国内轻量化技术正在爬坡追赶/文施智梁

为了取代钢材在车身材料中的主导地位，轻量化材料必须能够将成本保持在可承受的范围内，而符合条件的并不多。

为了取代钢材在车身材料中的主导地位，轻质材料必须能够将成本保持在可承受的范围内。 图片/CFP

《财经》实习生王彬彬/温世志良/编辑

如果把动力总成比作汽车的心脏，把智能系统比作大脑，那么身体的物质就是肌肉。 除了电动化、智能化之外，汽车行业也流行轻量化，就是车身材质逐渐从钢过渡到铝。 。

根据工信部要求，2020年国产乘用车平均油耗降至5.0L/100公里，时间紧、任务重。 减轻汽车重量是降低消耗和排放最直接、最有效的手段。 据美国能源部和多家轻量化材料供应商测算，燃油汽车重量每减轻10%，可节省5%至8%的燃油。

开发零油耗电动汽车以降低平均油耗是另一种方式。 由于电池重量较重，因此必须打造更轻的车身以增加续航里程。

为了减轻车重、降低油耗、增加行驶里程，国内轻量化车型逐渐增多，车身采用铝代钢是主流。 采用铝合金车身的燃油车型，如凯迪拉克CT6和国产捷豹量产车也大多采用铝合金车身。

但与国外相比，我国汽车轻量化起步较晚。 中国在材料、工艺、设计等轻量化研究方面与欧美成熟汽车市场存在差距。 在日益严格的能耗要求下，国内轻量化技术正在迎头赶上。 。

材质选择

新材料的应用是轻量化的关键，但未来5至10年，钢铁仍将是汽车制造的主要材料。

大部分受访专家认为，轻量化材料的演进需要一个过程。 铝、碳纤维、复合材料等将广泛应用于汽车的各个部件，“但钢制车身仍将占据主导地位”。

为了应对各种新材料的挑战，钢铁本身作为主流的汽车制造材料，正在努力减轻重量。 新型高强钢、超高强钢不断开发并应用于汽车制造。

宝钢股份汽车板技术服务总监、汽车板技术服务室总工程师包平告诉《财经》记者，“目前国内车型对超高强钢的使用还比较谨慎，平均比例略高于5%。 但在欧美成熟汽车市场的应用比例在15%到20%之间。”也就是说，国内汽车钢板的使用还有很大的提升空间。

作为中国领先的汽车板供应商，宝钢集团于2015年11月发布了超轻白车身——BCB（宝钢车身），采用了78%的高强度钢材。 在减轻重量的同时，其车辆的正面碰撞等指标满足中国新车评价体系（C-NCAP）五星级要求，安全性非常高。 在实际应用中，上汽通用迈锐宝XL中超高强度钢的比例高达40%。

然而，钢材的使用有其局限性，其他材料供应商已进入汽车制造领域。 作为全球领先的铝轧制产品制造商，总部位于美国的诺贝丽斯公司40年前就开始在欧洲汽车行业尝试用铝代钢，目前已有180款车型使用其铝材料。

诺贝丽斯中国区董事总经理、亚洲汽车业务副总裁刘庆对《财经》记者表示，汽车轻量化时，钢材的厚度不能随意减少，其比重，包括刚度要求都是有限的。 “所以未来5到10年，钢铁仍将是主流材料，但更轻质的材料，尤其是铝，将在白车身（指焊接但不涂漆的车身，不包括四扇门和两个盖子）。 份额将会增加。”

为了取代钢材在车身材料中的主导地位，轻量化材料必须能够将成本控制在可承受的范围内，以进行大规模工业生产。 符合条件的并不多。

就金属而言，美国能源部关注的镁合金，由于成本和加工技术等问题，目前很难低成本批量生产用于车身。 目前主要应用于方向盘等内饰结构件。 虽然碳纤维比铝轻、比铁硬，但价格昂贵。 除宝马i3等少数已进入大规模量产的车型外，碳纤维材料主要应用于限量生产的高端超级跑车。

其他复合材料和工程塑料早已应用于汽车。 “以塑代钢”也是厂商关注的焦点之一。 它还扩展到底盘和覆盖件等重要的汽车零部件。 在我国，其使用率也在逐年上升。 上升趋势。 然而，开发出硬度、强度和拉伸强度等性能满足汽车制造要求的塑料非常困难。 同时，关键部位尤其是车身所用塑料的安全性和可靠性还需要时间来检验。

上述轻量化材料均是研发方向，具有实现技术突破的潜力。 但目前来看，铝是最有可能成为轻量化材料主流的选择。 诺贝丽斯预计，2013年至2020年全球汽车铝材需求年增长率约为25%。

