深評：車身輕量化與汽車強度如何取舍？

2021-12-14 12:11:34 作者：問答叫獸

“每個節(jié)日都胖三磅?！痹谶@個中國傳統(tǒng)節(jié)日里，最重的體重不僅僅是胖了三斤。春節(jié)過后，減肥成了高頻話題。汽車行業(yè)也存在同樣的“減肥”話題。近年來，隨著新能源汽車的快速發(fā)展，汽車輕量化勢在必行，因為輕量化不僅可以節(jié)約開發(fā)成本，還能有效降低油耗、排放，增加操控穩(wěn)定性。試驗表明，每減重10%，油耗可降低6%-8%，排放可降低10%左右。同時，對于減少制動距離、轉(zhuǎn)向力和加速時間，延長輪胎壽命有顯著的好處。

●什么是深度評論和提問？

《深度評論與問題》是為行業(yè)用戶打造的第一個專欄，專門由汽車行業(yè)資深從業(yè)者撰寫，專門分析/揭示行業(yè)重大事件。除了活潑的外表，我們想向你展示對事物的本質(zhì)、因果和未來可能性的探索和思考。

這位行業(yè)評論員嵇康貓，在主機廠商從事R&D工作多年，對駕駛技術(shù)、汽車原理、車型推薦等方面有著深刻的理解，善于用通俗易懂的方式解讀汽車行業(yè)。

目前減輕車身重量的方法主要有三種:選材、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和先進制造技術(shù)。當然，這只是一個想法。如何將這一理念運用到實踐中，并完美地融入到具體的車輛中，需要R&D人員根據(jù)不同的項目采用不同的方法。

第一，選材是基礎(chǔ)

為什么是材料的選擇，而不是簡單的輕質(zhì)材料？在整車的研發(fā)過程中，性能要求是常見的。比如在中國，有一小部分前重疊碰撞試驗，簡稱Small over lape，有側(cè)面碰撞、頂部碰撞、后部碰撞、頭部保護等不同的碰撞要求。此時車身局部區(qū)域的零部件需要高強度要求，如翼子板內(nèi)板、風(fēng)擋柱、B柱加強板等區(qū)域。如果在這些領(lǐng)域簡單地選擇輕質(zhì)材料，必然會非常需要。

●合金材料

在選材方面，鋁合金和鎂合金最受汽車廠商關(guān)注。畢竟這兩種材料可以替代鋼板，減輕重量，提高強度，性價比相對較高。其中，鋁合金是目前應(yīng)用最廣泛的一種，因為鋁的密度低，質(zhì)量只有鋼的1/3左右。鋁合金表面形成的氧化鋁保護層相對耐腐蝕，其成型性比鋼高，回收率高。整車80%以上的鋁可以回收利用。當然，鋁合金還是有它的缺點:容易反彈，沖壓廢料多，可焊性和強度不如鋼，最重要的一點是成本比鋼高。

“合金在汽車上的應(yīng)用”

●碳纖維材料

當然，最理想的材料是碳纖維材料，它是由化學(xué)纖維和石油經(jīng)過特殊工藝制成的。碳纖維的密度不到鋼的1/4，但其耐光性可達鋼的8倍左右。它除了耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱外，還具有更高的強度和更輕的重量。特別是在極端天氣條件下，碳纖維材料表現(xiàn)相當好，當然成本也比較高。

“碳纖維材料在汽車上的應(yīng)用”

●高強度鋼

通常，屈服強度為210-550兆帕、抗拉強度為270-700兆帕的鋼稱為高強度鋼、碳錳鋼和烘烤硬化鋼。屈服強度大于550兆帕、抗拉強度大于700兆帕的超高強度鋼，如熱成型鋼。

高強度鋼的優(yōu)點在于其優(yōu)異的強度和良好的焊接可行性，缺點在于其密度高、重量大和塑性一般。通常用于車身局部區(qū)域。比如在如上所述要求碰撞性能的區(qū)域，局部選用高強度鋼可以替代大量輕質(zhì)材料，是車身減重的好選擇。

《高強度鋼在汽車上的應(yīng)用》

第二，結(jié)構(gòu)設(shè)計是樞紐。

通過先進的設(shè)計方法和技術(shù)手段，在滿足車身強度、模態(tài)、剛度、碰撞等方面性能要求的同時，在車身設(shè)計階段對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提高材料利用率。

