近5年中國汽車輕量化進展探究

王小蘭

（閩南師范大學 物理與信息工程學院，漳州市363000）

主題詞：汽車輕量化 結構優化設計 材料 制造工藝

1 引言

21 世紀汽車制造業呈現電動化、網聯化、智能化和共享化的發展趨勢，在此大背景下，汽車輕量化是實現汽車四化的重要戰略舉措之一，包括支持汽車輕量化的各系統模塊化、集成化發展的戰略舉措的落地。汽車輕量化就是在保證汽車強度和安全性能前提下，降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，實現節能減排的目的。根據美國鋁業協會的數據顯示，汽車減重10%就可以減少3.3%的油耗，柴油車減重10%則可以減少3.9%的油耗[1]。汽車輕量化有利于主動安全，可有效增加操作穩定性，縮短制動距離；減重10%，制動距離可減少5%，轉向力減少6%[1]。汽車制造業是國民經濟的支柱產業，我國是汽車產銷第一大國，隨著能源短缺和環境污染問題的凸顯，汽車輕量化更顯重要。近5年汽車輕量化主要體現在滿足汽車產品性能和必要的成本控制下，通過計算機硬件和軟件，借助大數據、云計算做好輕量化設計、輕量化材料和輕量化工藝，實現汽車產品高性能下的輕量化和節能減排。

2 汽車輕量化技術日漸完善

2.1 實現汽車輕量化的3種途徑

汽車輕量化的實現途徑包括材料應用輕量化、結構設計輕量化和制造工藝輕量化（圖1），而每個領域的輕量化發展都已經演化成多項技術的支撐，近年來這種演化速度在加快。

圖1 汽車輕量化實現途徑

2.2 輕量化優化設計理念和設計方法發生巨大改變

不談性能的輕量化難有說服力，傳統的設計和基于上代車型的結構優化設計理念已難有突破，在此情況下，應用CAD/CAM/CAE 一體化技術，用SFE CONCEPT參數化設計軟件建立相應的3D模型與有限元模型，并創新設計、計算和測試方法，依托大數據、云計算及互聯網創建平臺，進行相應的分析模擬代替實車試驗，注重系統化、模塊化、集成化、一體化設計，綜合考慮汽車的結構、尺寸優化及靜態、動態特性，考慮多種材料混合和拼接，根據力學結構性能要求考慮漸變厚度設計、中空設計，提升整車剛度性能，減輕質量，壓縮空間，優化開發流程，縮短開發周期。可見汽車輕量化要做好結構模塊化集成化、連接方式輕量化、有限元輔助設計輕量化、系統輕量化、材料輕量化5個方面的工作[2]，目前輕量化優化設計已是多學科、多目標、多工況的優化設計，圖2為采用多材料車身地板設計的方案。

圖2 多材料車身地板設計方案

2.3 汽車輕量化技術成為世界汽車科技創新研究熱點

汽車輕量化技術主要包括輕量化結構優化技術、制造工藝技術和材料技術，以輕量化結構優化技術創新最為活躍，輕量化材料研發和應用及適應新材料的制造加工新工藝及裝配工藝也取得非凡的成績，材料的環保回收再利用等技術也同時展開。據統計，2016年輕量化技術相關專利國內公開量累計2 636 件，比2015 年的1 950 件增加了686 件，輕量化結構優化相關專利公開量為1 669件，占當年3類輕量化技術專利的63%，輕量化材料技術和制造工藝技術相關專利分別為218件和290件[1]。汽車科研人員數量、科研項目數量和科研總經費、科技成果獎屢創新高，2016 年比亞迪和合肥工業大學汽車專利強度國內領先，2016以來我國發動機輕量化不斷創新，長城旗下自主研發的高性能輕質的4N20系列發動機整機質量比上一代機型降低10%。動力電池是新能源車的核心，主要在電池材料上的創新，包括正負極材料、隔膜材料和電解液等進展較大，現在純電動乘用車整車能耗、輕量化、智能化水平處于世界上游，燃料電池質量儲氫率和體積儲氫率等研究都有長足發展。

