基于产品差异的车身轻量化材料策略研究

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邱国华 汪侃磊 郭大洲 (上汽集团乘用车有限公司技术中心，上海 201804)

【摘要】 轻质材料的应用是实现汽车轻量化的有效途径之一。通过研究国内外汽车公司在车身领域的最新成果，结合上汽的车型开发经验，提出了车身材料的发展方向:高端产品以全铝车身配合复合材料外覆盖件;中端主流产品采用超高强度钢板与多种轻质材料混合连接;低端产品仍采用钢制车身，同时加大高强钢的比例。针对这三大发展方向存在的成本、工艺、技术等方面的问题进行了一定探究。

【Abstract】 The application of lightweight materials is one of the effective ways to realize the

lightweight of automobile.In this paper，through the study of domestic and foreign automobile compa-nies in the body of the latest achievements in the field，combined with SAIC Motor experience of vehi-cle development,the development direction of the body material is put forward: High end products would use aluminum body and composite material outer  skin panels; the mainstream products in the end by UHSS and some lightweight material with mixed connection technical; the low － end products still use steel body,but increase the proportion of high strength steel． The study also has been carried through on the three major development direction of the cost，process，technology and other aspects ofthe problem．

【关键词】 轻质材料 铝合金 碳纤维 工程塑料 车身

0 引言

汽车轻量化是实现节能、环保的最有效途径之一。据世界铝业协会分析，汽车重量每减轻10%，可降低 6% ～ 8% 的油耗［1］ 。车身重量约占整车重量的 1/3，因此车身减重是整车轻量化的关键环节。面临日益严苛的汽车安全标准及法规，如何在保证性能并兼顾成本的前提下，最大程度地实现车身轻量化已经成为国内外主流汽车公司的车身技术发展趋势。采用轻质金属(如铝合金、镁合金等)或非金属材料(如工程塑料、玻纤复合材料、碳纤维等)来替代钢材是其中最直接且轻量化贡献最大的解决方案[2］。近几年随着材料成本的下降以及工艺上的逐渐成熟，越来越多的整车企业开始在车身结构上加大轻质材料的应用比例，甚至出现了全铝车身、碳纤维车身等高端应用案例。本文结合国内外汽车公司的最新研究成果及上汽集团的车型开发经验，从产品定位的角度，分类研究各种车身材料的技术发展前景及方向。

1 车身材料应用现状

汽车所用材料分为金属和非金属两大类。金属材料包括钢板、型钢、铸铁等大密度金属材料和铝、镁、钛等小密度金属及其合金材料。非金属材料包括工程塑料、纤维、树脂、玻璃、橡胶、复合材料等。车身材料仍然以钢板为主，铝合金多用于中高端车型，镁合金应用极少，塑料往往应用在一些外覆盖件上，玻璃一般用在前后风挡、天窗及车窗区域，橡胶广泛用于改善车身 NVH 性能及密封性能上，碳纤维主要用于一些概念车或高端车型。根据 2008 ～ 2011 年欧洲车身年会量产车型数据统计，如图 1 所示，纵轴表示在车身重量的百分比，表明钢板仍然是车身主要材料。

图 1 2008 ～2011 年欧洲车身年会主要展车的车身材料使用情况

按照车辆级别细分来看，A0 级车完全采用钢制车身，没有使用到铝合金或非金属轻质材料，一方面受成本因素限制，另一方面 A0 级车本身尺寸较小，性能目标较低且较易实现，所以对车身减重需求不大。而从 A 级车、B 级车、MPV、SUV 等车型看，铝合金和非金属轻质材料的应用情况是类似的:约一半车型采用了铝合金材料，但应用比例大多在 3%左右，应用区域主要集中在前后保险杠防撞横梁。仅日产这款 A 级车是个例外，其铝合金应用比例达到了 10%。究其原因，主要因为这是一款纯电动车，对续航里程有非常严格的要求，因此车身大量使用了超高强度钢板和铝合金材料，而非金属材料应用很少，基本可以忽略不计。