在項目設(shè)計階段，可以利用CAD/CAE技術(shù)精確實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計和布局，分析板材的背面參數(shù)并計算剛度和強度，計算精確的傳力路徑。對于設(shè)計師來說，我們可以確定哪些區(qū)域需要使用高強度材料，哪些區(qū)域需要增加材料厚度，從而最大限度地提高材料的利用率。值得注意的是，對于車身來說，力的傳遞路徑不是唯一的，也不是一成不變的。隨著設(shè)計和連接方式的改變，力的傳遞路徑也會發(fā)生變化。所以設(shè)計師要學(xué)會在設(shè)計階段“隨機應(yīng)變”。由輕質(zhì)材料制成的零件也可以通過運動干涉進行分析，使輕質(zhì)材料能夠滿足車身設(shè)計的不同要求。

第三，技術(shù)是紐帶

●先進制造技術(shù)

對于上述對碰撞敏感的區(qū)域，如翼子板內(nèi)板，通常使用高強度鋼。此時如果仍采用普通的冷成型技術(shù)，板材容易開裂，對車身的性能影響很大。因此，通常采用熱成型技術(shù)來解決，如TWB或TRB，一種成型前焊接的熱成型技術(shù)。

●先進的連接技術(shù)

無論是鋼與鋁之間還是鋼與鋁之間，合適的連接方式既能保證車身的各項性能要求，又能為車身輕量化做出巨大貢獻。以下是幾種非常有助于減肥的連接方法:

無鉚釘連接:最快最經(jīng)濟的連接方式，因為不需要外接連接器；激光拼焊:通常用于高強度鋼之間的連接；攪拌摩擦焊:鋁材之間的最佳選擇，如連接電池外殼的鋁型材；鋁點焊:量產(chǎn)車的最佳選擇，更適合機械化作業(yè)；粘接:對于有密封或減震導(dǎo)電等要求的區(qū)域是最佳選擇，同時具有等效焊點的強度。

“汽車連接技術(shù)”

輕量化車身不是簡單的用輕量化材料制造，更不是“偷工減料”，而是從材料到結(jié)構(gòu)的綜合考慮。目前，各大原始設(shè)備制造商已經(jīng)掌握了自己的輕量化技術(shù)，以應(yīng)對減輕車身重量的重要問題。

1.福特蜂窩結(jié)構(gòu)微發(fā)泡注射成型技術(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，使產(chǎn)品的中間層密布著尺寸從幾十微米到幾十微米的封閉微孔。顯然，蜂窩結(jié)構(gòu)有利于輕量化，成型周期短。

“新款福特福克斯（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）發(fā)動機罩采用了蜂窩結(jié)構(gòu)的微孔微泡沫注塑成型技術(shù)”

MuCell的這種蜂窩狀微泡沫注塑成型技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于?？怂埂?a target="_blank" class="cmsLink">C-Max、蒙迪歐（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）等福特新車型的引擎蓋。福特一直致力于在2021年前將小型車重量減輕100公斤，大型車重量減輕300公斤的目標。這種成型技術(shù)可以將車身重量減輕近20%，同時確保零件的耐用性，優(yōu)化燃油經(jīng)濟性并減少排放。

2.寶馬的“碳芯”和奧迪的“RTM工藝”

相比福特獨特的成型方式，寶馬的輕量化更注重復(fù)合材料的應(yīng)用。比如a柱區(qū)域就是寶馬獨有的“碳芯”，鋼板制成的封閉段中插入了CFRP制成的芯材，不僅減輕了重量，還提高了整車的穩(wěn)定性。

比如寶馬7系（查成交價|參配|優(yōu)惠政策），雖然車身的基本骨架依然是鋼制的，但是CFRP在一些地方還是用的。與上一代相比，全新7系的車身重量為40kg，不僅采用碳纖維實現(xiàn)了輕量化的目標，還提升了整車的抗彎性能和抗扭性能。

寶馬7系

奧迪在第一代R8車型中使用了鋁，但在第二代R8中，使用了MSS作為工具，并在車身上應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料，大大提高了車身的抗扭剛度和輕量化，同時實現(xiàn)了車身的輕量化。

奧迪RTM工藝將環(huán)氧樹脂注入碳纖維包裹的泡沫材料中。該技術(shù)不僅成型效率高，而且可以減少原材料的使用。同時，奧迪工程師還將單向碳纖維織物與快速固化環(huán)氧樹脂體系相結(jié)合，采用泡沫夾層，減少結(jié)構(gòu)件、增強材料和填料的消耗。2017款奧迪A8（查成交價|參配|優(yōu)惠政策），同時采用RTM工藝，其后壁、后窗臺均采用碳纖維復(fù)合材料。這些工藝和技術(shù)為奧迪的輕量化做出了巨大貢獻，奧迪在全球汽車市場的強大競爭力也與此密切相關(guān)。

奧迪A8

3.蔚來的全鋁車身和先進的連接技術(shù)

