基于ECB 的車身輕量化材料應(yīng)用趨勢(shì)

呂奉陽(yáng)，羅培鋒，陳東

（廣州汽車集團(tuán)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(huì)議（EuroCarBody），簡(jiǎn)稱ECB，每年10 月在德國(guó)小鎮(zhèn)巴特瑙海姆舉行，至2018 年已經(jīng)舉辦20 屆。ECB以汽車輕量化為主題，是車身領(lǐng)域的頂級(jí)峰會(huì)，代表著全球汽車車身發(fā)展趨勢(shì)。每年的ECB 參展車身，展示了白車身最新設(shè)計(jì)理念和輕量化技術(shù)應(yīng)用成果，反映了車身發(fā)展的最新水平，已成為車身發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)[1]。通過(guò)對(duì)歷年車身材料應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)分析，可以看出車身輕量化材料的應(yīng)用趨勢(shì)，從而為新開(kāi)發(fā)車型車身材料選擇提供參考依據(jù)。

1 輕量化理論介紹

1.1 車身輕量化系數(shù)

車身輕量化系數(shù)是目前被行業(yè)普遍接受的評(píng)價(jià)車身輕量化水平的一個(gè)重要指標(biāo)。車身輕量化系數(shù)考慮了車身質(zhì)量水平、車身扭轉(zhuǎn)剛度、車身尺寸大小，對(duì)白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及輕量化材料的合理選用有重要意義[2]。

車身輕量化系數(shù)的定義如下：

式中，L 為輕量化系數(shù)；MBIW為白車身質(zhì)量；CT為白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)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(shù)越小，說(shuō)明輕量化技術(shù)水平越高。

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

圖1 2018 年ECB 車身輕量化系數(shù)

圖2 ECB 車身輕量化系數(shù)變化曲線（2009-2018）

1.2 車身輕量化途徑

目前車身輕量化技術(shù)的主要思路是：在兼顧車身性能和成本的前提下，采用輕質(zhì)材料、新工藝及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能地降低車身重量，以達(dá)到減重、降耗、環(huán)保、安全的綜合指標(biāo)[3]。車身輕量化途徑包括：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、輕質(zhì)材料替代、先進(jìn)制造工藝[4]。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是車身輕量化的重要途徑，是車身輕量化基礎(chǔ)和前提，通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)使材料、最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸用在車身結(jié)構(gòu)合適的位置，使每部分材料都能發(fā)揮出最大的承載或吸能作用，可以提高材料利用率。

輕質(zhì)材料是指可用來(lái)降低零部件重量的材料，主要包括兩大類：一類是高強(qiáng)度材料，如先進(jìn)高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼、熱成型鋼等，一類是低密度的輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。

先進(jìn)制造工藝是指為了滿足輕量化材料應(yīng)用以及實(shí)現(xiàn)零件集成化設(shè)計(jì)所采用的工藝技術(shù)，包括先進(jìn)成型工藝和先進(jìn)連接工藝。先進(jìn)成型工藝有熱沖壓成型、輥壓成型、液壓成型、微發(fā)泡成型、半固態(tài)成型、激光拼焊、柔性軋制等。先進(jìn)連接工藝有：鋁電阻點(diǎn)焊、自沖鉚接、TOX 無(wú)鉚連接、結(jié)構(gòu)膠粘接、攪拌摩擦焊、激光螺旋焊等。

2 ECB 車身材料應(yīng)用分析

2.1 ECB 車身分類

根據(jù)車身材料構(gòu)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(fù)合車身。通過(guò)對(duì)2009-2018 年108 個(gè)ECB 車身進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，各類車身數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3 所示，各類車身數(shù)量的歷年變化曲線如圖4所示。

圖3 ECB 車身種類統(tǒng)計(jì)（2009-2018）

圖4 2009-2018 年ECB 車身種類歷年變化曲線

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，鋁制車身應(yīng)用較少，鋼制車身應(yīng)用呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，鋼鋁混合車身及多材料復(fù)合車身呈現(xiàn)波動(dòng)式增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2.2 ECB 車身材料應(yīng)用現(xiàn)狀