高端车型情况则不同，高端车型主要考虑客户追求的操控性能、舒适性，甚至是科技感，对成本考虑不是关键因素，所以车身开发成本限制较少，而高端车型整车质量一般较大，因此车身轻量化就变得顺理成章甚至更紧迫，铝合金使用率相比其他级别的车型也大幅提升，平均达到 8%以上。

2 轻质材料应用瓶颈分析

在超高强度钢板研究的同时，世界上主要的行业巨头已纷纷另辟蹊径，研发新的可替代钢板的轻质材料。通过替换材料实现轻量化有两个途径:(1)使用同密度、同弹性模量、强度高的材料代替原有的材料，如高强度钢;(2)使用密度小、比强度高的材料代替原有的材料，如铝合金、镁合金、塑料、碳纤维、橡胶及其复合材料等。车身材料也开始了多样化应用趋势。

2．1 车身重量与成本的关系

宝马汽车公司的 Ludke 和 Woltmann ［3］ 以宝马车型的更新换代为例，阐述了成本、质量、材料和设计之间的关系，如图 2 所示。A 处为初始设计，通过结构优化设计(从 A 到 B)，可以得到最优的轻量化设计 B，此时重量和成本同时减小。若结合轻量化材料和结构优化设计，重量还可以进一步减小(从 B 到 C)，但是由于采用轻质材料，成本将不断增加。C 处为最佳的材料选择和结构设计，该处轻量化效果显著，而成本增加不多。轻质材料的使用可以大大减轻车身的重量，但是轻量化材料的价格一般要远远高于钢板的价格，因此轻量化车身的成本要远远高于一般车身的成本。当前高的成本是阻碍铝合金、镁合金、塑料、碳纤维等轻量化材料在车身上大面积应用的主要原因。任何材料能否成为汽车轻量化的主流材质取决于材料的发展，最终的标准是:能否以可承受的成本进行大规模生产。

图 2 车身重量和成本的关系

每一种材料都有与其相对应的应用领域。对于汽车轻量化的新型材料来说，首先要考虑其大规模生产的可能性，其次要看它的成本是否廉价，另外还要综合考虑它的回收利用价值及环保性能。也就是说，一种新型材料之所以不能成为车身的主流材料，是因为它不能在较低的成本下实现大规模生产。

2．2 轻质材料应用技术

铝在地壳中的含量约占 8． 13%，在金属元素中是最丰富的。铝具有良好的机械性能、耐腐蚀性能、加工性及回收性，密度只有钢铁的 1/3，相关技术也相对较成熟，目前铝在车身上的应用主要有铸铝(用于结构受力件)、铝板(用于覆盖件)、型材(规则形状的结构件)，有大量应用于车身上的潜力。奥迪公司投入大量资源进行铝合金在车身上的应用研究，并取得丰硕成果。最经典的应用案例就是 2010 年欧洲车身年会上展出的 AudiA8 铝制车身，如图 3 所示，用铝量达到 92%，仅 B柱加强板是热成型钢板。由于铝的材料成本、制造成本仍然比铁高，影响了铝在车身上的使用，目前仍仅限于中高端车型。

图 3  Audi A8 铝制车身

地壳中镁约占 2． 3%，仅次于铝和铁。中国是镁资源大国，菱镁矿储量居世界首位，探明储量约27 亿吨。镁的密度是铝的 2/3，是铁的 1/4，是最轻的实用金属，高强度、高刚性。因此应用镁合金无疑是我国汽车轻量化的一个重要发展方向，但是镁合金一般用于座椅骨架，仪表盘、转向盘和转向柱、轮圈、发动机汽缸盖、变速器壳、离合器壳等零件，由于镁在常温下加工性差及常规制造成本居高不下，导致其在车身上未真正得以应用。塑料作为最常用的一种非金属材料，在车身上有着很大的应用空间。车身外覆盖件和结构件都可以考虑采用塑料制造，不仅实现了减重，同时更方便售后维修。塑料在车身上的应用随着各种塑料技术发展，车身零件将越来越多的考虑以塑代钢，并辅以集成化设计理念，将大大减轻车身重量。

