近日，蘇州華特時(shí)代碳纖維有限公司總經(jīng)理熊飛在百人會(huì)未來(lái)出行學(xué)院課程上做了“整車輕量化技術(shù)及應(yīng)用案例”的精彩演講，以下是整理完的演講內(nèi)容。

一、輕量化起源和背景

這是世界上第一則汽車廣告，廣告詞說(shuō)該車保養(yǎng)容易，開(kāi)1英里只需要0.5美分，又輕又結(jié)實(shí)。今天我們做車也一樣，首先要便宜，這樣才會(huì)有人買單，第二，整備質(zhì)量輕，第三，加速性能好。

早先我們買車，都會(huì)看看車是不是足夠硬，也會(huì)選擇重的車，根本原因是安全。我做過(guò)一個(gè)計(jì)算，把一款符合中國(guó)法規(guī)的五星碰撞小車在結(jié)構(gòu)不變的情況下拉長(zhǎng)，拉到奧迪A4L的長(zhǎng)度。拉長(zhǎng)的結(jié)果是變重，原來(lái)1300-1400公斤的車，增加到1800公斤。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)完全不變，只是鋼板變厚了，所以配重就高了，結(jié)果從五星碰撞降到幾乎沒(méi)有星級(jí)，甚至連法規(guī)都過(guò)不去。重量和安全沒(méi)有直接的聯(lián)系。

各個(gè)國(guó)家、地方政府、州政府、交通部都有一系列關(guān)于排放量的法規(guī)。根據(jù)北美法規(guī)要求的減重目標(biāo)規(guī)劃，從2015年到2019年，某車型整備重量要從1853公斤降到1664公斤，整整減少200公斤。隨著燃油消耗量限制法規(guī)、汽車排放法規(guī)的要求日益提高，汽車輕量化技術(shù)是未來(lái)汽車設(shè)計(jì)的核心技術(shù)。

其實(shí)這些年我們可以看到，車的重量是略微上升的，因?yàn)槲覀儗?duì)配置和安全性能的要求提高了。2018年新的碰撞法規(guī)提出了更高的要求，在滿足功能的前提下，還要減重。舉個(gè)例子，自主品牌的車A柱往往比較粗大，合資品牌比較細(xì)，要用細(xì)的A柱代替粗的A柱，還得滿足同樣的法規(guī)，這就意味著要么材料強(qiáng)度更高，要么結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更好。要達(dá)到這兩點(diǎn)，做出產(chǎn)品來(lái)，又意味著工藝要求比較高。這三者缺一不可。

鋁板有一個(gè)最大的特點(diǎn)，鋁的疲勞壽命是特別差的。對(duì)客戶來(lái)說(shuō)，車要天天開(kāi)，疲勞標(biāo)準(zhǔn)是要優(yōu)于安全標(biāo)準(zhǔn)的。但是對(duì)于主機(jī)廠來(lái)說(shuō)安全性能是要大于疲勞標(biāo)準(zhǔn)的。鋼的比重是7.85，鋁的比重是2.74，如果用鋁板代替鋼板，理論上重量能大約減掉60%，事實(shí)上是不做到的?，F(xiàn)在市面上絕大部分鋼板厚度是0.7毫米，而鋁合金做不到這個(gè)厚度。因?yàn)殇X合金要克服強(qiáng)度低，屈強(qiáng)比差的缺點(diǎn)。最近奧迪把鋁合金厚度從原來(lái)的1.1毫米降低到0.9毫米，重量約降低了30%，和理論減重60%還差很遠(yuǎn)。

所以鋁板和鋼板各有優(yōu)缺點(diǎn)，未來(lái)選擇怎樣的技術(shù)路線，需要分析缺點(diǎn)在哪兒，挑戰(zhàn)在哪兒。江淮上了一條生產(chǎn)線，叫做溫成型，就是把鋁板加熱一下再變形。加熱變形使得鋁板容易變形，而且變形以后不回彈。但是導(dǎo)致的情況是效率低下，如果是鋼板，全中國(guó)最慢的沖壓線，一分鐘都至少能做7個(gè)件到8個(gè)件，但是溫成型效率更低。

奧迪A8最新的車型，從原來(lái)98%的鋁合金，降低到現(xiàn)在58%的鋁合金，剩下全都是用鋼。僅僅是因?yàn)殇X合金貴嗎？其實(shí)很大一部分原因，不是材料的問(wèn)題，而是工程制造的問(wèn)題。我們希望車大量生產(chǎn)，但是很遺憾的是，大量生產(chǎn)不了，工程化比較差。

有人問(wèn)為什么一定要輕量化呢，別的方式行不行。如果要增加10%的續(xù)航里程，就有幾種辦法。第一，放更多的電池，所以比亞迪的車離地間隙都非常低，因?yàn)樗ＷC全系車型續(xù)航里程500公里以上，怎么辦呢？只能增加電池，一個(gè)不行放兩個(gè)，兩個(gè)不行放三個(gè)。但是增加電池就意味著成本增加。第二，減重。第三，改變風(fēng)阻系數(shù)。第四，改變滾阻，這個(gè)代價(jià)是非常高的，意味著所有的連接件都要改變。

