汽車欲降油耗必減車重 欲減重必以鋁代鋼？

想要取代鋼鐵在車身材料中的主導(dǎo)地位，輕量化材料要能夠?qū)⒊杀究刂圃诳沙惺芊秶畠?nèi)。圖/CFP

　　如果把動力總成比作汽車的心臟、智能系統(tǒng)視作大腦，車身的材料就是肌肉，除了電氣化、智能化，現(xiàn)在汽車界還流行起了輕量化，就是把車身的材料從鋼逐步向鋁過渡。

　　按工信部要求，2020年國產(chǎn)乘用車平均油耗要降至5.0L/100km。時間緊、任務(wù)重，減輕車重是最直接有效的降耗減排手段。據(jù)美國能源部以及多家輕量化材料供應(yīng)商的測算，燃油車重量每減少10％，可省油5％－8％。

　　發(fā)展零油耗的電動汽車來把平均油耗拉下去則是另一種方式，由于電池具備較大的重量，為增加續(xù)航里程也得打造更輕的車身。

　　減車重、降油耗、續(xù)里程，國內(nèi)的輕量化車型正在逐漸增多，車身以鋁代鋼是主流。凱迪拉克CT6、國產(chǎn)捷豹XFL等鋁合金車身的燃油車型先后落地，奇瑞小螞蟻（eQ1）作為國內(nèi)率先采用鋁制車身的新能源車型在3月份正式上市，蔚來汽車等新造車企業(yè)的首款量產(chǎn)車也多選用鋁制車身。

　　但相比國外，中國汽車輕量化起步較晚，在材料、工藝和設(shè)計等輕量化研究上與歐美成熟汽車市場存在差距，在日益嚴苛的能耗要求下，國內(nèi)輕量化技術(shù)正在爬坡追趕。

　　材料的抉擇

　　新材料的應(yīng)用是輕量化的關(guān)鍵，不過在未來5年－10年內(nèi)，鋼鐵還是汽車制造的主要材料。

　　大部分受訪專家都認為，輕量化材料的演進需要一個過程，鋁材、碳纖維、復(fù)合材料等在汽車各部位將得到廣泛使用，“但鋼制車身仍將占據(jù)主導(dǎo)地位”。

　　為應(yīng)對各種新材料的挑戰(zhàn)，作為主流汽車制造材料，鋼材自身正在努力減重，新型的高強鋼、超高強鋼不斷研發(fā)并應(yīng)用于汽車制造中。

　　寶鋼股份汽車板技術(shù)服務(wù)總監(jiān)、汽車板技術(shù)服務(wù)室首席工程師鮑平對《財經(jīng)》記者介紹，“目前國內(nèi)車型的超高強鋼使用比較謹慎，平均比例略超5％，而歐美成熟汽車市場的應(yīng)用比例在15％－20％之間。”換句話說，國內(nèi)汽車鋼板的使用還有很大的提高空間。

　　作為國內(nèi)領(lǐng)先的汽車板提供商，寶鋼集團在2015年11月發(fā)布其超輕型白車身——BCB（Baosteel Car Body），高強鋼使用比例達78％。在減輕重量的同時，其整車正面碰撞等多項指標均滿足中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）五星要求，安全性很高。而在實際應(yīng)用中，上汽通用邁銳寶XL的超高強鋼占比已高達40％。

　　但鋼鐵的使用有局限性，其他材料供應(yīng)商紛紛進入汽車制造領(lǐng)域。作為全球領(lǐng)先的鋁壓延產(chǎn)品制造商，總部位于美國的諾貝麗斯公司（Novelis）40年前已在歐洲的汽車行業(yè)開始嘗試使用鋁替代鋼，到現(xiàn)在已有180種車型使用其鋁材。

　　諾貝麗斯中國區(qū)董事總經(jīng)理兼亞洲汽車業(yè)務(wù)副總裁劉清告訴《財經(jīng)》記者，汽車做輕量化，鋼的厚度不能任意減薄，其使用比重包括剛度的要求是有限制的。“所以未來5年－10年里，鋼還是一個主流材料，但更多輕量化材料，特別是鋁，在白車身（指完成焊接但未涂裝、不包括四門兩蓋的車身）里占的份額會越來越多。”

