深評(píng)：車(chē)身輕量化與汽車(chē)強(qiáng)度如何取舍？
[汽車(chē)之家 深評(píng)] “每逢佳節(jié)胖三斤”，在這個(gè)中國(guó)傳統(tǒng)節(jié)日中分量最重的春節(jié)里，怕是胖的不只三斤，春節(jié)過(guò)后，減重就成了高頻話題。汽車(chē)行業(yè)也存在同樣的“減重”話題，近年來(lái)，隨著新能源汽車(chē)如雨后春筍般的發(fā)展，汽車(chē)減重也就勢(shì)在必行，因?yàn)闇p重在節(jié)省開(kāi)發(fā)成本的同時(shí)，還能有效地降低油耗、減少排放量和增加操穩(wěn)性。有試驗(yàn)表明，汽車(chē)每減重10％，油耗可降低6％-8％，排放量可下降約10％，同時(shí)對(duì)減少制動(dòng)距離、轉(zhuǎn)向力和加速時(shí)間，提高輪胎壽命等都有顯著的好處。
●《深評(píng)問(wèn)道》是什么？
《深評(píng)問(wèn)道》是汽車(chē)之家首個(gè)面向行業(yè)端用戶打造的節(jié)目，特約汽車(chē)行業(yè)資深從業(yè)者執(zhí)筆，獨(dú)家解析／揭秘行業(yè)大事件。除了熱鬧表象，我們更想向您呈現(xiàn)對(duì)事物本質(zhì)、因果以及未來(lái)可能性的探究和思考。
本期行業(yè)評(píng)論員——康賤貓，在主機(jī)廠商從事多年的研發(fā)工作，對(duì)駕駛技術(shù)、汽車(chē)原理、車(chē)型推薦等方面有深入理解，擅長(zhǎng)通過(guò)通俗易懂的方式解讀汽車(chē)行業(yè)。
30秒快速閱讀：
1、新能源汽車(chē)的快速崛起，對(duì)車(chē)身輕量化的需求更強(qiáng)烈，車(chē)身減重有利于控制成本，提高整車(chē)性能、降低能耗。
2、車(chē)身減重：材料選擇是基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)是樞紐，先進(jìn)的制造工藝和連接技術(shù)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(chē)身重量，更不是“減配”，如何平衡成本與減重，是每家主機(jī)廠需要深入研究的方向。
車(chē)身輕量化是指在汽車(chē)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(fā)成本的前提下，有目標(biāo)的減少車(chē)身自身重量。在學(xué)術(shù)上有個(gè)詞叫車(chē)身輕量化系數(shù)，輕量化系數(shù)考慮了車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度、車(chē)身大小、質(zhì)量水平，同時(shí)該系數(shù)引入了扭轉(zhuǎn)剛度的概念，這樣開(kāi)發(fā)人員就通過(guò)輕量化系數(shù)初步了解一款車(chē)的NVH性能和操控性。
目前，車(chē)身輕量化主要有三大途徑：材料的選擇、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和先進(jìn)的制造工藝，當(dāng)然這只是個(gè)思路，如何將思路應(yīng)用于實(shí)踐，完美的集成到具體的車(chē)型上，還要研發(fā)人員根據(jù)不同的項(xiàng)目運(yùn)用不同的方法。
一、材料選擇是基礎(chǔ)
為什么說(shuō)是材料的選擇，而不是單純的輕質(zhì)材料？在整車(chē)的研發(fā)過(guò)程中通常有性能的要求，比如在中國(guó)有前部小部分重疊碰撞試驗(yàn)，簡(jiǎn)稱小偏置碰（Small over lape），還有側(cè)碰、頂碰、后碰及頭部保護(hù)等不同的碰撞要求，這個(gè)時(shí)候在車(chē)身的局部區(qū)域就需要零部件有很高的強(qiáng)度要求，比如翼子板內(nèi)板、風(fēng)窗立柱、B柱加強(qiáng)板等區(qū)域，如果在這些區(qū)域單純的選擇輕質(zhì)材料，那勢(shì)必就需要大大z增加材料的厚度，反而會(huì)導(dǎo)致車(chē)身重量的上升。
●合金材料
在材料的選擇方面，最受汽車(chē)廠商關(guān)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(qiáng)度，性價(jià)比相對(duì)較高。其中，目前應(yīng)用范圍最廣的當(dāng)屬鋁合金，因?yàn)殇X的密度低，質(zhì)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(hù)層比較耐腐蝕，成型性要高于鋼材，而且回收利用率高，整車(chē)中80％以上的鋁是可以回收的；當(dāng)然鋁合金仍有它的缺點(diǎn)：容易回彈、沖壓碎屑多，焊接性及強(qiáng)度不如鋼材，最重要的一點(diǎn)是成本要高于鋼材。
『合金在汽車(chē)上的應(yīng)用』
●碳纖維材料