作為新造車企業(yè)的代表，蔚來ES8（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）采用了全鋁車身。2021年，蔚來ES8的一位用戶不小心迎面撞上了路邊的路燈柱。大多數(shù)人關(guān)注的是ES8的受損情況，然后對這款“中國特斯拉”的被動安全性能做了初步評估。而筆者更關(guān)注的是外露的7系鋁防撞梁，其減輕車身重量的作用毋庸置疑，部分7系鋁可以通過熱處理進行強化。

作為全鋁車身的開創(chuàng)者，蔚來自然擁有更加成熟的鋁連接技術(shù)。目前ES8車型使用的連接技術(shù)有很多種，從FDS到RSW到CMT再到SPR。

“蔚來ES8”

4.復(fù)合材料的一般應(yīng)用

通用汽車一直致力于合理使用輕質(zhì)材料，并將其應(yīng)用于自己的品牌車型。低成本但耐疲勞的低碳鋼一度成為一般乘用車和輕卡的標配。低碳鋼不僅價格經(jīng)濟，而且具有良好的成形性和焊接性。當然，低碳鋼也有自己的缺點:耐腐蝕性差，重量比鋁合金和鎂合金重等。，而且在體重減輕方面還有一個很大的缺點。

在雪佛蘭C7克爾維特和MALIBU的制造過程中，通用汽車大量使用鋁板制作車身鈑金件，大量使用擠壓鋁材制作車架縱梁。新CT6使用鋁代替低碳鋼。因此，通用汽車還采用了先進的焊接技術(shù)，使兩種電容點不同的材料可以焊接在一起，這也使這款凱迪拉克在重量上優(yōu)于大多數(shù)其他配置相同的車型。在轉(zhuǎn)基因鎂合金和碳纖維的應(yīng)用方面也做了大量的研究工作。早在2021年，通用汽車就在研發(fā)碳纖維增強熱塑性塑料的應(yīng)用。

雪佛蘭科爾維特（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）

5.變壓吸附在高強度鋼中的合理應(yīng)用

標致雪鐵龍作為歐洲第二大汽車制造商，在輕量化技術(shù)的研究上并不遜色于競爭對手，甚至在某些方面優(yōu)于其他原始設(shè)備制造商。標致的輕量化技術(shù)非常全面，涉及從材料到結(jié)構(gòu)再到設(shè)計的方方面面，車身各部分的重量都經(jīng)過嚴格的計算和優(yōu)化。

在這一點上，我們將談?wù)剺酥略诟邚姸蠕撝械膽?yīng)用。因為標致的全球化布局，更加注重輕量化后的性能和安全性，對整車的性能和碰撞有著嚴格的要求。同時能滿足側(cè)面碰撞、正面碰撞、頭部保護和后部碰撞的實驗要求。從其全新的2號平臺EMP2到全身白色，高強度鋼的應(yīng)用非常精細。

今年表現(xiàn)不錯的標致4008（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）、標致5008（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）、標致508（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）L，在車身、翼子板區(qū)域熱成型高強度鋼的TWB技術(shù)、B柱區(qū)域的TRB技術(shù)、風(fēng)擋柱、縱梁區(qū)域高強度鋼的應(yīng)用等方面都做足了功夫。熟悉碰撞試驗的專業(yè)人士應(yīng)該清楚地知道，這些都是對性能有很大影響的領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域使用高強度鋼不僅可以滿足安全性能的需要，還可以大大減少材料的使用量。不得不說，標致在將輕量化與結(jié)構(gòu)材料和工藝完美結(jié)合的產(chǎn)品上用心良苦。

“標志5008”

●總結(jié)

顯然，未來汽車市場的競爭將更加多元化、更加激烈。無論是傳統(tǒng)燃油車還是新能源車，車身減重都是無法回避的話題。畢竟從車輛本身的性能到消費者的切身利益，車身減重都可以做出很大的貢獻。

當然，汽車輕量化并不是簡單的減輕重量，而是在提高整車性能的同時成功減輕重量才是輕量化的真正意義。那么，對于很多汽車廠商來說，如何在保證靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度和動態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度的同時減輕車身重量，從而保證車身的扭轉(zhuǎn)性能和整車的NVH性能；如何減輕整車重量才能保證配置不降低甚至升級；如何在降低重量的同時保證碰撞能量具有更好的主被動安全性并能平衡成本將是各大原始設(shè)備制造商未來的研究方向。

如何在選材、優(yōu)化設(shè)計和先進工藝的同時進行改進和提高，是每個OEM都應(yīng)該認真研究的課題?？梢哉f，誰真正掌握了輕量化技術(shù)，誰就能在激烈的競爭中脫穎而出，脫穎而出！

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