通過(guò)對(duì)ECB 車身材料進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，鋼材、鋁合金及其他材料的應(yīng)用比例如圖5 所示，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，鋼材應(yīng)用比例超過(guò)75%，是最主要的車身材料，鋁合金應(yīng)用比例接近20%，僅次于鋼材，是第二大車身材料，其他材料應(yīng)用比例不足5%。

圖5 ECB 車身材料統(tǒng)計(jì)（2009-2018）

車身材料歷年應(yīng)用比例曲線如圖6 所示，鋼材與鋁合金材料應(yīng)用比例關(guān)系曲線是一種此消彼長(zhǎng)的交替變化曲線，同一年份鋼材應(yīng)用比例的上升將導(dǎo)致鋁合金應(yīng)用比例下降，鋼材應(yīng)用比例下降則對(duì)應(yīng)鋁合金應(yīng)用比例上升。鋼材及鋁合金應(yīng)用比例的波動(dòng)變化，說(shuō)明了車身輕量化設(shè)計(jì)不再以單獨(dú)追求減重為目標(biāo)，反映了市場(chǎng)環(huán)境與車身性能、成本之間的動(dòng)態(tài)平衡。

圖6 ECB 車身材料歷年應(yīng)用比例曲線

3 輕量化材料應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 高強(qiáng)鋼應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1.1 高強(qiáng)鋼分類

根據(jù)強(qiáng)度等級(jí)對(duì)鋼材進(jìn)行分類，目前沒(méi)有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。世界鋼鐵協(xié)會(huì)按屈服強(qiáng)度將鋼材分為：普通鋼、高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼。屈服強(qiáng)度小于210MPa 的稱為普通鋼；屈服強(qiáng)度在210～550MPa 之間的稱為高強(qiáng)度鋼；屈服強(qiáng)度超過(guò)550MPa 的稱為超高強(qiáng)度鋼。日系車型按鋼的抗拉強(qiáng)度分類，將抗拉強(qiáng)度不低于340MPa 的冷軋鋼板和抗拉強(qiáng)度不低于490MPa 的熱軋鋼板統(tǒng)稱為高強(qiáng)度鋼板。歐美系車型按鋼的屈服強(qiáng)度分類：屈服強(qiáng)度高于180MPa（含180MPa），低于300MPa 的為高強(qiáng)度鋼；屈服強(qiáng)度高于300MPa（含300MPa），低于600MPa 的為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼；屈服強(qiáng)度高于600MPa（含600MPa）的為超高強(qiáng)度鋼。歐洲車身會(huì)議將鋼材分為軟鋼（LSS）、高強(qiáng)度鋼（HSS）、先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS）、超高強(qiáng)度鋼（UHSS）和熱成型鋼（PHS）。國(guó)內(nèi)一般將高強(qiáng)度鋼分為傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼。

為了方便車身鋼材的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)，結(jié)合國(guó)內(nèi)分類及歐洲車身會(huì)議分類，將鋼材分為軟鋼、普通高強(qiáng)鋼和先進(jìn)高強(qiáng)鋼三類。軟鋼主要包括低碳鋼（Mild）、無(wú)間隙原子鋼（IF）等。普通高強(qiáng)鋼主要包括烘烤硬化鋼（BH）、各向同性鋼（IS）、高擴(kuò)孔鋼（HE）、加磷高強(qiáng)鋼（P）、高強(qiáng)度無(wú)間隙原子鋼（HSIF）、低合金高強(qiáng)度鋼（HSLA）、碳錳鋼（CMn）等。先進(jìn)高強(qiáng)鋼主要包括雙相鋼（DP）、相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP）、馬氏體鋼（MS）、復(fù)相鋼（CP）、孿晶誘導(dǎo)塑性鋼（TWIP）、淬火延性鋼（Q&P）、熱成型鋼（PHS）等。