在制造方面，铝合金加工成型性能良好，全铝车身制造历史悠久，技术较其他材料更为成熟。 在目前的技术条件下，全铝车身相比钢制车身最大可实现高达40%的减重，同时不影响性能和安全性。

从成本角度来看，铝制车型的涨价在其目标消费者的接受范围之内。 《财经》记者从福特汽车公司总部获悉，新一代铝合金车身皮卡F-150上市后，入门级XL车型的厂家建议价将上涨395美元，而全新一代铝合金车身皮卡F-150的售价将上涨395美元。豪华Lariat车型将上涨1,045美元，涨幅为1.5% - 2.6%。

这与欧洲的经历相似。 刘青以路虎最大的SUV为例，“整个材料成本增加只有1000欧元左右，与售价相比并不算多，还有减重节省下来的油钱。消费者是愿意的人”支付。”

凭借这些优势，在蓬勃发展的汽车轻量化材料中，铝可能会率先脱颖而出，挑战钢铁的统治地位。

轻量化“铁三角”

铁三角是指车身设计、制造工艺和新材料。 轻量化是汽车制造领域的一项系统工程。 车身设计可以减轻结构重量，制造工艺的创新可以减少零部件数量。 随着新材料的运用，这个“铁三角”的平衡可以达到轻量化的最优解决方案。 。

车身结构优化是通过优化设计减少冗余结构，提高材料使用效率，在保证车身强度和安全性的同时减轻车身重量。 越来越多的车企正在选择拓扑优化解决方案，即根据给定的载荷条件、约束条件和性能指标，在有限的空间内改进材料布局。

2016年11月，在中国电动汽车百人大会召开的第七届电动汽车热点问题研讨会上，奇瑞新能源研究院院长倪绍勇表示，奇瑞新能源轻量化车型主要基于结合实车的经验设计测试。 完成时，“希望通过拓扑优化，能够进一步提升产品的各项指标。”

将仿真与CAE等软件相结合，设计人员确实可以节省开发时间，帮助车企优化减重效果。 与常规方法相比，湖南大学对电动汽车骨架采用的轻量化策略可节省约30天的开发时间，并额外减轻22.4公斤的重量。 上汽通用迈锐宝XL通过结构优化，仅车身减重超过50公斤。

制造工艺的改进和创新与早期设计密切相关，这对车辆轻量化也发挥着重要作用。 宝钢BCB白车身采用热冲压、液压、辊压、激光拼焊等毛坯成型工艺，在不降低车辆性能的情况下实现车身轻量化。

与传统钢板冲压件相比，全铝车身的成形工艺更加多样化，包括型材挤压、弯曲、板材冲压、铸造、锻造等。

作为国内领先的铝加工企业，中国忠旺近年来也涉足汽车制造领域。 忠旺集团（北京）技术开发中心主任夏德伟告诉《财经》记者，“铝挤压型材和铸件的设计具有高度的柔性和刚性，这对于减少零件数量、减轻零件重量有很大帮助。” ”。

据了解，如果将内外门板包裹的工艺应用到副车架的制造中，相关零件的数量可从八个减少到十个到两个。 钢、铝等异种金属的连接需要特定的工艺，优化的焊接、铆接、粘接等连接工艺对于车身减重也非常有帮助。

碳纤维虽然价格昂贵，但在组装方面却取得了突破性进展。 据意大利APS科技有限公司总裁王佳在上述研讨会上介绍，兰博基尼Sesto Elemento项目将传统结构中的48个部件替换为4-6个大件，将前墙、地板、后墙一体化变成一个整体式座舱，工艺并不复杂，但减重效果却很突出。

在实际轻量化应用中，材料、设计和技术密不可分。 许多特定材料需要特定的工艺和设计才能使用。

其中，材料供应商扮演着非常重要的角色。 无论是钢厂还是铝加工企业，大多从白车身设计开始就参与到汽车公司的项目中。

基于与全球多家知名汽车品牌的长期合作经验，刘庆向《财经》记者透露，虽然他们的产品是材料，但他们提供的服务不再局限于材料本身。 有关部门将深入沟通，做好前期和中期的配合，做好售后服务。”

汽车企业在进行轻量化设计和研发时，需要针对不同车型选择有针对性的轻量化材料，以满足消费者的需求。 福特汽车公司北美产品传播经理迈克·莱文对《财经》记者表示，福特遵循每款轻量化车型单独设计研发的原则。

因此，从材料供应商到加工过程中的设备供应商再到汽车整车厂，设计、技术、材料“铁三角”中的每一个环节都需要保持良好的沟通与配合，才能在各方面达到最佳效果。 汽车的平衡性和轻量化可以达到更好的效果。

