輕量化是“去之糟粕”，不是“偷工減料”

近年來，隨著新能源汽車如雨后春筍般的發(fā)展，行業(yè)內(nèi)之間的和諧競(jìng)爭也愈來愈強(qiáng)烈，如何在競(jìng)爭之中保持優(yōu)勢(shì)則是各大主機(jī)廠的發(fā)展方向。

因此，汽車減重也就順理成章的成了重中之重，因?yàn)闇p重在節(jié)省開發(fā)成本的同時(shí)，還能有效地降低油耗、減少排放量和增加操穩(wěn)性；

有試驗(yàn)表明，汽車每減重10％，油耗可降低6％-8％，排放量可下降約10％，同時(shí)對(duì)減少制動(dòng)距離、轉(zhuǎn)向力和加速時(shí)間，提高輪胎壽命等都有顯著的好處。

車身輕量化是指在汽車保持原有的安全性、耐撞性、抗震性及舒適性能不降低，且不增加研發(fā)成本的前提下，有目標(biāo)的減少車身自身重量。

在學(xué)術(shù)上有個(gè)詞叫車身輕量化系數(shù)，輕量化系數(shù)考慮了車身扭轉(zhuǎn)剛度、車身大小、質(zhì)量水平，同時(shí)該系數(shù)引入了扭轉(zhuǎn)剛度的概念，這樣開發(fā)人員就通過輕量化系數(shù)初步的了解一款車的NVH性能和操控性。輕量化系數(shù)：

式中，

L（L越小，輕量化做得越好）為白車身輕量化系數(shù)，單位KG/[N·M/(°) ·M2]；

M為白車身骨架重量，不含四門兩蓋，單位KG；

CT為白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度，帶擋風(fēng)玻璃，單位N·M/(°)；

A為白車身腳印面積（四輪間的正投影面積），單位M2。

目前，車身輕量化主要有三大途徑：材料的選擇、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和先進(jìn)的制造工藝，當(dāng)然這只是個(gè)思路，如何將思路應(yīng)用于實(shí)踐，完美的集成到具體的車型上，還要研發(fā)人員根據(jù)不同的項(xiàng)目運(yùn)用不同的方法。

1.材料選擇是基礎(chǔ)：

為什么說是材料的選擇，而不是單純的輕質(zhì)材料？

在整車的研發(fā)過程中通常有性能的要求，比如在中國有前部小部分重疊碰撞試驗(yàn)，簡稱小偏置碰（SMALL OVER LAPE）,還有側(cè)碰、頂碰、后碰及頭部保護(hù)等不同的碰撞要求，這個(gè)時(shí)候在車身的局部區(qū)域就需要零件有很高的強(qiáng)度要求。

比如翼子板內(nèi)板、風(fēng)窗立柱、B柱加強(qiáng)板等區(qū)域，如果在這些區(qū)域單純的選擇輕質(zhì)材料，那勢(shì)必就需要大大的增加材料的厚度，反而會(huì)導(dǎo)致車身重量的上升。

合金材料：

在材料的選擇方面，最受汽車廠商關(guān)注的就是鋁合金和鎂合金，畢竟這兩種材料可以替代鋼板，減輕重量，提高強(qiáng)度，性價(jià)比相對(duì)較高。

其中，目前應(yīng)用范圍最廣的當(dāng)屬鋁合金，因?yàn)殇X的密度低，質(zhì)量大概只有鋼鐵的1/3，鋁合金表面生成的三氧化二鋁保護(hù)層比較耐腐蝕，成型性要高于鋼材，而且回收利用率高，整車中80％以上的鋁是可以回收的；

當(dāng)然鋁合金仍有它的缺點(diǎn)：容易回彈、沖壓碎屑多，焊接性及強(qiáng)度不如鋼材，最重要的一點(diǎn)是成本要高于鋼材。

碳纖維材料：

當(dāng)然，最理想的材料莫過于碳纖維材料，碳纖維材料是由化纖和石油經(jīng)過特殊工藝制成的纖維，碳纖維的密度不到鋼材的1/4，但是抗來輕度卻可以達(dá)到鋼材的8倍左右，除了具備耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能外，它的強(qiáng)度更高，質(zhì)量更輕，尤其在極端氣候條件下，碳纖維材料的表現(xiàn)相當(dāng)出色，當(dāng)然成本也相對(duì)較高。