3 汽車結構輕量化研究及應用全面展開

汽車結構輕量化，就是根據社會、經濟、環境等要求，通過各種技術手段，在保證汽車性能的前提下，減輕整個結構及各個零部件總成的質量，以實現汽車質量的降低。結構輕量化包括車身輕量化、底盤輕量化、動力系統輕量化、內外飾、空調等輕量化，以及底盤動力系統一體化、電動汽車全新架構一體化、新能源汽車專有系統開發等舉措。汽車減重以車身減重最有成效，使用承載式結構有利于減重，車身減重降低了底盤承載，底盤又可以進一步減重，動力系統就可以小型化，進而可以減小油箱容積和電池數量。汽車發動機質量僅次于車身，因此組件模塊化和關鍵零件結構優化至關重要，如直噴增壓使得發動機小型化，曲軸減少扇板數量及減小扇板寬度，金屬傳動鏈改為塑料齒形帶等。對于傳統乘用車來說，白車身質量占整車重約1/3，因此車身輕量化至關重要，愛馳汽車U5車身輕量化系數為2.29，采用“上鋼下鋁”結構設計[3]，特別是銷量最大的中等價位乘用車的承重式車身研究成果最多。電動汽車的電池和車身占整車重的80%，因此電池和車身減重更有成效，單電池厚度降低，單電池數量減少，體積小型化后，燃料電池動力系統實現了水平安裝，呈現高度的集成化發展趨勢。另外，在零部件輕量化方面，車身結構優化設計在確定主要性能參數后就可以應用先進技術，進行斷面尺寸優化、鈑金厚度優化，去除冗余材料，使車身零部件精簡化、小型化、薄壁化、中空化和復合化。

4 汽車輕量化進程略有曲折，但總體向前

中國工信部發布2016 年國內乘用車（含新能源車，不含出口乘用車）平均整備質量為1 410 kg，平均油耗為6.39 L/100 km；2017年平均整備質量為1 438 kg，平均油耗為6.05 L/100 km；2018 年平均整備質量為1 456 kg，平均油耗已達5.80 L/100 km；而2019年平均整備質量為1 480 kg，平均油耗已達5.56 L/100 km，與國家規劃的2020 年達到5.0 L/100 km 還有小段距離[4]。21 世紀以來全球汽車平均整備質量隨著舒適度要求的提高及智能附件的增加而增加，中國2009年乘用車的平均整備質量為1 227 kg，2012 年上升到1 295 kg，年均遞增約1.8%，之后由于2013 年SUV 車的熱銷，又有明顯增加，隨著節能減排法規的嚴格及高強度鋼及塑料等新材料的研發采用及結構優化和工藝改進又有所下降，預計到2020年全球乘用車平均整備質量將降至1 600 kg左右，北汽對外發布至2020年北汽集團所有新開發車型平均整備質量降低10%以上。隨著補貼政策和嚴控排污雙管齊下，2016年新上市的微型、小型、緊湊型車和新能源車日漸增多，2016 年納入免征購置稅新能源乘用車平均整備質量為1 205 kg，動力蓄電池組平均總質量263 kg。以純電動汽車為主導的新能源汽車市場份額越來越大，新能源汽車由于電池儲能導致其普遍比同類汽車重，減少電池數量及減小電池體積勢在必行，近十年，通過選擇高鎳三元新材料，加大開發固態鋰電池系統，動力電池性能取得了一定突破，電池模塊化成組使得動力電池裝車容量減少，解決了早期為了續駛能力而帶來的純電動車以犧牲減重為代價的輕量化反彈，電機、減速器、逆變器等集成化日漸完善，純電動車底盤和動力系統實現一體化設計，第3代電驅動系統比第2代減重約15%，并不斷被改寫。隨著碳化硅技術的突破，國內電機及電機控制器、減速器、逆變器將實現整體集成化。電動汽車車型逐步由傳統車型轉變為全新開發，并創新應用鋁合金擠壓件、沖壓件和鑄件。此外，隨著電子化和智能化研究的深入，部分車型傳統的笨重的傳動系統將部分或全部電子化，如2017年3月大眾發布完全自動駕駛概念車，車內取消了轉向盤、加速踏板、制動踏板。可見近5年國內乘用車因電子產品、智能化車載系統的增多導致整車總質量略有上升，但因發動機、電池等性能提高，油耗反而下降，品質得到提升。

