工程师说 | 敲钢板听声音明显过时了 现在流行轻量化

过去很长一段时间，在不少人眼里，判断一台车是否安全、用料是否扎实的方式之一，就是敲钢板听关门声，觉得有厚重感的就是好车。但随着技术的发展，轻量化已经成为汽车行业先进技术的发展趋势之一。通过降低整车质量，在保持原有安全等级的基础上，能够进一步提升车辆的燃油经济性。

文 | Dr-Zhou

为什么汽车要轻量化？

· 节能减排是汽车轻量化的核心驱动力。

对于燃油车，以美国CAFÉ为代表的标准，要求燃油车的排放不断降低；

对于电动车，则希望用同样的电量获得更多的续航里程（降低单位动力的能耗）。

事实上，在城市工况，汽车的能耗大部分都与质量有关，包括滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力等。

一般来说，燃油车的整车重量每降低100 kg，每百公里油耗可降低0.5 L；

电动车的整车重量每降低100 kg，总续航里程可增加10 km。

另外，从汽车的驾驶性能的角度来看，轻量化会带来加速性能、制动性能、转向性能和爬坡性能的提升。

因此，轻量化很有前景，而且随着未来自动驾驶技术的成熟和落地，汽车的整体结构和轻量化会出现颠覆式创新。

当然，轻量化的前提是保证汽车的安全性和舒适性。

在不牺牲任何安全性和舒适性的前提下，依靠轻量化的技术，提高经济性和动力性，才是轻量化的真正目标。

此外，轻量化和成本的平衡也是主机厂最关注的问题。

「图1 汽车轻量化与成本的关系」

如图1，从A点到B点是成本控制部门最希望做到的，既减重又降成本；

从B点到C点则需要权衡为了提高轻量化收益可以接受多大的成本增加。

除了动力性和经济性，轻量化水平也可以展示主机厂的技术和品牌领先性；

中高端的汽车，轻量化水平会比较高，同时也可以接受轻量化带来的成本增加；

PS：一听全铝车身或碳纤维车身，大家就会觉得车的逼格很高，当然也很会比较贵。

如何实现汽车轻量化？

· 轻量化的方法包括轻量化材料、轻量化工艺和轻量化设计。

这里针对提问者的侧重，我主要说一下轻量化材料的应用。

对于轻量化材料，从中国汽车工程学会2016年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》可以看出材料是如何规划的。

未来十几年，主要是增加高强度钢、铝合金、镁合金和碳纤维增强复合材料的用量。（科普：高比强度的材料在同样的强度下可以更薄更轻。）

「图2 节能与新能源汽车技术路线图」

关于钢材料，按屈服强度的大小，大致分为软钢、高强钢、先进高强钢、热成型钢和超高强钢（LSS ≤ 220 MPa、HSS ≤ 590 MPa、AHSS ≤ 1080 MPa、PHS ≤ 1500 MPa、UHSS ＞ 1500 MPa）。

目前，钢材料是大部分汽车的白车身、开闭件（四门两盖）和底盘（车架）的主要材料。

其中，非重要传力件用普通钢，与刚度相关的用高强钢或先进高强钢，与碰撞相关的用热成型钢。

· 关于铝材料，重点说一下

目前，大部分汽车的用铝量不高（低于10%），主要用于白车身（前后防撞梁和吸能盒）和底盘（转向节、控制臂和轮毂）。

当然，也有为数不多的全铝车身的典型代表，包括捷豹全系列、特斯拉Model S和Model X、蔚来ES8等。

全铝车身是大家公认的技术亮点，相较于全钢车身，减重在40%左右，但综合成本会增加3~5倍（原材料成本和工艺成本）。

事实上，针对“在国内是铝的大量使用还是其他材料使这一问题得到实现呢”这个问题，答案绝对不是全铝车身，而是钢铝混合（铝含量占车身的20%以上）再加少部分镁合金和碳纤维增强复合材料的“多材料结构设计”。

举两个例子:

2018款奥迪A8由全铝车身变为钢铝混合（铝58%，如图3），搭配了镁合金和碳纤维增强复合材料，车身虽然增重54 kg，但刚度大大提高，成本也减低很多;

特斯拉的Model 3为了降低成本，也放弃了全铝车身，改为钢铝混合（铝30%）。

「图3 奥迪A8的白车身材料」

· 关于镁合金，简单说一下。

目前，只有少部分的汽车采用了镁合金的轮毂及管梁支架（CCB）。未来随着镁合金工艺的成熟，用量会逐渐增加。

我本人不太看好镁合金在车身上的大量应用，会极大的增加工艺的难度（连接和防电腐蚀）。

关于碳纤维增强复合材料，成本是制约其发展的主要因素。

目前，碳纤维增强复合材料的成本在300元/kg以上，生产效率也比冲压节拍低很多。

事实上，在百万以下的真正量产车里，只有宝马i3和宝马7系使用了超过10件以上的碳纤维。国产汽车前途K50，几乎是唯一的使用碳纤维作为全部外覆盖件的量产车型（当然，具体以后能量产多少就不知道了）。

2019年，新一代宝马i3为了扩大销量，减低成本，也放弃了碳纤维车身，改为全铝车身。

此外，除了碳纤维增强复合材料，其他塑料的用量也会逐渐增加。

“以塑代钢”和“以塑代玻璃”是塑料行业从业人员不懈努力的方向。

· 轻量化的工艺，主要包括成型工艺和连接工艺，其本质就是通过先进的工艺实现轻量化材料的成功应用。

举两个我认为未来很有前景的工艺：

关于成型，我比较看好金属和碳纤维增强复合材料的3D打印，两者可以最大程度的发挥轻量化结构设计的优势，同时降低制造成本（主要是碳纤维增强复合材料）；

关于连接，先进的连接工艺是实现“多材料结构设计”的前提，除了熔化焊接和机械连接，我认为结构胶会使用的越来越多（像积木一样模块化组装是未来汽车的发展方向）。

· 轻量化的设计，主要包括结构优化和集成优化。

结构优化是通过CAE分析，设计新的轻量化结构或者是在原有结构上优化掉性能冗余的部分（减薄和打孔是比较常用的方法，结构的拓扑优化是比较有挑战性的）；

集成优化是通过模块化和集成化的设计，减少零部件的数量，实现功能的集成。

举两个例子：

前端模块是比较成熟的集成优化，通过塑料的前端框架，将散热器、前大灯、防撞梁及其他冷却系统安装在一个部件上。

另外一个集成优化的例子就是电动汽车的“电机+减速器+电机”的三合一，既可以实现轻量化，又节省了空间。

总之，轻量化是很有前景的，可以通过轻量化材料、轻量化工艺和轻量化设计来实现。

“多材料结构设计”是实现的主要方法。

· 随着汽车“新四化：

电动化、网联化、智能化、共享化”的发展，模块和集成化的新材料、新工艺和新设计会带来意想不到的新潮流。事实上，关于汽车，一切都在改变。

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