高強(qiáng)度鋼（HSS）：

通常將屈服強(qiáng)度在210~550MPA之間，抗拉強(qiáng)度為270~700MPA之間的鋼材稱為高強(qiáng)度鋼，碳錳鋼(C-MN)、烘烤硬化鋼(BH)；屈服強(qiáng)度在550MPA以上，抗拉強(qiáng)度在700MPA以上的稱為超高強(qiáng)度鋼，如熱成形鋼(HF)。

高強(qiáng)度鋼的優(yōu)點(diǎn)在于強(qiáng)度極好，焊接可行性良好，缺點(diǎn)在于密度較高，質(zhì)量較重，塑性一般，通常應(yīng)用在車身的局部，如上面提到的對(duì)于碰撞性能有要求的區(qū)域，在局部選擇高強(qiáng)度鋼可以替代大量的輕質(zhì)材料，對(duì)于車身建中不失為一個(gè)好的選擇。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是樞紐：

通過先進(jìn)設(shè)計(jì)方法和技術(shù)手段在滿足車身強(qiáng)度、模態(tài)、剛度及碰撞等多方面的性能要求同時(shí)，在車身設(shè)計(jì)階段對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高材料利用率。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段可以通過CAD/CAE技術(shù)可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局，對(duì)板材料后等參數(shù)進(jìn)行分析和剛度強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算出準(zhǔn)確的力的傳導(dǎo)路徑。

對(duì)于設(shè)計(jì)師而言，就可以判斷出哪些區(qū)域需要使用高強(qiáng)度強(qiáng)料，哪些區(qū)域需要增加料厚，在最大程度上提高材料的使用率，有一點(diǎn)值得注意的是，對(duì)于車身而言，力的傳導(dǎo)路徑不是唯一的也不是一層不變的，隨著設(shè)計(jì)的變更，連接方式的變更，都會(huì)導(dǎo)致力的傳達(dá)路徑變更，

因此，設(shè)計(jì)人員也要在設(shè)計(jì)階段學(xué)會(huì)“隨機(jī)應(yīng)變”。對(duì)于采用輕質(zhì)材料的零部件還可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉等分析，使輕質(zhì)材料達(dá)到車身設(shè)計(jì)的不同要求。

3.工藝是紐帶：

先進(jìn)制造工藝

對(duì)于上述的翼子板內(nèi)板等對(duì)碰撞比較敏感的區(qū)域，通常使用的是高強(qiáng)度鋼，這時(shí)候如果使用的仍然是普通的冷成型技術(shù)，則板材容易開裂，對(duì)于車身性能的影響是很大的，

因此，通常情況下采用熱成型技術(shù)例如TWB（TAILOR BLANKED WELDED）或TRB（TAILOR ROLLED WELDED），一種先焊接后成型的熱成型技術(shù)來解決。

先進(jìn)的連接技術(shù)

無論是鋼材之間、鋁材之間或者鋼材與鋁材之間，合適的連接方式不但可以保證車身的各種性能要求，還可以對(duì)車身輕量化有巨大的貢獻(xiàn)，在此列舉幾種對(duì)減重十分有幫助的連接方法（包括但不限于）：

無鉚連接（CLICH）：速度最快，最經(jīng)濟(jì)的連接方式，因?yàn)闊o需外加連接體

激光拼焊（TWB）：通常用于高強(qiáng)度鋼之間的連接

攪拌摩擦焊（FSW）：鋁材之間最好的選擇，比如鋁型材的電池箱體之間的連接

鋁點(diǎn)焊：批量生產(chǎn)車型的最佳選擇，比較適合機(jī)械化操作

膠接：對(duì)于有密封或者減震導(dǎo)電等需求的區(qū)域的最佳選擇，同時(shí)具有等效焊點(diǎn)的強(qiáng)度

車身輕量化，并非簡單的用輕量化材質(zhì)、更不是“偷工減料”而是從材料到結(jié)構(gòu)的綜合體量。目前各大主機(jī)廠也都掌握各自擅長的輕量化技術(shù)應(yīng)對(duì)車身減重這個(gè)重要的問題。