　　想要取代鋼鐵在車身材料中的主導(dǎo)地位，輕量化材料要能夠?qū)⒊杀究刂圃诳沙惺芊秶畠?nèi)進行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，符合條件的并不多。

　　就金屬而言，美國能源部關(guān)注的鎂合金目前因為成本及加工技術(shù)等問題，在車身上還難以低成本量產(chǎn)，目前主要集中應(yīng)用于方向盤等車內(nèi)結(jié)構(gòu)件。而碳纖維盡管比鋁更輕，比鐵更硬，可成本高昂，除了BMWi3等少量車型進入大規(guī)模量產(chǎn)，碳纖維材料主要用在產(chǎn)量有限的高端超跑車上。

　　其他復(fù)合材料和工程塑料等在汽車上早已使用，“以塑代鋼”也是廠商關(guān)注的焦點之一，也在向底盤、覆蓋件等重要汽車零部件擴展，在我國，其使用率也呈逐年上升趨勢。但硬度、強度和拉伸等性能符合造車要求的塑料研發(fā)難度巨大，同時塑料應(yīng)用在關(guān)鍵部位尤其是車身上安全性和可靠性還需要時間檢驗。

　　上述的輕量化材質(zhì)均是研發(fā)方向，也有潛力實現(xiàn)技術(shù)突破，但目前來說，鋁是輕量化材料中成為主流材質(zhì)的大概率選項。諾貝麗斯預(yù)計2013年－2020年，全球汽車用鋁需求的年增長率約為25％。

　　在制造上，鋁合金加工成型性能好，而且全鋁車身的制造生產(chǎn)已有較長時間，工藝相較其他材料更為成熟。在目前技術(shù)條件下，全鋁車身相較于鋼制車身，最大減重可達40％，并且保證性能和安全性不減弱。

　　從成本上來看，鋁制車型的售價漲幅在其目標消費者的接受范圍內(nèi)?！敦斀?jīng)》記者從福特汽車公司總部獲悉，全新一代鋁合金車身的皮卡F-150上市時，入門款XL廠商建議售價上浮395美元，而豪華款Lariat車型漲價1045美元，價格漲幅1.5％－2.6％。

　　這與歐洲的經(jīng)驗類似，劉清以路虎最大的SUV為例，“整個材料成本增加也就1000歐元左右，相較于售價并不多，還有減重省下的油錢，消費者是愿意買單的。”

　　憑借這些優(yōu)勢，在百花齊放的汽車輕量化材料中，鋁材或能最早脫穎而出，來挑戰(zhàn)鋼鐵的主導(dǎo)地位。

　　輕量化“鐵三角”

　　鐵三角指車身設(shè)計、制造工藝和新材料。輕量化在汽車制造領(lǐng)域是一個系統(tǒng)工程，車身設(shè)計在結(jié)構(gòu)上減重，制造工藝的創(chuàng)新能減少零件數(shù)，配合新材料的使用，這組“鐵三角”的平衡才能達到輕量化的最優(yōu)解。

　　車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是在保證車身強度、安全性等前提下，通過優(yōu)化設(shè)計來減少多余結(jié)構(gòu)，提高材料的使用效率，進而減輕車身重量。越來越多的車企選用拓撲優(yōu)化的方案，即根據(jù)給定的負載情況、約束條件和性能指標，在有限空間內(nèi)對材料布局進行改進。

　　在2016年11月中國電動汽車百人會召開的第七次電動汽車熱點問題研討會上，奇瑞新能源研究院院長倪邵勇表示，奇瑞新能源輕量化車型主要是通過經(jīng)驗設(shè)計結(jié)合實車試驗來完成，“希望可以通過拓撲優(yōu)化的方式進一步提升產(chǎn)品各項指標”。

　　結(jié)合CAE等軟件進行仿真模擬，設(shè)計人員確實能節(jié)約開發(fā)時間并幫助車企優(yōu)化減重效果。相較于常規(guī)方法，湖南大學(xué)對電動汽車的骨架采用的輕量化策略可節(jié)約開發(fā)時間30天左右，多減重22.4千克。上汽通用的邁銳寶XL通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，單在車身部分就減重超過50千克。