3.1.2 高強(qiáng)鋼在車身上的應(yīng)用

高強(qiáng)鋼主要應(yīng)用在車身結(jié)構(gòu)加強(qiáng)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(qiáng)鋼應(yīng)用比例高達(dá)63.8%，其中熱成型鋼應(yīng)用比例為24.6%，熱成型鋼應(yīng)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(yīng)用

3.2 鋁合金應(yīng)用現(xiàn)狀

3.2.1 鋁合金分類

按化學(xué)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(shù)字加上基礎(chǔ)狀態(tài)代號(hào)構(gòu)成。首位數(shù)字代表主要合金元素代號(hào)。鋁合金牌號(hào)含義如表1 所示。

根據(jù)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(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)構(gòu)件。鑄造鋁合金具備優(yōu)良的鑄造性能，可以根據(jù)使用目的、零件形狀、尺寸精度、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械性能、成本目標(biāo)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(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速器殼體、離合器殼體、轉(zhuǎn)向器殼體、車輪、減震塔座等。

表1 鋁合金牌號(hào)含義

3.2.2 鋁合金在車身上的應(yīng)用

圖8 Jaguar I-PACE 車身鋁合金應(yīng)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(guī)則的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)件。鑄造鋁合金主要用于功能集成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。

Jaguar I-PACE（ECB2018）采用多材料復(fù)合車身，鋁合金應(yīng)用比例高達(dá)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(yīng)用范圍如圖8 所示，其中鋁合金板材應(yīng)用零件有發(fā)動(dòng)機(jī)罩、后背門、前后車門、前翼子板等；擠壓鋁合金應(yīng)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(yīng)用零件有前后減震塔座等。

3.3 復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀

3.3.1 復(fù)合材料分類

復(fù)合材料分為熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料、熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等[6]。其中熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料、熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在車身結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。

熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料是以熱固性樹(shù)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(qiáng)材料制成的復(fù)合材料。按成型工藝，可分為片狀模塑料（SMC）、團(tuán)狀模塑料（BMC）、樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）、增強(qiáng)反應(yīng)注射成型（RRIM）、結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射成型（SRIM）等。熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料是以熱塑性樹(shù)脂為基體，以玻璃纖維、織物纖維及其他充填物為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料。主要有玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（GMT）、長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（LFT）等。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）是以碳纖維或碳纖維織物為增強(qiáng)體，以樹(shù)脂、陶瓷、金屬、水泥、碳質(zhì)或橡膠等為基體所形成的復(fù)合材料。

3.3.2 復(fù)合材料在車身上的應(yīng)用

圖9 BMW 7 Series 車身碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用

車身中應(yīng)用的復(fù)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(shù)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(fā)動(dòng)機(jī)罩、后背門、頂蓋、備胎倉(cāng)等。GMT 是一種以熱塑性樹(shù)脂為基體，以玻璃纖維氈為增強(qiáng)骨架的復(fù)合材料[7]。由于GMT 材料具有沖擊韌性好、重量輕、生產(chǎn)效率高、加工成本低、可再生利用等優(yōu)點(diǎn)，能夠取代部分鋼材和鋁材。主要應(yīng)用于前端模塊、后防撞梁、車門內(nèi)板等零件。LFT 即長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，主要應(yīng)用于前端模塊、備胎倉(cāng)、車身地板等。CFRP 即碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，具有較高的比強(qiáng)度、比剛性，減重效果明顯，在高端及小批量生產(chǎn)車身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用較多[8]。BMW 7 Series（ECB2015）采用碳纖維內(nèi)核車身結(jié)構(gòu)，應(yīng)用了16 個(gè)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件，如圖9 所示。

4 車身輕量化材料應(yīng)用趨勢(shì)

4.1 高強(qiáng)鋼應(yīng)用趨勢(shì)