碳纤维是由非常细薄石化高分子材料的碳丝股绞在一起织成的纤维，价格昂贵，只有高档车才能接受。近年来宝马汽车公布了 i3 纯电动车和 i8插电式混合动力汽车，根据 2014 年欧洲车身年会宝马公司展示的最新车型 i8，如图 4 所示，车身结构采用碳纤维符合增强材料，外造型件采用热塑性塑料和铝合金前后盖，据宝马公司介绍，这种车型开发可节省 50% 能耗，70% 水资源，省去了电泳、焊接等制程。普拉桑公司研发出“挤压法”的面板生产方式，用以取代传统飞机制造业生产碳纤维零部件所采用的热压反应釜。替换热压反应釜不仅能节省加热所需能源的浪费，同时能提高零部件的生产效率。令车身外覆盖件的生产周期由原来的 90 min 缩短为 17 min。另外，最有前途的材料之一是木质素，它是木浆转化为纸浆过程中的副产品之一。木质素若有可能取代以石油为原料的高分子材料制造碳纤维，则将大幅削减碳纤维的成本。为碳纤维在车身上的应用打开了一扇窗户。

图 4 宝马 i8 碳纤维车身结构

综上所述，新材料技术发展不足、原材料成本居高不下、制造成本高是影响轻质材料在车身上推广应用的主要原因。随着新材料技术的进一步发展，创新理念的实施，产品制造工艺的优化，轻质材料的成本将逐步下降，其在车身上的应用瓶颈将逐渐打破，届时将迎来车身真正的轻量化发展。

3 轻质材料在车身上的技术方向

通过近年来国内、外车身材料技术发展研究以及行业内技术交流，可以发现随着新材料技术的发展，创新理念的应用以及产品生产过程中的制程优化，轻质材料产业链日渐成熟，成本开始逐渐降低，一些主机厂也开始逐渐拓宽轻质材料的应用范围。这是一个好的开始，根据产业发展规律，今后几十年仍将是轻质材料与传统材料并存的时期，各自均有发展潜力，但轻质材料将逐渐增加应用比例，传统材料必将减少，处于此消彼长的并存发展阶段。

考虑到不同的车身材料应用方案对于车身轻量化的贡献度大小不同，产品定位差异，以及配套产业链的发展程度，本文提出可以把各种材料在车身上的应用分为 3 个方向:(1)高端车型车身全部采用轻质材料;(2)主流中端车型车身采用超高钢板与多种轻质材料;(3)低端车型加大高强度钢板应用比例，如图 5 所示。

图 5 车身轻质材料应用前景

3．1 高端车型车身轻质材料

全车身采用轻质材料，覆盖件采用薄板铝材或各种工程塑料，结构件采用铸铝或挤出铝型材。其实，近两年新上市的少数跑车或高端 SUV 车型已经应用到了这方面的技术。图 6 所示的某 SUV车身铝质零件多达 95%，还采用了 SMC 复合材料的尾门，车身重量做到了 379 kg，相比传统车身实现了 180 kg 的减重(约 32%)。车身全部采用轻质材料，虽然减重贡献度很高，但目前很难得以普及。首先，物料成本过高是主要的制约因素。铝合金车身，单物料成本就是钢制车身的2．5 倍，而且制造成本也明显增加。虽然采用铝合金车身可以减重 30%左右，但白车身总体成本还是达到了传统钢制车身的2 倍以上。

图 6 采用铝制车身的某 SUV 车型车身结构示意图

碳纤维复合材料更多应用在赛车和跑车的外覆盖件，虽然减重幅度可以高达 60%，但物料成本却是普通钢制外覆盖件的 8 ～ 10 倍，同时也是铝合金外覆盖件的 3 ～4 倍。显然，很难在主流大众车型上推广应用;其次，这些轻质材料的技术成熟度也是重要的制约因素。一方面，铝合金车身需全面采用全新的成型工艺，如铝合金压铸、铝合金冲压、铝合金挤出等。比如，在前纵梁塔形盖板区域采用铝合金材料压铸成型(图 7 所示)，涉及的工艺非常复杂，其模具开发领域目前在国内还是空白，国际上也只有极少数企业可以做。另一方面，铝合金零件的连接也无法采用传统的点焊工艺，而是大量使用铆接、机械咬合等连接方式。这些新工艺对于国内的车身零部件供应商体系以及传统汽车制造的四大工艺冲击都很大，在时间和金钱方面都需要高额投资以便逐步完善。因此，这一发展方向显然更适用于高端车型。一方面，高端车型的利润空间大，成本压力相对较小;另一方面，高端车型更注重的是整车性能，因此对于车身轻量化的需求也更高。这样一来，在高端车型上大量应用轻质材料成为了一种趋势。

