車身輕量化技術

郎 勇

（吉利汽車前瞻技術研究部，上海 楓涇 201501）

引言

伴隨我國汽車工業(yè)的發(fā)展，能源問題日益突出。為了實現(xiàn)節(jié)能減排目標，汽車輕量化就顯得尤為重要了。

《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》在汽車輕量化技術上也明確指出，“2020年整車需要比2015年減重15%，到2025年減重 30%。大力推進高強度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料、復合材料等在汽車上的應用”。

研究表明，汽車燃油消耗與汽車的自身質量成正比，汽車質量每減輕1%，燃油消耗降低0.6%～1.0%，燃油消耗的下降，排放也會減少。

對于電動車來說，如果采用增加電池來增加行駛里程，成本會非常高。在電池技術短期難以突破的情況下，電動汽車迫切需要采用輕量化技術來降低重量，以減輕電池增重的壓力。

1 國內車身輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內整車企業(yè)在汽車車身結構開發(fā)上仍沿用傳統(tǒng)汽車設計理念，在輕量化材料和新技術的應用方面也明顯落后。

1.2 國內材料品種、數(shù)量、性能與國外還有很大差距。國內汽車企業(yè)和材料企業(yè)也融合得不夠，國內材料企業(yè)明顯滯后于汽車產業(yè)發(fā)展。

1.3 由于技術限制，國內企業(yè)在材料和加工成本控制難度大，導致整車成本上升，制約了汽車輕量化的發(fā)展。

1.4 國內沒有完整的汽車輕量化零部件技術和產品標準。

2 輕量化車身的四種技術路線

目前，輕量化車身的四種技術路線，分別是鋼板車身、鋁合金車身、碳纖維車身及多種材料混合車身。其中多種材料混合車身是車身輕量化的發(fā)展趨勢。

2.1 鋼板車身輕量化路線

車身本體主要采用高強度鋼板作為主要輕量化材料。

2.1.1 高強鋼材料包括高強鋼、超高強鋼、先進高強度鋼

——高強鋼指屈服強度介于210～550MPa的鋼材；

——超高強鋼(UHSS)指屈服強度大于 50Mpa，抗拉強度大于700Mpa；

——先進高強鋼(AHSS)，強度在500MPa～1500MPa之間。

2.1.2 高強鋼材料的應用

目前鋼板車身使用的高強度鋼板（包括高強度、超高強度和夾層減重鋼板），主要應用在汽車加強件等方面，特別是車身A、B柱，門檻，縱梁、橫梁、側圍邊梁以及中央通道等關鍵部位上，如圖1所示。

圖1

2.1.3 鋼板車身輕量化路線的優(yōu)勢

1）材料成本低

鋼的價格5000～9000元/噸，相對便宜， 尤其是高強鋼的應用，因其良好的安全性，低成本等因素，在今后一段時間內還將是降低汽車質量的主要材料。

2）減重效果好

高強鋼屈服點較高，可以通過減少外表面的厚度，達到減少質量的目的。

當鋼板厚度分別減少0.05mm、0.10mm、0.15mm時，車身減重分別為6%、12%、18%左右。

理論上，相對于傳統(tǒng)340MPa的材料，600MPa級鋼種的減重潛能約為20%，800MPa級鋼種的減重潛能可達到30%以上；零件厚度減薄10%～20%，高強度鋼板的均價增加10%～25%，因此單件成本基本不變。

3）車身性能易保證

采用高強鋼的車身，在車身碰撞安全性、剛度、強度等車身性能開發(fā)具有優(yōu)勢，在不增加成本的前提下，實現(xiàn)車身減重10%～25%（以4門轎車為參照），且靜態(tài)扭轉剛度提高80%，靜態(tài)彎曲剛度提高52%，車身強度及安全性能得到極大的提升。

4）制造成本低，技術成熟，應用廣泛。經濟性好

制造成本較低，可以沿用原有的沖壓設備及焊接設備，生產線不需調整，可實現(xiàn)多種車型共線生產。

2.1.4 鋼板車身輕量化路線劣勢

隨著強度增加，高強鋼沖壓性能變差，回彈量大尺寸難以控制。

車身采用鋼板材料與采用鋁合金材料相比，減重效果無優(yōu)勢以某A0級車為例 ，車身采用高強鋼材料，白車身重量為360kg，而采用鋁合金材料，則白車身減重約為20%，即減少重量72kg。車身材料采用鋁合金減重效果明顯。