現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)主流的車身技術(shù)路線有這么幾種：

第一，傳統(tǒng)全鋼車身，仍舊是目前采用最廣泛的技術(shù)。

第二，鋁合金車身，比如蔚來(lái)ES8。

第三，鋼鋁混合車身，就是現(xiàn)在很多新車說(shuō)的“下鋼上鋁”。

第四，碳纖維車身，如寶馬i3。

每一種車身都有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。輕量化的目的，是在不影響功能性、安全性、耐久性的情況下，盡可能做得越輕越好。隨著我們國(guó)家的發(fā)展，未來(lái)對(duì)車的加速性要求會(huì)越來(lái)越大。在美國(guó)有非常高的加速性要求，前途K50在美國(guó)賣，得到的評(píng)價(jià)是：動(dòng)力性不足，要求換電機(jī)。載荷一樣的情況下如何讓加速率更大，唯一的方式，就是把重量做輕。

輕量化設(shè)計(jì)的核心

第一，結(jié)構(gòu)變化。打個(gè)比方，可口可樂(lè)的瓶子，軟的跟紙似的，但是它做到了極致，放桌上很穩(wěn)，擰蓋子的時(shí)候能打開(kāi)，因?yàn)樵陬^部和尾部加了很多筋，這個(gè)就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

第二，連接技術(shù)。很多人說(shuō)，鋁合金很簡(jiǎn)單，我也會(huì)做，但是鋁合金工程化很差，只要不是自動(dòng)化線，因?yàn)楣と瞬煌牟僮鳎瑢?dǎo)致一致性很差。

第三，CAE仿真技術(shù)。金屬是規(guī)律排布，我們可以預(yù)測(cè)它的破壞、失效模式。但復(fù)合材料比較復(fù)雜，汽車行業(yè)對(duì)復(fù)合材料的掌握還沒(méi)有金屬材料那么成熟，CAE的仿真計(jì)算發(fā)展得非?？?。

第四，材料發(fā)展。我們的材料發(fā)生了翻天覆地的變化，10到15年間有了很大的發(fā)展。

有了這四條，我們才有可能講一講輕量化設(shè)計(jì)，如何設(shè)計(jì)得更輕、更結(jié)實(shí)。

輕量化的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

載荷要合理。從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，不同的材料有不同的用法，載荷要合理，假如這個(gè)車的上邊梁和A柱要焊在一塊，焊的過(guò)程中如果沒(méi)有考慮連接，載荷到連接處一定會(huì)發(fā)生剪切。我們計(jì)算的時(shí)候，理論上認(rèn)為這個(gè)力通過(guò)它傳遞了，事實(shí)上一邊截面小，一邊截面大，焊過(guò)來(lái)有偏移，從力的中心發(fā)生變化就發(fā)生扭轉(zhuǎn)，就很容易破壞。所以，力要直接在我們的主力面上，第二，如果有可能，我們要盡量做對(duì)稱設(shè)計(jì)，為什么要對(duì)稱設(shè)計(jì)呢？因?yàn)椴粚?duì)稱就會(huì)發(fā)生扭曲。

三明治材料。我們知道“三明治材料”，也就是復(fù)合材料，其實(shí)我們面前的桌子就是三明治材料，中間一層木屑，上面貼層膜，下面貼層膜。這種材料有一個(gè)好處，好處在哪呢？它是中空的，就是截面有一個(gè)空腔，對(duì)于扭曲、彎轉(zhuǎn)都有很大的好處。

輕量化結(jié)構(gòu)。舉個(gè)例子，特斯拉的幾個(gè)連接件是真空壓縮件，做得非常漂亮。它的件壁厚僅為1.2毫米，而我們常規(guī)件大概在4毫米。

曲面和加強(qiáng)筋。有的時(shí)候承載件我們要把它做成曲面，就像日常見(jiàn)到的拱形橋一樣。我們平時(shí)開(kāi)的車，我?guī)缀鯖](méi)看到過(guò)頂蓋是平的，通常上面都會(huì)有一些形狀，這個(gè)形狀的目的，不僅是為了好看，最主要的目的是為了改變它的剛度，通過(guò)曲率，加上截面結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)彎曲剛度，扭轉(zhuǎn)剛度和屈曲變形。

集成。上圖為案例。

二、汽車輕量化策略

輕量化的目的就是性能要最大化，重量越小越好，成本越便宜越好，這個(gè)時(shí)候客戶的價(jià)值才能最大化。輕量化的途徑一定是更好的材料、更好的結(jié)構(gòu)、更好的工藝。

材料、結(jié)構(gòu)、工藝互相聯(lián)系。我們國(guó)家的高鐵是擠壓型材，而且是非常大的擠壓型材，用的什么工藝呢？每節(jié)車廂其實(shí)是一個(gè)件，地板從頭到尾是一塊料，窗戶也是同一塊，稍微折一下把車送過(guò)去，中間地板一焊，所以材料出來(lái)了，選擇結(jié)構(gòu)和工藝，都是相輔相成的過(guò)程。