图 7 塔形盖板采用铝合金材料压铸成型

3．2 中端车型车身材料发展方向

考虑到市场定位及成本因素，主流中端车型车身结构件采用超高强度钢板，辊压、热成型以及液压涨型等工艺，只在少数外覆盖件或局部相对比较独立的区域采用轻质材料以减轻车身重量以平衡前后轴荷。比如，铝合金发动机盖(图 8 所示)、塑料翼子板、铝合金前后保险杠防撞横梁、镁合金 CCB 管柱、SMC 复合材料尾门、GMT 工程塑料备胎舱等。这些零件本身独立于车身主体结构，与车身螺栓连接或者铆接。相比全铝车身而言，工艺上的成熟度高了很多，成本也能够更好地控制。

图 8 某中高端车型车身材料示意

某车型尾门内板采用 SMC 复合材料，如图 9所示。尾门内板与玻璃和扰流板等外饰零件集成开发，模块化供货，可以减重 2 kg 左右，同时提高了主机厂的制造效率，而且物料成本和模具费用相比钢制尾门也很接近。

图 9 某车型采用的 SMC 复合材料尾门内板

综上所述，对于主流中端车型，车身轻量化、工艺材料车身性能以及车身成本控制的需求并重，需要综合考虑，只适合在车身局部区域采用轻质材料。这样一方面能够更好地适应现有的生产制造体系，另一方面中端车型的市场需求量大，轻质材料应用涉及的高额工装模具费用也可以更好地分摊，提高经济效益。

3．3 低端车型车身材料发展方向

对于低端车型，消费者最看重的就是车辆的性价比，同时低端车型是我国广大三四线城市及农村市场最受欢迎的车型。成本因素是决定车型是否成功的关键因素，因此采用钢制车身为主，加大高强钢的应用比例，在满足目标性能的前提下，成本要素是最为重要的考虑因素，不宜采用成本较高的新材料、新工艺。车身轻量化更多要从结构设计优化的方法来实现，对于轻质材料应用而言，可以使用一些模具费用和物料成本均较低的解决方案:如工程塑料水箱框架、工程塑料蓄电池托盘或者工程塑料后保险杠缓冲横梁等。通常对这些零件的表面质量要求不高，国内供应商体系比较成熟，可以适当采用轻质材料。

4 结语

随着全社会对能源危机和空气质量恶化的日益关注，行业内对于车身轻量化的要求越来越高。未来的车身设计开发，高端车型必然会采用更多的轻质金属、轻质非金属材料;而主流中端车型考虑到性能、成本、重量和制造等因素的平衡，也会逐步加大轻质材料应用的比重，特别是在那些可以和白车身独立连接的子系统，但不会全面采用轻质材料来替代钢材。低端车型，受成本制约较大，倾向于采用传统车身。相信随着轻质材料配套工艺的不断成熟和轻质材料的规模效应，轻质材料的应用门槛会逐渐下降，将推动车身乃至整车轻量化发展。因此，对于自主品牌企业，一定要抓住这一发展机遇，与产业链上下游紧密联系，不断进行产品理念创新，培育在车身领域轻质材料的结构设计、仿真分析、零部件系统开发等多个环节的开发能力，一旦轻质材料的成本及技术成熟度达到产业规模化程度，即可迅速应用到新一代的产品上，以提高自主产品竞争力，赢得市场。

参考文献

［1］ Joseph C． Benedy． Light Metals in Automotive Applica-tions［J］． Light Metal Age，2000(10):34-35．

［2］ 李桂华，熊飞，龙江启． 车身材料轻量化及其新技术的应用［J］． 材料开发与应用，2009(2):87-93．

［3］ 蔺学廉． 国外汽车用复合材料［J］． 现代机械，1991(3):43-45．

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