雖然車身采用鋼板具有較大的成本優(yōu)勢，但利用高強鋼進行車身輕量化的空間已經十分有限。

2.2 鋁合金車身輕量化路線

車身本體主要采用鋁合金作為主要輕量化材料。

2.2.1 鋁合金材料及其在車身的應用

表1 鋁合金的應用

2.2.2 鋁合金車身的優(yōu)點

1）鋁合金具有質量輕、耐腐蝕性好、耐磨性好、比強度高及可回收等優(yōu)點。

2）輕量化成效明顯，鋁合金減重效果優(yōu)于鋼鐵。

汽車使用1 kg鋁合金材料可替代2.25 kg鋼材，相對于鋼板車身，輕質鋁合金車身可以減重20%～30%。

據歐洲鋁業(yè)協(xié)會（EAA）的研究表明，對于高爾夫之類的小的電動車型，在相同續(xù)航里程下，使用全鋁車身將增加1015歐元成本，但可以節(jié)省電池成本1650歐元，總成本僅增加635歐元。

3）鋁合金車身比鋼制車身具有更明顯的彈性優(yōu)勢。在碰撞時，能夠更好的吸收沖擊力，保護車內人員的安全。

2.2.3 鋁合金以其輕量化效果明顯，日益受到各汽車廠家的重視。

圖2

奧迪A8 D3 采用全鋁車身，車身均采用鋁材制造，框架采用立體框架結構，覆蓋件為鋁板沖壓而成。與鋼板車身相比，質量減輕30～50%，油耗減低5～8%，扭轉剛度增加了38%以上，如圖2所示。

2.2.4 鋁合金車身在汽車制造方面問題

1）材料成本高，鋁合金目前市場價格為4.5萬/噸，是普通鋼板的2～5倍。

2）沖壓工藝方面

材料延伸率不夠，易拉裂。基于鋁板液壓成形技術欠缺、工裝和模具開發(fā)成型難度大韌性差。

3）焊接工藝方面

焊接性能差，傳統(tǒng)點焊不適用。鋼鋁焊接比鋁鋁焊接更加困難，鋼和鋁的熔點相差大致在 900℃左右?；炀€生產困難。

4）涂裝工藝方面

鋁的膨脹系數(shù)是鋼的2倍，隨溫度上升，鋁制零件會伸長。鋁合金表面的致密氧化膜與鋁車身活潑的化學性質，電鍍的預處理會難一些。混線生產困難

5）生產線改造

傳統(tǒng)生產線設備及工位等均需改造或重建，如開卷、沖壓、焊裝、涂裝。

6）原材料供應方面

鋁合金板材國產技術不成熟，產能過小，鋁板供應商僅江蘇諾貝麗與天津神戶、愛麗。

7）鋁合金車身連接困難是阻礙鋁合金發(fā)展的瓶頸

目前鋁制車身的連接方式如下：

——捷豹XFL 采用自沖鉚接及膠粘技術實現(xiàn)車身連接，如圖3所示。

圖3

——特斯拉采用焊接工藝實現(xiàn)車身連接

如圖4所示，通過選擇CMT冷金屬過渡技術實現(xiàn)鋼和鋁的連接，以及伏能士DeltaSpot電阻點焊技術實現(xiàn)在不同在不同厚度/不同材料的焊接，如圖5所示。