前面的路并不容易

在材料和加工成本较高、国内工业水平和制造技术相对落后的市场环境下，如果政府不能严格执行能源消耗和排放政策法规，车企就会缺乏减重的动力，就会难以推动轻量化技术的发展。

在2016年10月公布的《节能与新能源汽车技术路线图》中，中国汽车工程学会设定了轻量化技术目标：到2030年，高强钢应用比例大幅提升，铝用量大幅增加。单车使用重量将超过350公斤。 ，镁合金45公斤，碳纤维使用量占汽车的5%，车辆比2015年轻35%。包括材料、工艺和设计在内的多种路径被提出，但实现上述目标并不容易。

在燃油汽车方面，企业开发轻量化技术的内在动力有限。 虽然有些车企在宣传时会强调操控性等驾驶体验，但更重要的是燃油政策倒逼他们加大轻量化投入。

目前，为了控制成本、保证利润，轻量化技术多用于价格敏感度不高的豪华、高端车型。 无论是采用超过50%铝材的凯迪拉克CT6、全铝车身捷豹XFL，还是刚刚进入中国的福特猛禽F-150，它们都属于豪华车型，而迈锐宝XL也是一款中端车型。至高档汽车。

福特汽车公司总裁兼首席执行官马克·菲尔兹在接受《财经》记者采访时表示：“大型车型的消费者会更关心减轻车身重量，这会增加很多性能，他们愿意为轻量化付出代价。 不过，小型车不会有这样的考虑，因为这些消费者最关心的并不是这个（减重），所以轻量化技术在中小型车上的应用还有待观察。”

尽管欧洲铝业协会（EAA）的研究表明，对于传统燃油汽车来说，基于目前的汽油价格，铝代钢增加的成本可以在不到两年的时间里从节省的燃油中收回，但这使得价格敏感性变得更加普通。价格较高的消费者短期内会支付较高的价格，而这个市场需要较长时间的培育。

类似的情况在商用车领域早已遇到。 蔚来资本合伙人张俊毅对《财经》记者表示，随着产品供应越来越多，铝制车身的价格自然会下降。 乘用车方面，“目前国内车企高端铝制车身制造工厂并不多”。 因此，轻量化车型向中低端车型的探索可能还需要一段时间。

而且，中国生产汽车铝板的厂家并不多。 诺贝丽斯在常州设立了工厂，忠旺集团在天津投资了铝板工厂。 但缺乏规模效应。 高端汽车铝板的成本仍然很高，而且还需要更多。 企业只有参与才能降低成本。

电动汽车企业对轻量化的需求更加迫切，但也需要考虑成本。 据悉，与前两款车型相比，特斯拉Model 3的钢材使用比例将大幅提升。 蔚来今年3月与诺贝丽斯签署了五年合作协议，但据鲍平介绍，“蔚来的一些后续车型也会增加钢材的使用。”

铝回收在一定程度上兼顾了节能、环保和成本控制。 诺贝丽斯与客户合作对废铝进行闭环回收，而福特也在生产过程中设计了“散料再利用”环节——冲压废料再分类用于新产品的生产，从而有效降低成本。

除了材料本身的成本外，由于国内车企的制造工艺和技术储备不足，材料加工效率较低，从而增加了汽车零部件和整车厂的制造成本。 而且，新材料、新工艺的使用需要对传统设备进行改造，带来巨大的资金压力。

此外，车企不仅要考虑制造的成本和便利性，还要考虑售后维护的便利性。 由于目前修复铝制车身的维修店相对较少，因此使用激光焊接技术修复损坏的部件并不容易。 这些新材料、新工艺的维护问题也在一定程度上阻碍了轻量化的推广。

总体而言，目前我国物资供应无论是品种、数量还是性能都与国外存在较大差距。 夏德伟坦言，目前，与国外相比，国内汽车铝材在挤压型材方面差距较小，板材、铸件等铝材性能还存在一定差距，但国内企业在已经在努力追赶了。

但无论是政府还是产业链上的各家企业和研究人员都必须认识到，产品和技术的发展没有捷径，中国汽车轻量化正处于艰难的爬坡阶段。

如上所述，轻量化并不完全是消费者需求和市场竞争造成的。 政府排放和燃料法规对企业投资影响很大。 张俊毅认为，目前需要政府相关部门严格执法。 “如果执法不力，对于那些大力投资轻量化的企业来说将是有害的。”

政府对勤奋的奖励和对懒惰的惩罚可以给企业努力工作、攀登的动力。 否则，后果就是劣币驱逐良币，在汽车轻量化发展上永远落后。

（本文首发于2017年4月17日《财经》杂志）