當(dāng)然，最理想的材料莫過(guò)于碳纖維材料，碳纖維材料是由化纖和石油經(jīng)過(guò)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(lái)輕度卻可以達(dá)到鋼材的8倍左右，除了具備耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能外，它的強(qiáng)度更高，質(zhì)量更輕，尤其在極端氣候條件下，碳纖維材料的表現(xiàn)相當(dāng)出色，當(dāng)然成本也相對(duì)較高。
『碳纖維材料在汽車(chē)上的應(yīng)用』
●高強(qiáng)度鋼（HSS）
通常將屈服強(qiáng)度在210-550MPa之間，抗拉強(qiáng)度為270-700Mpa之間的鋼材稱為高強(qiáng)度鋼，碳錳鋼（C-Mn）、烘烤硬化鋼（BH）；屈服強(qiáng)度在550MPa以上，抗拉強(qiáng)度在700MPa以上的稱為超高強(qiáng)度鋼，如熱成形鋼（HF）。
高強(qiáng)度鋼的優(yōu)點(diǎn)在于強(qiáng)度極好，焊接可行性良好，缺點(diǎn)在于密度較高，質(zhì)量較重，塑性一般，通常應(yīng)用在車(chē)身的局部，如上面提到的對(duì)于碰撞性能有要求的區(qū)域，在局部選擇高強(qiáng)度鋼可以替代大量的輕質(zhì)材料，對(duì)于車(chē)身減重不失為一個(gè)好的選擇。
『高強(qiáng)度鋼在汽車(chē)上的應(yīng)用』
二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是樞紐
通過(guò)先進(jìn)設(shè)計(jì)方法和技術(shù)手段在滿足車(chē)身強(qiáng)度、模態(tài)、剛度及碰撞等多方面的性能要求同時(shí)，在車(chē)身設(shè)計(jì)階段對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高材料利用率。
在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段可以通過(guò)CAD/CAE技術(shù)可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局，對(duì)板材料后等參數(shù)進(jìn)行分析和剛度強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算出準(zhǔn)確的力的傳導(dǎo)路徑，對(duì)于設(shè)計(jì)師而言，就可以判斷出哪些區(qū)域需要使用高強(qiáng)度強(qiáng)料，哪些區(qū)域需要增加料厚，在最大程度上提高材料的使用率，有一點(diǎn)值得注意的是，對(duì)于車(chē)身而言，力的傳導(dǎo)路徑不是唯一的也不是一成不變的，隨著設(shè)計(jì)的變更，連接方式的變更，都會(huì)導(dǎo)致力的傳達(dá)路徑變更，因此，設(shè)計(jì)人員也要在設(shè)計(jì)階段學(xué)會(huì)“隨機(jī)應(yīng)變”。對(duì)于采用輕質(zhì)材料的零部件還可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉等分析，使輕質(zhì)材料達(dá)到車(chē)身設(shè)計(jì)的不同要求。
三、工藝是紐帶
●先進(jìn)制造工藝
對(duì)于上述的翼子板內(nèi)板等對(duì)碰撞比較敏感的區(qū)域，通常使用的是高強(qiáng)度鋼，這時(shí)候如果使用的仍然是普通的冷成型技術(shù)，則板材容易開(kāi)裂，對(duì)于車(chē)身性能的影響是很大的，因此，通常情況下采用熱成型技術(shù)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(shù)來(lái)解決。
●先進(jìn)的連接技術(shù)
無(wú)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(chē)身的各種性能要求，還可以對(duì)車(chē)身輕量化有巨大的貢獻(xiàn)，在此列舉幾種對(duì)減重十分有幫助的連接方法（包括但不限于）：
無(wú)鉚連接（clich）：速度最快，最經(jīng)濟(jì)的連接方式，因?yàn)闊o(wú)需外加連接體；激光拼焊（TWB）：通常用于高強(qiáng)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(diǎn)焊：批量生產(chǎn)車(chē)型的最佳選擇，比較適合機(jī)械化操作；膠接：對(duì)于有密封或者減震導(dǎo)電等需求的區(qū)域的最佳選擇，同時(shí)具有等效焊點(diǎn)的強(qiáng)度。
『汽車(chē)連接技術(shù)』
車(chē)身輕量化，并非簡(jiǎn)單的用輕量化材質(zhì)、更不是“偷工減料”，而是從材料到結(jié)構(gòu)的綜合考量。目前各大主機(jī)廠也都掌握各自擅長(zhǎng)的輕量化技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)車(chē)身減重這個(gè)重要的問(wèn)題。