圖4

圖5

——凱迪拉克CT6采用鋁激光釬焊、鋁電阻點焊、自攻螺接、自沖鉚接實現(xiàn)連接

8）全鋁合金車身生產工序繁多，工藝復雜，制造成本過高，板材產能過小，難以與量產車型共線等因素，導致其推廣應用受限。

2.2.5 國內鋁制車身零件現(xiàn)狀

1）壓鑄造鋁合金技術在國內應用十分成熟。采用壓鑄工藝制作有車身零件有如下優(yōu)勢：

——具有較高強度，起連接車身各鋁材的作用。

——可以將十幾個沖壓件集成為一個壓鑄件，解決較為復雜的或深沖的零件表面質量及尺寸精度問題，降低模具的費用。

——可以解決鋼板焊接工藝缺陷帶來的疲勞強度不足問題。

2）我國自主研發(fā)的車身用鋁合金型材擠壓→彎曲→淬火一體化成形技術，能簡化生產工壓差表、降低制造成本，從而時一步推廣鋁合金在汽車上的大眾化應用。

2.3 碳纖維車身輕量化路線

采用碳纖維增強復合材料（CFRP）為主的車身，減重效果明顯。

2.3.1 碳纖維增強復合材料（CFRP）優(yōu)點

碳纖維增強復合材料（CFRP）有絕佳的韌性和抗拉強度。CFRP的體積質量只有鋼材的20%～30%,而硬度卻是鋼材的10倍以上，這使得CFRP車身比鋼質車身減輕50% 以上，比鋁質車身減輕約30%。

寶馬在i3和i8的乘員艙，采用高強度且輕量化的碳纖維增強復合材料( CFRP），強度是鋼材的10倍、重量僅為鋼材的 1/2。使用這種材料可以大幅降低車身重量，同時有助于提升車輛的燃油經濟性和操控性，如圖6所示。

圖6

2.3.2 碳纖維增強復合材料（CFRP）劣勢

1）碳纖維是一種脆性材料，一旦受力過大就會直接斷裂，損壞后基本無法修復。

2）碳纖維與其它材料連接存在問題，使用螺栓連接，連接孔周圍很容易產行裂紋。

3）碳纖材料成本與制造成本高，制造工藝不成熟，是制約碳纖維車身發(fā)展的重要因素，碳纖維材料成本為80萬/噸。

2.4 多種材料混合車身輕量化路線

車身主要以鋼材料或鋁合金材料作為車身骨架，其它車身零件采用復合材料或工程塑料制作。

2.4.1 復合材料主要包括碳纖維、SMC、LFT、增強PP等。

1）復合材料SMC的應用

歐洲和美國SMC汽車部件用量最多。應用領域包括懸架零件、車身及車身部件、發(fā)動機蓋下部件、車內裝飾部件等，其中尤其以保險杠、車頂、發(fā)動機罩、發(fā)動機隔音板、前后翼子板等部件用量最大。

2）復合材料LFT的應用

由于性價比高，以PP為基體樹脂的LFT占LFT總量的80%以上。主要應用于前端模塊、保險杠支架、雜物箱、座椅框架、車底護板、內飾件支架、電池托架、內門板組件、地板等。

3）復合材料增強PP的應用

由于GMT(玻璃纖維增強型熱塑性塑料）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 一系列優(yōu)點的，其優(yōu)良的特性使之能夠在一些汽車零件上取代鋼材和鋁材。主要應用于儀表板、車門內板及前端模塊等零件。

2.4.2 工程塑料

工程塑料主要包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等。

1）工程塑料的優(yōu)勢

— 成型性好、質量輕（減重約20%～30%），能夠緩沖吸能。抗沖擊性好，造型設計自由度大，抗腐蝕性好。

— 熱固性塑料：耐熱性好，受壓不易變形，常用的有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、氨基樹脂、有機硅樹脂。

— 熱塑性塑料加工成形性好，力學性能好。

2）工程塑料劣勢

— 塑料剛度低、易老化，在車身上應用具有安全隱患

— 熱固性塑料力學性能較差。

— 熱塑性塑料耐熱性較差，容易變形。

3）工程塑料在車身的應用

— 車身內、外裝飾件，內飾材料；

— 車身附件的殼體、罩蓋、支架和手柄等；

— 前、后保險杠，車門防撞裝飾條等車身外部防撞構件；

— 代替鋼板材料制造車身板件，如擋泥板、車門外板、發(fā)動機罩、行李艙蓋等。

2.4.3 多種材料混合車身的典型結構

1）鋁全金骨架+高強鋼+碳纖維車身結構

圖7

Audi A8 D5車身的整體框架由鋁型材搭建，關鍵部位采用鋁制鑄件進行連接，車身表面采用鋁制板金件。為了進一步降低車身重量，車廂后部采用了碳纖維材料，車廂部分采用高強度合金鋼，如圖7所示。