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(qiáng)度高。高強(qiáng)鋼的應(yīng)用是汽車輕量化及節(jié)能減排的必然趨勢(shì)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)2009-2018 年ECB 車身材料應(yīng)用情況，可以看出鋼材特別是高強(qiáng)鋼在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍將是車身最主要的原材料。2009-2018 年ECB 車身鋼材應(yīng)用變化曲線如圖10所示，軟鋼及普通高強(qiáng)鋼應(yīng)用比例呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，先進(jìn)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用比例呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)。

由于整車成本和研發(fā)效率等因素的限制，同時(shí)考慮高強(qiáng)鋼長(zhǎng)期積累的制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)、成熟的成形經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)異的性價(jià)比，決定當(dāng)前階段車身輕量化技術(shù)的主要方向是先進(jìn)高強(qiáng)鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[9]。

圖10 ECB 車身鋼材應(yīng)用變化曲線（2009-2018）

4.2 鋁合金應(yīng)用趨勢(shì)

2009-2018 年ECB 車身鋁合金材料應(yīng)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(yīng)用鋁合金的目的是為了降低新能源應(yīng)用帶來(lái)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(qiáng)度和比剛度較高、回收利用率高等優(yōu)點(diǎn)，可以降低產(chǎn)品能耗、減少污染、提高燃料的經(jīng)濟(jì)性[10]。

圖11 ECB 車身鋁合金應(yīng)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(yīng)用的主流方向。

在鋼鋁混合車身和多材料復(fù)合車身中，鋁合金應(yīng)用比例從1.2%-95%不等。中低端車型，鋁合金應(yīng)用比例較少，隨著車型價(jià)位的升高，鋁合金應(yīng)用比例逐步增加。從車身應(yīng)用部位分析，鋁合金板材從發(fā)動(dòng)機(jī)罩開(kāi)始，逐步擴(kuò)展到車身覆蓋件；擠壓鋁合金從前后防撞梁開(kāi)始，逐步擴(kuò)展到車身架構(gòu)件；鑄造鋁合金從前后減震塔座開(kāi)始，逐步擴(kuò)展到集成式結(jié)構(gòu)。

4.3 復(fù)合材料應(yīng)用趨勢(shì)

ECB 車身中多材料復(fù)合車身數(shù)量最多，占比最大，說(shuō)明多材料復(fù)合車身是未來(lái)車身發(fā)展的方向。ECB 車身中復(fù)合材料總體占比不足5%，應(yīng)用比例偏低，說(shuō)明復(fù)合材料在車身中的應(yīng)用仍有很大的發(fā)展?jié)摿?。?fù)合材料應(yīng)用比例大于10%的ECB 車身全部是高端及小批量生產(chǎn)車型，如圖12 所示，說(shuō)明成本和產(chǎn)能是制約復(fù)合材料應(yīng)用的主要因素。復(fù)合材料的應(yīng)用主要由新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和車身輕量化需求驅(qū)動(dòng)，隨著復(fù)合材料技術(shù)水平的提高、大批量供貨能力的提升和成本的降低，復(fù)合材料在車身上的應(yīng)用將從高端車型向中低端車型擴(kuò)展。

圖12 復(fù)合材料應(yīng)用比例高的ECB 車身（2009-2018）

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)ECB 車身材料進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前車身輕量化材 料以高強(qiáng)鋼、鋁合金和復(fù)合材料為主。多材料復(fù)合車身是未來(lái)車身的發(fā)展方向，車身輕量化材料向多元化發(fā)展，材料選擇更加強(qiáng)調(diào)合適的材料用在合適的部位。高強(qiáng)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(guān)系隨著市場(chǎng)波動(dòng)呈現(xiàn)出一種此消彼長(zhǎng)的交替變化關(guān)系。復(fù)合材料在高端小批量車型中應(yīng)用較多，在中低端和大批量生產(chǎn)車型中應(yīng)用較少，成本和產(chǎn)能是制約復(fù)合材料從高端車型向中低端車型擴(kuò)展的主要因素。隨著技術(shù)水平的提高，復(fù)合材料在車身中的應(yīng)用有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>