1、福特蜂巢狀結(jié)構(gòu)的MuCell微發(fā)泡注塑成型技術(shù)
這種成型技術(shù)是指以熱塑性材料為基材，通過(guò)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(jiàn)，蜂巢結(jié)構(gòu)有利于輕量化，同時(shí)成型周期較短。
『福特全新福克斯發(fā)動(dòng)機(jī)罩上應(yīng)用了蜂巢狀結(jié)構(gòu)的MuCell微發(fā)泡注塑成型技術(shù)』
福特在全新�？怂埂-Max、蒙迪歐等車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)罩上，都應(yīng)用了這種蜂巢狀結(jié)構(gòu)的MuCell微發(fā)泡注塑成型技術(shù)。福特一直致力于2020年之前實(shí)現(xiàn)小型車(chē)減重100kg以及大型車(chē)減重300kg的目標(biāo)，這種成型技術(shù)在保證零部件耐用性，且優(yōu)化燃油性降低排放的同時(shí)可降低車(chē)身重量近20％。
2、寶馬的“Carbon core”和奧迪的“RTM工藝”
相對(duì)于福特采取獨(dú)有的成型方法，寶馬家的輕量化更多注重復(fù)合材料的應(yīng)用，例如A柱區(qū)域就是寶馬獨(dú)有的”Carbon core”，在鋼板制成的封閉截面內(nèi)側(cè)插入CFRP（碳纖維強(qiáng)化樹(shù)脂）制作的芯材，在減重的同時(shí)有提高了整車(chē)的穩(wěn)定性。
如寶馬7系，雖然車(chē)身的基本骨架仍然采用鋼材，但局部區(qū)域使用CFRP。新款7系相較于上一代車(chē)型，車(chē)身減重40kg，在使用碳纖維實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)的同時(shí)也提高了整車(chē)的抗彎性能和抗扭性能。
『寶馬7系』
奧迪曾在第一代R8車(chē)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(fù)合材料應(yīng)用在車(chē)身上面，大幅度提升了扭轉(zhuǎn)剛度和車(chē)身輕度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了車(chē)身減重。
奧迪的RTM（樹(shù)脂傳遞模塑）工藝，在被碳纖維包裹的泡沫材料中注入環(huán)氧樹(shù)脂，這項(xiàng)技術(shù)不僅是材料成型效率高，還可以減少原材料的使用，同時(shí)奧迪的工程師們還將單向碳纖維織物與快速硫化環(huán)氧樹(shù)脂體系結(jié)合在一起，采用泡沫夾層，以減少結(jié)構(gòu)件、加強(qiáng)件以及填充物的用量，2017款?yuàn)W迪A8就同時(shí)采用了RTM工藝并在其后壁和后窗臺(tái)板上應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料。這些工藝與技術(shù)都為奧迪的輕量化做出了巨大的貢獻(xiàn)，奧迪在全球汽車(chē)市場(chǎng)中的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)力與此也有密不可分的關(guān)系。
『奧迪A8』
3、蔚來(lái)的全鋁車(chē)身和先進(jìn)的連接技術(shù)
作為新造車(chē)企業(yè)的代表，蔚來(lái)ES8采用的就是全鋁車(chē)身，2018年蔚來(lái)ES8的一位用戶不慎正面撞在了路邊燈柱，多數(shù)人關(guān)注的是ES8的破損情況，進(jìn)而對(duì)這輛“中國(guó)Tesla”的被動(dòng)安全性能做一個(gè)初步評(píng)估，但筆者更關(guān)注的是曝露出來(lái)的7系鋁制防撞梁，鋁制防撞梁在車(chē)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(qiáng)化的，且在正碰的時(shí)候潰縮量要大于鋼材，吸能效果更好，從而更好地保護(hù)乘客安全。
作為全鋁車(chē)身的先驅(qū)者，蔚來(lái)自然擁有更加成熟的鋁連接技術(shù)，目前ES8車(chē)型上應(yīng)用的連接技術(shù)就有很多種，從FDS（熱融自攻鉚接）到RSW（鋁點(diǎn)焊）到CMT（冷金屬過(guò)渡弧焊）到SPR（自沖鉚接）都有應(yīng)用。
『蔚來(lái)ES8』
4、通用對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)用
通用一直致力于輕量化材料的合理使用，并應(yīng)用在自家品牌旗下的車(chē)型之中。價(jià)格低廉但耐疲勞的低碳鋼曾一度成為通用乘用車(chē)和輕卡的標(biāo)配，低碳鋼不僅價(jià)格經(jīng)濟(jì)，且成形性和可焊性都較好，當(dāng)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(chē)身減重環(huán)節(jié)就存在較大的劣勢(shì)。