1.福特的蜂巢狀結(jié)構(gòu)的MUCELL微發(fā)泡注塑成型技術(shù)

這種成型技術(shù)是指以熱塑性材料為基材，通過特殊的加工工藝，使制品中間層密布尺寸從世紀(jì)到幾十微米的封閉微型孔，顯而易見，蜂巢結(jié)構(gòu)有利于輕量化，同時(shí)成型周期較短。

福特在全新?？怂?，C-MAX，蒙迪歐等車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩上都應(yīng)用了這種蜂巢狀結(jié)構(gòu)的MUCELL微發(fā)泡注塑成型技術(shù)。福特一直致力于2020年之前實(shí)現(xiàn)小型車減重100KG以及大型車減重300KG的目標(biāo)，這種成型技術(shù)在保證零部件耐用性，且優(yōu)化燃油性降低排放的同時(shí)可降低車身重量近20％。

2.BMW的“CARBON CORE”和AUDI的“RTM工藝”

相對(duì)于福特采取獨(dú)有的成型方法，寶馬家的輕量化更多注重復(fù)合材料的應(yīng)用，例如A柱區(qū)域就是寶馬獨(dú)有的”CARBON CORE”，在鋼板制成的封閉截面內(nèi)側(cè)插入CFRP（碳纖維強(qiáng)化樹脂）制作的芯材，在減重的同時(shí)有提高了整車的穩(wěn)定性。

如寶馬7系，雖然車身的基本骨架仍然采用鋼材，但局部區(qū)域使用CFRP。新款7系相較于上一代車型，車身減重40KG，在使用碳纖維實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)的同時(shí)也提高了整車的抗彎性能和抗扭性能。

奧迪曾在第一代R8車型上采用了鋁材，但在第二代R8上，將MSS作為工具，將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在車身上面，大幅度提升了扭轉(zhuǎn)剛度和車身輕度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了車身減重。

奧迪的RTM（樹脂傳遞模塑）工藝，在被碳纖維包裹的泡沫材料中注入環(huán)氧樹脂，這項(xiàng)技術(shù)不僅是材料成型效率高，還可以減少原材料的使用，同時(shí)奧迪的工程師們還將單向碳纖維織物與快速硫化環(huán)氧樹脂體系結(jié)合在一起，采用泡沫夾層，以減少結(jié)構(gòu)件、加強(qiáng)件以及填充物的用量。

2017款?yuàn)W迪A8就同時(shí)采用了RTM工藝并在其后壁和后窗臺(tái)板上應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料。這些工藝與技術(shù)都為奧迪的輕量化做出了巨大的貢獻(xiàn)，奧迪在全球汽車市場(chǎng)中的強(qiáng)大競(jìng)爭力與此也有密不可分的關(guān)系。

3.蔚來的全鋁車身和先進(jìn)的連接技術(shù)

作為新能源車企的先進(jìn)代表，蔚來ES8采用的就是全鋁車身，2018年蔚來ES8的一位用為不慎正面撞在了路邊燈柱，多數(shù)人關(guān)注的是ES8的破損情況，進(jìn)而對(duì)這輛“中國TESLA”的被動(dòng)安全性能做一個(gè)初步評(píng)估，

但筆者更關(guān)注的是曝露出來的7系鋁制防撞梁，鋁制防撞梁在車身減重方面的作用是毋庸置疑的，且部分7系鋁是可以做熱處理強(qiáng)化的，且在正碰的時(shí)候潰縮量要大于鋼材，吸能效果更好，從而更好地保護(hù)乘客安全。

作為全鋁車身的先驅(qū)者，蔚來自然擁有更加成熟的鋁連接技術(shù)，目前ES8車型上應(yīng)用的連接技術(shù)就有很多種，從FDS（熱融自攻鉚接）到RSW（鋁點(diǎn)焊）到CMT（冷金屬過渡弧焊）到SPR（自沖鉚接）都有應(yīng)用。

4.通用對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)用

通用作為業(yè)內(nèi)的翹楚，一直致力于輕量化材料的合理使用，并應(yīng)用在自家品牌旗下的車型之中。

價(jià)格低廉但耐疲勞的低碳鋼曾一度成為通用乘用車和輕卡的標(biāo)配，低碳鋼不僅價(jià)格經(jīng)濟(jì)，且成形性和可焊性都較好，當(dāng)然低碳鋼也存在自身的不足：耐腐蝕性差、重量較鋁合金、鎂合金等更重，在車身減重環(huán)節(jié)就存在較大的劣勢(shì)。