5 汽車輕量化材料研究及應用不斷刷新紀錄

5.1 汽車輕量化材料

輕量化材料是最為主要的輕量化技術，汽車輕量化材料主要包括高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金等金屬材料及工程塑料、非金屬復合材料、混合材料等，較新研發的有鋼鋁組合混合材料、鋼鋁及碳纖維增強復合材料（CFRP）。此外性能優良的鈦合金加工工藝改善，價格降低，使用量增加；吸能減振、隔熱抗壓縮的金屬泡沫和泡沫塑料，可降解的生物塑料及玻璃鋼復合材料的研究應用也越來越多。

5.2 汽車輕量化材料仍以鋼鐵材料為主

我國自主品牌汽車車身用仍以鋼鐵材料為主，主要有合金結構鋼和高強度鋼2類，根據2015年和2016年中國輕量化車身會議資料，以10個自主品牌乘用車車身為例，其中4個為全鋼車身，鋼含量超95%，1個鋁合金為主材，在6個非全鋼車身中，4個采用鋁合金，含量分別為85%、2%、1.7%和1.2%。10 個車型的車身均未使用鎂合金。10 個自主品牌乘用車白車身高強度鋼（含傳統高強鋼、先進高強鋼、超高強鋼、熱成形鋼）的平均用量約為56%，其中傳統高強鋼約33.6%，先進高強鋼19.09%，超高強鋼1.62%，熱成形鋼6.72%[5]。近3 年低強度鋼和鑄鐵用量已大幅度減少，高強度鋼和超高強度鋼及高性能彈簧鋼和高性能齒輪鋼用量迅速地提高。汽車用鋼已發展到第3代先進高強度鋼，第3代先進高強度鋼基本為馬氏體基的相變誘發塑性鋼，國產白車身的軟鋼用量為26%，雙相鋼或復相鋼用量為34%,高強度低合金鋼用量24%，烘烤硬化鋼用量9%，熱成型鋼和馬氏體基鋼用量7%。目前我國第3代汽車用高強度鋼的研究處于世界前列，懸架系統中的彈簧鋼還不如國外，后橋齒輪用鋼也尚待提升。

5.3 汽車輕量化材料少不了鋁合金

鋁是最早的汽車用輕量化材料，鋁合金密度是鋼的1/3，比吸能是鋼的2 倍，延展性好、易成形加工，耐腐蝕易回收，鑄造性能好，形式包括板材、型材、管材及高性能鑄鋁等，目前主要是鋁鑄件，占所有鋁制品的80%左右，鋁基復合材料制造的活塞相較于鑄鐵活塞減輕10%,輕型車和中型車使用鋁合金輪轂比傳統鋼質輕30%～40%[6]。目前國內車用鋁合金主要集中在動力系統殼體、防撞梁、底盤轉向節等，累計約153 kg，與我國制定的汽車技術路線圖中2020 年的190 kg 相比還有較大提升空間。卡車車架橫梁采用鋁合金可比高強度鋼輕25%，車身用的鋁合金主要有2系、5系、6系和7系，5系強度近似低碳鋼板，成形性好，用于內板等復雜形狀的部位，6系綜合性能好可用于車身內外板，奇瑞全鋁車身的小螞蟻車型減重19%，國內部分廂式車鋁合金型材使用率可達到60%以上，貨箱減重率超過30%[5]。鋁制品廢品回收再利用高達90%，有利于環保，但生產上尚缺大型的擠壓鑄造設備，橫梁等大型擠壓鑄造零件無法國產化，且鋁合金牌號眾多，不利于大批量專業生產和降低成本，加上鋁合金不易焊接，汽車鋁合金總體使用量不如國外產品，目前鋁合金代替鋼板材料并沒有成功，但鋼鋁混合是發展趨勢。