　　制造工藝的改進和創(chuàng)新與前期設(shè)計息息相關(guān)，后者也在汽車輕量化中發(fā)揮重要作用。寶鋼BCB白車身應(yīng)用熱沖壓、液壓、輥壓和激光拼焊板等成形工藝，在實現(xiàn)車身輕量化的同時，整車性能不下降。

　　與傳統(tǒng)鋼板沖壓件相比，全鋁車身的成形工藝更為多樣，包括型材擠壓、折彎、板材沖壓、鑄造、鍛造等。

　　作為國內(nèi)領(lǐng)先的鋁加工企業(yè)，中國忠旺在近幾年也深入到汽車制造領(lǐng)域。忠旺集團（北京）技術(shù)與發(fā)展中心總監(jiān)夏德偉告訴《財經(jīng)》記者，“鋁制擠壓型材件與鑄件設(shè)計靈活性大、剛性強，對于減少零件數(shù)量、零件減重貢獻很大。”

　　據(jù)了解，如果將車門內(nèi)外板包邊的工藝應(yīng)用到副車架的制造上，相關(guān)零件數(shù)量可以從八到十個減至兩個。而鋼鋁等異金屬連接需要有特定的工藝，焊接、鉚接、粘接等優(yōu)化后的連接工藝對于車身減重也很有幫助。

　　碳纖維雖然價格高昂，但總成的方式取得突破性進展。據(jù)意大利APS技術(shù)有限公司總裁王嘉在前述研討會上的介紹，蘭博基尼Sesto Elemento項目將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的48個零件替換成4個－6個大片，把前圍、地板、后圍集成為一個整體式座艙，工藝并不復(fù)雜，但減重效果突出。

　　在實際的輕量化應(yīng)用中，材料、設(shè)計與工藝三者密不可分，許多特定的材料需要在特定的工藝和設(shè)計下才能夠使用。

　　其中材料供應(yīng)商扮演著非常重要的角色，無論是鋼廠還是鋁加工企業(yè)，它們大多從白車身設(shè)計開始就要前期介入到汽車公司的項目中去。

　　結(jié)合與全球眾多知名汽車品牌長期合作的經(jīng)驗，劉清對《財經(jīng)》記者透露，他們的產(chǎn)品盡管是材料，但提供的服務(wù)已不局限在材料本身，“要跟客戶的研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)加工等相關(guān)部門深入溝通，進行前中期配合，做好售后服務(wù)”。

　　而在做輕量化設(shè)計及研發(fā)時，汽車企業(yè)需要針對不同的車型選用有針對性的輕量化材料來滿足消費者的需求。福特汽車公司北美產(chǎn)品傳播經(jīng)理Mike Levine告訴《財經(jīng)》記者，福特遵循的原則是每一個輕量化車型都是單獨設(shè)計個案來進行研發(fā)設(shè)計。

　　因此，從材料供應(yīng)商到加工過程中的設(shè)備供應(yīng)商，再到汽車主機廠，設(shè)計、工藝和材料這個“鐵三角”中的每個環(huán)節(jié)都需要保持良好的溝通和配合，做到各方面的平衡，汽車的輕量化才能取得更好的效果。

　　前路不易

　　在材料及其加工成本高企、國內(nèi)工業(yè)水平和制造技術(shù)相對落后的市場環(huán)境中，如果政府不能嚴格執(zhí)行能耗和排放政策法規(guī)，車企缺乏減重動力，推動輕量化技術(shù)的發(fā)展困難不小。

　　在2016年10月公布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中，中國汽車工程學(xué)會將輕量化技術(shù)的目標設(shè)為：到2030年，高強鋼應(yīng)用比例大幅增加，單車用鋁量超過350千克，鎂合金45千克，碳纖維使用量占車中5％，整車比2015年減重35％，也提出了材料、工藝和設(shè)計等多條路徑，但要達到上述目標并不容易。

　　在燃油車方面，企業(yè)自身發(fā)展輕量化技術(shù)的內(nèi)在動力有限。雖然部分車企宣傳時會強調(diào)操控性等駕乘體驗，但更主要的還是燃油政策倒逼他們加大投入輕量化。

　　就目前來看，為了控制成本，保證利潤，輕量化技術(shù)多用在價格敏感度低的豪華高端車型。無論是鋁材使用超過50％的凱迪拉克CT6、全鋁車身捷豹XFL，還是剛進入中國的福特猛禽F-150，都是豪華車型，邁銳寶XL也是屬于中高端車。