通用在雪佛蘭C7 CORVETTE和MALIBU的制造過程中，使用了大量的鋁板制造車身鈑金件，使用了大量的擠制鋁材制造車架滑軌，新款CT6更是采用鋁材取代了低碳鋼，

為此通用還采取了比較先進(jìn)的焊接技術(shù)，使得容點(diǎn)不盡相同的兩種材料可以焊接在一起，這也使得該款凱迪拉克在重量方面優(yōu)于大部分其他同款配置車型。

通用在鎂合金以及碳纖維兩種材料的應(yīng)用上面也做了足夠的研究工作，遠(yuǎn)在2011年通用就在研發(fā)碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料這種材料的應(yīng)用。

5.PSA對(duì)高強(qiáng)度鋼的合理應(yīng)用

標(biāo)致雪鐵龍作為歐洲第二大汽車制造商，在輕量化技術(shù)上的研究絲毫不弱于競(jìng)爭企業(yè)，有些方面甚至優(yōu)于其他主機(jī)廠。標(biāo)致汽車的輕量化技術(shù)很全面，從材料到結(jié)構(gòu)到設(shè)計(jì)全部都有涉及，車身的每個(gè)零部件的重量就是經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算與優(yōu)化的。

在這重點(diǎn)的談一談標(biāo)致汽車在高強(qiáng)度鋼方面的應(yīng)用，因?yàn)闃?biāo)致汽車全球化布局，它更多注重的是輕量化之后的性能與安全，對(duì)整車的性能表現(xiàn)和碰撞要求都十分嚴(yán)格，同時(shí)滿足側(cè)碰，正碰，頭部保護(hù)以及后碰等實(shí)驗(yàn)要求，從它的新2號(hào)平臺(tái)EMP2到整個(gè)白車身，對(duì)高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用都十分的精細(xì)。

今年表現(xiàn)不錯(cuò)的4008以及5008，和即將推出的508L，在車身上面都做足了功夫，翼子板區(qū)域的熱成型高強(qiáng)度鋼的TWB技術(shù)，B柱區(qū)域的TRB技術(shù)，

以及風(fēng)擋立柱和縱梁區(qū)域的高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，熟悉碰撞試驗(yàn)的專業(yè)人士應(yīng)該清楚的知道，這些都是對(duì)性能影響十分重要的區(qū)域。

在這些區(qū)域采用高強(qiáng)度鋼不僅可以滿足安全性能的需要，還大大減少了材料的使用量，將輕量化與結(jié)構(gòu)材料及工藝完美的應(yīng)用的產(chǎn)品中，不得不說標(biāo)致的用心良苦。

明顯可見，未來的汽車市場(chǎng)競(jìng)爭愈加多元化，也愈加激烈，無論是傳統(tǒng)燃油車或者是新能源汽車，車身減重都不能使避而不談的話題，畢竟從車子本身的性能到消費(fèi)者的切身利益，車身減重都能做出巨大的貢獻(xiàn)。

當(dāng)然，汽車輕量化不是簡單的降低重量，而是在成功減重的同時(shí)還能對(duì)整車的性能有所提高才是輕量化的真正意義。

那么對(duì)于眾汽車廠商而言

如何做到在減輕車身重量的同時(shí)保證靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度和動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度，從而保證車身抗扭性能和整車NVH性能；

如何做到減少整車重量，卻可以保證配置不被減少甚至有所升級(jí)；

如何做到減少重量的同時(shí)保證碰撞新能擁有更好的主被動(dòng)安全且能平衡成本，將會(huì)是各大主機(jī)廠未來的研究方向；

如何圍繞著材料選擇、優(yōu)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)工藝三方面同時(shí)進(jìn)行改良和提高， 是每個(gè)主機(jī)廠應(yīng)該認(rèn)真研究的課題。

可以說，誰真正的掌握了輕量化技術(shù)，誰就可以在激烈的競(jìng)爭中脫穎而出，笑傲群雄！