相比Audi D3車型，動態(tài)剛度提高24%，輕量化指數(shù)提高12%，車身前部剛度提高14%。

表2 Audi A8 D5車身材料構成比例

2）鋁全金+高強鋼車身結構

特斯拉Model S的車身和底盤主要采用鋁合金材料，車身框架用高強度硼鋼加固，如圖8所示。

特斯拉鋁合金的使用率實際也只是 98%，車體中也使用了其它復合材料，比如非天窗版的項蓋采用的是樹脂材料。

圖8

圖9

卡迪拉克 CT6 的車身采用鋼板和鋁合金組成而成的車身結構，車身輕量化鋁合金材質比例已經達到 64%。因此比傳統(tǒng)的鋼制車身結構減輕約99kg，如圖9所示。

3）高強鋼+塑料車身結構

戴姆勒奔弛Smart的車身覆蓋件大量采用GE公司生產的Xenoy PC/PBT樹脂面板，可以降低低速碰撞后的維修成本。但A柱，B柱和門檻仍然是采用鋼板作為覆蓋件材料，如圖10所示。

圖10

圖11

4）高強鋼+SMC+鋁合金車身結構

上汽榮威E50純電動轎車車身采用了輕質材料和超高強度鋼結構。駕乘室采用了超高強度鋼結構，前緩沖梁采用鋁合金材料，尾門采用SMC復合輕量材料。充電口及小門、PEB橫梁也被新型合成材料所代替，如圖11所示。

5）鋁全金骨架+碳纖維車身結構

北汽新能源 ARCFOX- 1，該車型采用了碳纖維復合材料上車身、鋁合金框架式車身設計，實現(xiàn)碳纖維復合材料同時應用于結構件和外觀件。與傳統(tǒng)鋼制車身相比減重 30%。比同類車型整體減重15%，采用鉚接技術，續(xù)航能力提升11%。，如圖12所示。

單車用鋁量超過160kg，占車身重量的54%，采用鎂合金儀表板管梁，較傳統(tǒng)鋼制橫梁減重 30%以上，單車用鎂量超過5kg。

圖12

圖13

6）鋁全金骨架+復合材料外覆蓋件+碳纖維車身結構

奇瑞新能源純電動車“小螞蟻”是基于全鋁空間架構+全復合材料外覆蓋件的輕量化技術平臺開發(fā)。采用了高強度鋁合金骨架、FRT發(fā)泡樹脂復合材料外覆蓋件和碳纖維材料應用等輕量化技術，如圖13所示。

3 總結

3.1 因碳纖維復合材料的每噸成本很高，尚有許多關鍵技術沒有突破，目前不太適合在輕量化車身上大批量使用。

3.2 以鋼板車身、鋁合金車身或鋼鋁混合車身為主，復合材料或塑料零件為輔，多種材料組成的車身日益成為輕量化車身的趨勢。

3.3 鋼板車身無論是在成本、結構設計與性能開發(fā)以及生產制造等技術均有優(yōu)勢。高強鋼及超高強鋼的大量應用為鋼板車身的輕量化設計，提供了足夠的技術支持，但與鋁合金對比，減重效果依然有很大的差距。超高強鋼在沖壓領域的應用，有一定的局限性，采用熱成形技術，必然會帶來成本的提升。

3.4 鋁合金的應用，依然是車身輕量化的發(fā)展方向，但由于受鋁板較高成本與國內鋁制車身零件的設計制造能力以及供應商供貨能力限制，近期推廣難度較大。加之鋁板在沖壓、焊接、涂裝等方面的工藝難度及工裝、設備的改造及更新，造成制造成本過大，這些都是鋁制車身成本居高不下，現(xiàn)階段難以推廣的根本原因。

3.5 如何根據現(xiàn)有工藝水平與制造能力，充分利用鋼制車身在成本與性能、制造上的優(yōu)勢，結合鋁合金及復合材料輕量化的效果，考慮到國內鋁制零件的制造能力，在成本增加不多的情況下，滿足車身輕量化的要求，是我們研發(fā)人員考慮的方向。

[1] 何莉萍.汽車輕量化車身新材料及其應用技術[M];湖南大學出版社;2016.9.