　　福特汽車公司總裁兼CEO馬克·菲爾茲（Mark Fields）接受《財經(jīng)》記者采訪時表示：“大車型的消費者會比較在乎降低車身重量，這會增加很多性能，愿意為輕量化買單。但是在小車型不會有這樣的考慮，這類消費者并不是最在乎這一點（減重），所以輕量化技術(shù)在中小型車上的應(yīng)用還有待觀察。”

　　雖然據(jù)歐洲鋁業(yè)協(xié)會（EAA）的研究表明，對于傳統(tǒng)燃油車，按目前汽油價格計算，不到兩年即可從節(jié)省的燃油費用里收回鋁替代鋼增加的成本，但讓價格敏感度更高的普通消費者短期內(nèi)付出更高的價格，這個市場還需要更長時間的培育。

　　在商用車領(lǐng)域早就遇到了類似情況，蔚來資本合伙人張君毅告訴《財經(jīng)》記者，隨著供應(yīng)的產(chǎn)品越來越多，鋁制車身的價格自然下降。在乘用車方面，“目前車企高端鋁制車身的制造工廠在中國并不多”，因此輕量化車型下探中低端車型或許仍要一段時間。

　　而且中國汽車鋁板的生產(chǎn)企業(yè)還不多，諾貝麗斯在常州設(shè)廠投產(chǎn)，忠旺集團則在天津投建了鋁板廠，但缺乏規(guī)模效應(yīng)，高端汽車鋁板的成本依然很高，需要更多企業(yè)參與進來，才能降低成本。

　　電動汽車企業(yè)對于輕量化的需求更為迫切，但同樣也需要考慮成本。據(jù)悉，相較于前兩款車型，特斯拉Model 3 的鋼鐵使用比例將明顯提高。蔚來汽車今年3月與諾貝麗斯簽訂五年的合作協(xié)議，不過據(jù)鮑平透露，“蔚來汽車的部分后續(xù)車型也將增加鋼材的使用。”

　　鋁的回收利用一定程度上兼顧了節(jié)能環(huán)保和控制成本。諾貝麗斯和客戶合作，對廢鋁進行閉環(huán)回收，而福特在生產(chǎn)過程中也設(shè)計加入了一個“散料再利用”環(huán)節(jié)——沖壓廢料然后再分類用于新產(chǎn)品的生產(chǎn)中，從而有效降低成本。

　　除了材料本身的成本，由于國內(nèi)車企制造工藝和技術(shù)儲備的不足，材料加工的效率較低，從而增加汽車零部件和主機廠的制造成本。而且新材料和新工藝的使用需要對傳統(tǒng)設(shè)備進行改造，資金壓力巨大。

　　此外，車企既要考慮制造的成本和便利性，還要考慮到售后維修的便利性。由于修理鋁制車身的維修店目前還比較少，使用激光焊接技術(shù)的部位受損維修并不容易。這些新材料和工藝在維修保養(yǎng)上的問題一定程度也阻礙了輕量化的推廣。

　　總體來說，國內(nèi)現(xiàn)在的材料供應(yīng)在品種、數(shù)量和性能上與國外有較大差距。夏德偉坦言，目前國內(nèi)汽車用鋁材與國外相比，在擠壓型材上差距較小，在板材、鑄件等鋁材性能上仍有一定差距，但國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)在努力追趕。

　　但無論是政府還是產(chǎn)業(yè)鏈上的各家企業(yè)和研究人員，都要認識到做產(chǎn)品和技術(shù)的開發(fā)沒有捷徑，中國汽車輕量化處于艱難的爬坡階段。

　　如前述所言，輕量化并不完全是消費者需求和市場競爭導(dǎo)致的，政府的排放和燃油法規(guī)對企業(yè)的投入影響很大。張君毅認為，目前需要相關(guān)政府部門嚴格執(zhí)法，“如果執(zhí)法不力，對那些大力投入輕量化的企業(yè)是一種傷害”。

　　政府的獎勤罰懶能夠給企業(yè)埋頭苦干、拼命爬坡以動力，否則后果將是劣幣驅(qū)逐良幣，在汽車輕量化的發(fā)展上始終落后。