通用在雪佛蘭C7 Corvette和MALIBU的制造過(guò)程中，使用了大量的鋁板制造車(chē)身鈑金件，使用了大量的擠制鋁材制造車(chē)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(jìn)的焊接技術(shù)，使得容點(diǎn)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(yōu)于大部分其他同款配置車(chē)型。通用在鎂合金以及碳纖維兩種材料的應(yīng)用上面也做了足夠的研究工作，早在2011年通用就在研發(fā)碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料這種材料的應(yīng)用。
『雪佛蘭科爾維特』
5、PSA對(duì)高強(qiáng)度鋼的合理應(yīng)用
標(biāo)致雪鐵龍作為歐洲第二大汽車(chē)制造商，在輕量化技術(shù)上的研究絲毫不弱于競(jìng)爭(zhēng)企業(yè)，有些方面甚至優(yōu)于其他主機(jī)廠。標(biāo)致汽車(chē)的輕量化技術(shù)很全面，從材料到結(jié)構(gòu)到設(shè)計(jì)全部都有涉及，車(chē)身的每個(gè)零部件的重量就是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算與優(yōu)化的。
在這重點(diǎn)的談一談標(biāo)致汽車(chē)在高強(qiáng)度鋼方面的應(yīng)用，因?yàn)闃?biāo)致汽車(chē)全球化布局，它更多注重的是輕量化之后的性能與安全，對(duì)整車(chē)的性能表現(xiàn)和碰撞要求都十分嚴(yán)格，同時(shí)滿足側(cè)碰，正碰，頭部保護(hù)以及后碰等實(shí)驗(yàn)要求，從它的新2號(hào)平臺(tái)EMP2到整個(gè)白車(chē)身，對(duì)高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用都十分的精細(xì)。
今年表現(xiàn)不錯(cuò)的標(biāo)致4008、標(biāo)致5008，和即將推出的標(biāo)致508L，在車(chē)身上面都做足了功夫，翼子板區(qū)域的熱成型高強(qiáng)度鋼的TWB技術(shù)，B柱區(qū)域的TRB技術(shù)，以及風(fēng)擋立柱和縱梁區(qū)域的高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用，熟悉碰撞試驗(yàn)的專業(yè)人士應(yīng)該清楚的知道，這些都是對(duì)性能影響十分重要的區(qū)域。在這些區(qū)域采用高強(qiáng)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(jié)構(gòu)材料及工藝完美的應(yīng)用的產(chǎn)品中，不得不說(shuō)標(biāo)致的用心良苦。
『標(biāo)志5008』
●總結(jié)
明顯可見(jiàn)，未來(lái)的汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈加多元化，也愈加激烈，無(wú)論是傳統(tǒng)燃油車(chē)或者是新能源汽車(chē)，車(chē)身減重都不能使避而不談的話題，畢竟從車(chē)輛本身的性能到消費(fèi)者的切身利益，車(chē)身減重都能做出巨大的貢獻(xiàn)。
當(dāng)然，汽車(chē)輕量化不是簡(jiǎn)單的降低重量，而是在成功減重的同時(shí)還能對(duì)整車(chē)的性能有所提高才是輕量化的真正意義。那么對(duì)于眾汽車(chē)廠商而言，如何做到在減輕車(chē)身重量的同時(shí)保證靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度和動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度，從而保證車(chē)身抗扭性能和整車(chē)NVH性能；如何做到減少整車(chē)重量，卻可以保證配置不被減少甚至有所升級(jí)；如何做到減少重量的同時(shí)保證碰撞新能擁有更好的主被動(dòng)安全且能平衡成本，將會(huì)是各大主機(jī)廠未來(lái)的研究方向。
如何圍繞著材料選擇、優(yōu)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)工藝三方面同時(shí)進(jìn)行改良和提高，是每個(gè)主機(jī)廠應(yīng)該認(rèn)真研究的課題，可以說(shuō)，誰(shuí)真正的掌握了輕量化技術(shù)，誰(shuí)就可以在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，笑傲群雄！（文/汽車(chē)之家行業(yè)評(píng)論員 康賤貓）
加載中
好評(píng)理由：
差評(píng)理由：