5.4 汽車輕量化且環保材料應重視鎂合金的使用

鎂能在鋁減重基礎上再減輕15%～20%，鎂合金是目前質量最輕的金屬結構材料，比強度高，比剛度大，耐沖擊，無生物毒性可重復利用且加工、鑄造性能好，我國鎂陸地資源居世界第一，鎂合金用于汽車上起步較晚，車用鎂以年均20%的速度增長，目前鎂合金主要制造底盤、車身、轉向盤、座椅框架、車輪等大面積結構件和一些薄壁件。奇瑞EQ1 車身采用高強度鎂鋁合金，用鎂合金替代鋼結構前車身，質量降低58.6%,由于鎂合金具有良好的壓鑄成型性能可壓鑄薄壁件和結構復雜件，替代部分的零件可以由原來的89個降為50個，且簡化了車身制造工藝。但我國目前是鎂礦產豐富，而鎂合金制造的產品較少，整車鎂合金使用量僅2 kg左右，與目前歐美車均5 kg有一定差距，與路線圖中2020年的15 kg目標還有較大距離。限制它發展的主要原因是鎂的化學性質活潑，抗蠕變能力和高溫疲勞性能差，需要專業的鎂合金壓鑄機和熔爐，無自成體系的壓鑄鎂合金，壓鑄技術有待提高，價格比鋁合金高約20%。應加大鎂合金的研發，以代替鋼鐵和鋁合金，是汽車材料輕量化的重要措施之一。

5.5 汽車輕量化非金屬材料種類繁多，井噴式發展

現代汽車用的非金屬材料主要有橡膠、陶瓷、玻璃、塑料和膠粘劑等，橡膠有天然橡膠和人工橡膠，用于制作輪胎、膠管、減振塊等。陶瓷按性能和應用可分為工程陶瓷和功能陶瓷，工程陶瓷可用于火花塞、缸蓋底板、活塞頂等，功能陶瓷按功用可分為導電、壓電、光學等，可用于電子儀器超聲檢測儀器等。玻璃除了制作風窗和車門窗等起開闊視野作用的，還可以制作有特殊作用的減速玻璃、吸熱玻璃、防霜玻璃等，現有安全玻璃、夾層玻璃、鋼化玻璃和區域鋼化玻璃等。當今汽車塑料用量與鋁合金相當，是鋼鐵用量的1/6，并不斷增長，短短幾年汽車塑料用量由8%增長到20%，汽車常用塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、ABS樹脂、聚甲醛等。工程塑料不僅限于內外飾件，還可以制造功能和結構件。目前，油箱、水箱、發動機蓋防撞系統、安全氣囊等越來越多地采用塑料。各種高性能聚丙烯與天然纖維復合的質輕、環保、可回收汽車新材料廣泛用于保險桿、儀表盤、空調系統等，增長速度迅猛。膠粘劑種類繁多，有天然膠粘劑和合成膠粘劑，汽車常用的有環氧樹脂和酚醛樹脂，用來膠接離合器摩擦片、修補缸體和蓄電池等。

5.6 復合材料、混合材料不容小覷

復合材料在汽車上主要有樹脂基（也稱為纖維增強塑料）、金屬基和陶瓷基，這類材料質輕有彈性。樹脂基較為典型的有玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼）和碳纖維增強塑料，金屬基主要有鋁、鎂、銅、鎳等。具有優良力學性能的纖維增強復合材料是汽車輕量化新材料研究的熱點，一般密度是普通鋼的1/4～1/5，鋁合金的1/3，低成本碳纖維增強樹脂基復合材料和天然纖維增強樹脂基復合材料將是推動汽車產業升級換代的重要材料，用它制造車門、車窗、車輪等業已出現，第4代塑料尾門采用集成化結構設計，相對于金屬門，減重比例高達26%，碳纖維增強塑料性能普遍優于玻璃鋼，可制作車身、尾翼、底盤、發動機罩等，碳纖維發動機罩可使發動機減重6 kg以上[7]。高密度聚乙烯制造的油箱比鋼制油箱減重4 kg，有望開發出“以塑代鋼”全塑車型。采用樹脂基復合材料可大幅減重，特別是碳纖維增強塑料減重效果最佳，最高可減重70%，近幾年玻璃鋼在載貨車上的應用也取得了突破，以塑代鋼和單一塑料是未來汽車輕量化發展的亮點。河南冰熊等專業冷藏車箱體采用FRP 內外板內夾PU 泡沫混合材料。部分零部件及車身采用鋁、鎂、碳纖維增強材料甚至織物在內的輕量化混合材料，國內奇瑞大部分車身用高強度鎂鋁合金較傳統汽車減重40%，同時剛度提高60%以上，鋁鎂型材電池箱體減重明顯[8]。有關研究表明某款車型采用最優的碳纖維復合材料防撞梁結構質量為0.825 kg，而鋼制防撞梁結構質量為2.321 kg，輕量效果達到64.5%，同時吸能比也增加了[9]，如圖3所示。

