合金具有密度小、耐腐蝕性好、加工成形性好、比強度和比剛度較高、回收利用率高等優點，可以降低產品能耗、減少污染、提高燃料的經濟性[10]。

圖11 ECB 車身鋁合金應用變化曲線（2009-2018）

1994 年第一代奧迪A8 和2002 年第二代奧迪A8 均采用全鋁車身，2010 年第三代奧迪A8 鋁合金比例為93.1%，2017年最新一代奧迪A8 鋁合金比例則降低至65.3%。2009-2018年的ECB 車身中僅有一款全鋁車身，全鋁車身不是車身材料應用的主流方向。

在鋼鋁混合車身和多材料復合車身中，鋁合金應用比例從1.2%-95%不等。中低端車型，鋁合金應用比例較少，隨著車型價位的升高，鋁合金應用比例逐步增加。從車身應用部位分析，鋁合金板材從發動機罩開始，逐步擴展到車身覆蓋件；擠壓鋁合金從前后防撞梁開始，逐步擴展到車身架構件；鑄造鋁合金從前后減震塔座開始，逐步擴展到集成式結構。

4.3 復合材料應用趨勢

ECB 車身中多材料復合車身數量最多，占比最大，說明多材料復合車身是未來車身發展的方向。ECB 車身中復合材料總體占比不足5%，應用比例偏低，說明復合材料在車身中的應用仍有很大的發展潛力。復合材料應用比例大于10%的ECB 車身全部是高端及小批量生產車型，如圖12 所示，說明成本和產能是制約復合材料應用的主要因素。復合材料的應用主要由新能源汽車產業的發展和車身輕量化需求驅動，隨著復合材料技術水平的提高、大批量供貨能力的提升和成本的降低，復合材料在車身上的應用將從高端車型向中低端車型擴展。

圖12 復合材料應用比例高的ECB 車身（2009-2018）

5 結論

通過對ECB 車身材料進行分類統計，當前車身輕量化材 料以高強鋼、鋁合金和復合材料為主。多材料復合車身是未來車身的發展方向，車身輕量化材料向多元化發展，材料選擇更加強調合適的材料用在合適的部位。高強鋼和鋁合金在車身輕量化材料中占比最大，是目前最主要的輕量化材料解決方案，兩者的關系隨著市場波動呈現出一種此消彼長的交替變化關系。復合材料在高端小批量車型中應用較多，在中低端和大批量生產車型中應用較少，成本和產能是制約復合材料從高端車型向中低端車型擴展的主要因素。隨著技術水平的提高，復合材料在車身中的應用有很大的發展潛力。