深評：車身輕量化與汽車強度如何取舍？
[汽車之家 深評] “每逢佳節胖三斤”，在這個中國傳統節日中分量最重的春節里，怕是胖的不只三斤，春節過后，減重就成了高頻話題。汽車行業也存在同樣的“減重”話題，近年來，隨著新能源汽車如雨后春筍般的發展，汽車減重也就勢在必行，因為減重在節省開發成本的同時，還能有效地降低油耗、減少排放量和增加操穩性。有試驗表明，汽車每減重10％，油耗可降低6％-8％，排放量可下降約10％，同時對減少制動距離、轉向力和加速時間，提高輪胎壽命等都有顯著的好處。
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本期行業評論員——康賤貓，在主機廠商從事多年的研發工作，對駕駛技術、汽車原理、車型推薦等方面有深入理解，擅長通過通俗易懂的方式解讀汽車行業。
30秒快速閱讀：
1、新能源汽車的快速崛起，對車身輕量化的需求更強烈，車身減重有利于控制成本，提高整車性能、降低能耗。
2、車身減重：材料選擇是基礎，設計開發是樞紐，先進的制造工藝和連接技術是紐帶，三者相輔相成，缺一不可。
3、輕量化不是單純的減輕車身重量，更不是“減配”，如何平衡成本與減重，是每家主機廠需要深入研究的方向。
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，且不增加研發成本的前提下，有目標的減少車身自身重量。在學術上有個詞叫車身輕量化系數，輕量化系數考慮了車身扭轉剛度、車身大小、質量水平，同時該系數引入了扭轉剛度的概念，這樣開發人員就通過輕量化系數初步了解一款車的NVH性能和操控性。
目前，車身輕量化主要有三大途徑：材料的選擇、結構的優化和先進的制造工藝，當然這只是個思路，如何將思路應用于實踐，完美的集成到具體的車型上，還要研發人員根據不同的項目運用不同的方法。
一、材料選擇是基礎
為什么說是材料的選擇，而不是單純的輕質材料？在整車的研發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，簡稱小偏置碰（Small over lape），還有側碰、頂碰、后碰及頭部保護等不同的碰撞要求，這個時候在車身的局部區域就需要零部件有很高的強度要求，比如翼子板內板、風窗立柱、B柱加強板等區域，如果在這些區域單純的選擇輕質材料，那勢必就需要大大z增加材料的厚度，反而會導致車身重量的上升。
●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，提高強度，性價比相對較高。其中，目前應用范圍最廣的當屬鋁合金，因為鋁的密度低，質量大概只有鋼鐵的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；當然鋁合金仍有它的缺點：容易回彈、沖壓碎屑多，焊接性及強度不如鋼材，最重要的一點是成本要高于鋼材。
『合金在汽車上的應用』
●碳纖維材料
當然，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到鋼材的8倍左右，除了具備耐高溫、耐摩擦、導電、導熱等性能外，它的強度更高，質量更輕，尤其在極端氣候條件下，碳纖維材料的表現相當出色，當然成本也相對較高。
『碳纖維材料在汽車上的應用』
●高強度鋼（HSS）
通常將屈服強度在210-550MPa之間，抗拉強度為270-700Mpa之間的鋼材稱為高強度鋼，碳錳鋼（C-Mn）、烘烤硬化鋼（BH）；屈服強度在550MPa以上，抗拉強度在700MPa以上的稱為超高強度鋼，如熱成形鋼（HF）。
高強度鋼的優點在于強度極好，焊接可行性良好，缺點在于密度較高，質量較重，塑性一般，通常應用在車身的局部，如上面提到的對于碰撞性能有要求的區域，在局部選擇高強度鋼可以替代大量的輕質材料，對于車身減重不失為一個好的選擇。
『高強度鋼在汽車上的應用』
二、結構設計是樞紐
通過先進設計方法和技術手段在滿足車身強度、模態、剛度及碰撞等多方面的性能要求同時，在車身設計階段對結構進行優化，提高材料利用率。
在項目設計階段可以通過CAD/CAE技術可以準確實現車身結構設計和布局，對板材料后等參數進行分析和剛度強度計算，計算出準確的力的傳導路徑，對于設計師而言，就可以判斷出哪些區域需要使用高強度強料，哪些區域需要增加料厚，在最大程度上提高材料的使用率，有一點值得注意的是，對于車身而言，力的傳導路徑不是唯一的也不是一成不變的，隨著設計的變更，連接方式的變更，都會導致力的傳達路徑變更，因此，設計人員也要在設計階段學會“隨機應變”。對于采用輕質材料的零部件還可以進行運動干涉等分析，使輕質材料達到車身設計的不同要求。
三、工藝是紐帶
●先進制造工藝
對于上述的翼子板內板等對碰撞比較敏感的區域，通常使用的是高強度鋼，這時候如果使用的仍然是普通的冷成型技術，則板材容易開裂，對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來解決。
●先進的連接技術
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，還可以對車身輕量化有巨大的貢獻，在此列舉幾種對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，最經濟的連接方式，因為無需外加連接體；激光拼焊（TWB）：通常用于高強度鋼之間的連接；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；鋁點焊：批量生產車型的最佳選擇，比較適合機械化操作；膠接：對于有密封或者減震導電等需求的區域的最佳選擇，同時具有等效焊點的強度。
『汽車連接技術』
車身輕量化，并非簡單的用輕量化材質、更不是“偷工減料”，而是從材料到結構的綜合考量。目前各大主機廠也都掌握各自擅長的輕量化技術來應對車身減重這個重要的問題。
1、福特蜂巢狀結構的MuCell微發泡注塑成型技術