圖3 優化前后防撞梁吸能量對比[9]

6 汽車輕量化制造工藝和裝配方法使輕量化落到實處

對于強度高、塑性差和形狀復雜等難成形的超高強度鋼采用熱沖壓成形新工藝，輔以熱處理工藝，得到最佳力學性能的目標零部件。如用液壓成形制造進氣歧管、排氣歧管、催化器轉換器等管件，以及液壓擠脹成形沖壓+焊接，包括車架縱梁、副車架、后橋車架等，均可提高性能，減少加工難度，降低質量。軋制差厚板通過產品定制實現減重，激光拼焊技術在汽車車身上的應用，包括拼焊板板材、沖壓成形、激光三維切割、激光焊接分總成、總裝白車身零部件加工及總成和在線檢測，可節省樣車和模具、夾具的費用，生產周期縮短，白車車身質量減少20%，同時焊點數量減少，白車身剛度、強度顯著提高[10]。據統計，一輛車的車身和底盤由300 多個零件組成，采用激光拼焊技術可使零件數量減少66%，材料利用率大大提高，一輛中型車可減輕9 kg。上世紀40 年代就廣泛用于汽車圓管毛坯的液壓成形技術進一步發展、深入，利用液壓成形技術制造傳動軸、排氣管、凸輪軸等薄壁結構件，同樣可以減少模具投入和縮短制造時間，減少焊接部位數量，提高密封性，減輕質量。半固態成形技術在制備鋁合金最為成功，促進了輕量化金屬材料的應用和推廣。針對高強度薄板的智能沖壓技術、車架液壓擠漲成形沖壓+焊接、復合材料涂裝及與金屬的連接方法等先進制造工藝和裝配方法不斷取得新的成績，異種材料之間連接技術的研發利用使得鋼鋁組合、鋼鋁和碳纖維增強復合材料混合車身成為了可能，大大促進了汽車輕量化的進程。

7 結語

近5 年來，中國汽車輕量化不斷向縱深方向快速發展，輕量化燃油乘用車還是主流，但呈現出小排量發動機高效化且車身輕量化明顯，輕量化、小型化純電動車發展迅猛并且續駛里程顯著提高，其輕量化、智能化水平與國外產品相當甚至領先，燃料電池商用車加速產業化和結構優化，插電式混合動力乘用車有了長足發展。

到2020年，商用車重點提升總成節油和輕量化應用水平[11]。中國汽車工程學會頒布了商用車輕量化發展目標：到了2020 年底，實現整車材料減重10%[1]，部分車型已達到目標。2018年之前，中國汽車產業用20年時間實現了快速發展，但2018 年以后增速明顯放緩，2019 下半年以來因疫情和產大于銷的矛盾，車市寒冬引發汽車零配件等相關產業低迷，但新能源汽車研發和制造保持旺盛的生命力。2020年10月中國汽車工程學會發布的《節能與新能源汽車技術路線圖（2.0版）》指明了汽車產業未來15年發展方向，汽車輕量化依然是9大技術之一。對于我國自主輕量化技術開發和應用體系的構建，近期以完善高強度鋼應用體系為重點，中期以形成輕質合金應用體系為方向，遠期形成多材料混合應用體系為目標。今后應加大汽車輕量化產業鏈協同及技術鏈的銜接，協調好輕量化與電動化、智能化的關系，加強軟件開發，完善數據庫，充分發揮我國的資源優勢，進一步加大高校與企業的深化創新。加大動力電池梯次利用及車用材料回收利用等技術攻關，關注核心部件、動力系統的高性能輕量化，促使超薄膜電極、空壓機和儲氫罐的產業化。加快自主高端品牌培育，完成汽車產業高速發展到高質量發展的轉型。