這種成型技術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十幾到幾十微米的封閉微型孔，顯而易見，蜂巢結構有利于輕量化，同時成型周期較短。
『福特全新福克斯發動機罩上應用了蜂巢狀結構的MuCell微發泡注塑成型技術』
福特在全新�？怂埂-Max、蒙迪歐等車型發動機罩上，都應用了這種蜂巢狀結構的MuCell微發泡注塑成型技術。福特一直致力于2020年之前實現小型車減重100kg以及大型車減重300kg的目標，這種成型技術在保證零部件耐用性，且優化燃油性降低排放的同時可降低車身重量近20％。
2、寶馬的“Carbon core”和奧迪的“RTM工藝”
相對于福特采取獨有的成型方法，寶馬家的輕量化更多注重復合材料的應用，例如A柱區域就是寶馬獨有的”Carbon core”，在鋼板制成的封閉截面內側插入CFRP（碳纖維強化樹脂）制作的芯材，在減重的同時有提高了整車的穩定性。
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，在使用碳纖維實現輕量化目標的同時也提高了整車的抗彎性能和抗扭性能。
『寶馬7系』
奧迪曾在第一代R8車型上采用了鋁材，但在第二代R8上，把MSS作為工具，將碳纖維復合材料應用在車身上面，大幅度提升了扭轉剛度和車身輕度，同時實現了車身減重。
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氧樹脂，這項技術不僅是材料成型效率高，還可以減少原材料的使用，同時奧迪的工程師們還將單向碳纖維織物與快速硫化環氧樹脂體系結合在一起，采用泡沫夾層，以減少結構件、加強件以及填充物的用量，2017款奧迪A8就同時采用了RTM工藝并在其后壁和后窗臺板上應用了碳纖維復合材料。這些工藝與技術都為奧迪的輕量化做出了巨大的貢獻，奧迪在全球汽車市場中的強大競爭力與此也有密不可分的關系。
『奧迪A8』
3、蔚來的全鋁車身和先進的連接技術
作為新造車企業的代表，蔚來ES8采用的就是全鋁車身，2018年蔚來ES8的一位用戶不慎正面撞在了路邊燈柱，多數人關注的是ES8的破損情況，進而對這輛“中國Tesla”的被動安全性能做一個初步評估，但筆者更關注的是曝露出來的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化的，且在正碰的時候潰縮量要大于鋼材，吸能效果更好，從而更好地保護乘客安全。
作為全鋁車身的先驅者，蔚來自然擁有更加成熟的鋁連接技術，目前ES8車型上應用的連接技術就有很多種，從FDS（熱融自攻鉚接）到RSW（鋁點焊）到CMT（冷金屬過渡弧焊）到SPR（自沖鉚接）都有應用。
『蔚來ES8』
4、通用對復合材料的應用
通用一直致力于輕量化材料的合理使用，并應用在自家品牌旗下的車型之中。價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配，低碳鋼不僅價格經濟，且成形性和可焊性都較好，當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，在車身減重環節就存在較大的劣勢。
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的焊接技術，使得容點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用上面也做了足夠的研究工作，早在2011年通用就在研發碳纖維增強熱塑性塑料這種材料的應用。
『雪佛蘭科爾維特』
5、PSA對高強度鋼的合理應用
標致雪鐵龍作為歐洲第二大汽車制造商，在輕量化技術上的研究絲毫不弱于競爭企業，有些方面甚至優于其他主機廠。標致汽車的輕量化技術很全面，從材料到結構到設計全部都有涉及，車身的每個零部件的重量就是經過嚴格的計算與優化的。
在這重點的談一談標致汽車在高強度鋼方面的應用，因為標致汽車全球化布局，它更多注重的是輕量化之后的性能與安全，對整車的性能表現和碰撞要求都十分嚴格，同時滿足側碰，正碰，頭部保護以及后碰等實驗要求，從它的新2號平臺EMP2到整個白車身，對高強度鋼的應用都十分的精細。
今年表現不錯的標致4008、標致5008，和即將推出的標致508L，在車身上面都做足了功夫，翼子板區域的熱成型高強度鋼的TWB技術，B柱區域的TRB技術，以及風擋立柱和縱梁區域的高強度鋼的應用，熟悉碰撞試驗的專業人士應該清楚的知道，這些都是對性能影響十分重要的區域。在這些區域采用高強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，將輕量化與結構材料及工藝完美的應用的產品中，不得不說標致的用心良苦。
『標志5008』
●總結
明顯可見，未來的汽車市場競爭愈加多元化，也愈加激烈，無論是傳統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，畢竟從車輛本身的性能到消費者的切身利益，車身減重都能做出巨大的貢獻。
當然，汽車輕量化不是簡單的降低重量，而是在成功減重的同時還能對整車的性能有所提高才是輕量化的真正意義。那么對于眾汽車廠商而言，如何做到在減輕車身重量的同時保證靜態扭轉剛度和動態扭轉剛度，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；如何做到減少重量的同時保證碰撞新能擁有更好的主被動安全且能平衡成本，將會是各大主機廠未來的研究方向。
如何圍繞著材料選擇、優化設計、先進工藝三方面同時進行改良和提高，是每個主機廠應該認真研究的課題，可以說，誰真正的掌握了輕量化技術，誰就可以在激烈的競爭中脫穎而出，笑傲群雄�。ㄎ�/汽車之家行業評論員 康賤貓）
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