奧迪A8在2010年的時(shí)候車身是92%的鋁，2017年的時(shí)候鋁降到了58%。每家公司都有自己的戰(zhàn)略目標(biāo)和總體定位，比方說(shuō)比亞迪就認(rèn)為它做輕量化主要的目標(biāo)是鋼、鋁，還有一點(diǎn)點(diǎn)鎂、塑料，碳纖維不是他考慮的重點(diǎn)。又比如寶馬，他們都做了很多投入，未來(lái)他會(huì)用大量的，他可能會(huì)用到碳纖維、鎂合金、鋁合金，同時(shí)會(huì)把鋼的比重降低。再來(lái)看特斯拉，特斯拉用鋼量非常少，未來(lái)他會(huì)把碳纖維和鎂合金大大增加。

從整個(gè)做車來(lái)說(shuō)，我們知道第一是安全。但安全性是會(huì)增重的，比方說(shuō)改變耐久性，滿足美標(biāo)的NVH碰撞法規(guī)，滿足C-NCAP碰撞法規(guī)，還有NVH模態(tài)、剛度、風(fēng)阻各方面，都會(huì)增加重量。再就是功能，比方說(shuō)全方位360度骨架、自巡航，都會(huì)增加重量。因此我們要把它減掉，第一個(gè)方式就是材料，材料完了以后才是結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化是什么呢？比如傳遞路徑、截面。

合資品牌和自主品牌很重要的區(qū)別是A柱，自主品牌A柱往往比較粗，合資品牌的A柱比較細(xì)，這樣截面的大小就不一樣了。我以前開(kāi)比亞迪的車，轉(zhuǎn)彎的時(shí)候要不停地看，因?yàn)檫@兩根柱子擋了我的視線。德國(guó)車柱子就比較細(xì)，基本上看一眼就可以了。所以自主品牌的車會(huì)更重，為什么？面積×長(zhǎng)度×密度=重量，截面面積越大，重量越重。

再一個(gè)就是連接技術(shù)，連接技術(shù)這塊很重要。比方兩塊鋁板，在焊裝車間搭起來(lái)，焊的過(guò)程中我們會(huì)說(shuō)到翻邊尺寸，能夠接到多小的翻邊尺寸，這個(gè)就是連接技術(shù)。、現(xiàn)在大多數(shù)主機(jī)廠可以做到14毫米，再好點(diǎn)能夠做到9毫米、7毫米。14和7是一倍的關(guān)系，減到7毫米的話，我們一臺(tái)車就可以減少好幾十公斤。

還有一種連接技術(shù)：激光焊。焊接是有翻邊的，而激光焊直接拼起來(lái)，沒(méi)有翻邊了，所以它會(huì)變輕。而且還有一個(gè)好處，它的扭轉(zhuǎn)剛度更大，因?yàn)楸緛?lái)是點(diǎn)接觸，現(xiàn)在是整個(gè)線和面。

總結(jié)一下，安全性、NVH、功能這三個(gè)方面的增重，我們目前希望通過(guò)材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝制造降下來(lái)。

三、整車開(kāi)發(fā)流程及輕量化技術(shù)應(yīng)用

1. 輕量化在整車開(kāi)發(fā)中的三個(gè)階段

輕量化在不同的開(kāi)發(fā)階段有不同的開(kāi)發(fā)手段，根據(jù)整車開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，主要有如下三個(gè)階段：概念設(shè)計(jì)階段、方案設(shè)計(jì)階段、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。

概念設(shè)計(jì)階段要把市場(chǎng)語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為工廠語(yǔ)言。比如一款車要面向高端白領(lǐng)，要有好的駕乘體驗(yàn)，可以在路上辦公，這就是市場(chǎng)語(yǔ)言，轉(zhuǎn)換成工廠語(yǔ)言就是一系列指標(biāo)：車加速性能、整備質(zhì)量等。概念階段會(huì)把技術(shù)路線確定了，因此這個(gè)階段決定了項(xiàng)目難易程度和成功概率。

一旦定了技術(shù)路線就進(jìn)入方案設(shè)計(jì)了，需要測(cè)算技術(shù)路線的可實(shí)施性。比方說(shuō)，技術(shù)路線定了采用鋁合金材料，A柱門(mén)檻中間的橫梁，絕大多數(shù)的合資品牌包括凱迪拉克CT6、特斯拉，都是很大的鑄造件，但要花幾千萬(wàn)鑄造模具或者到德國(guó)去做，成本下不來(lái)，而且車的預(yù)計(jì)銷量也沒(méi)有那么多，這個(gè)時(shí)候就要找替代路線，重新制定切實(shí)的方案。

到了詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。型材斷面的形狀是“日”字形、“米”字形、還是雙“木”形，中間的壁厚是等壁厚、單壁厚、還是中間薄，對(duì)我們來(lái)說(shuō)都是很大的考慮。

2. 輕量化設(shè)計(jì)手段

• 材料：概念設(shè)計(jì)結(jié)束后我們就開(kāi)始選擇材料，材料選擇涉及到車身、內(nèi)飾、外飾、底盤(pán)、三電，通常我們會(huì)建立材料模型，benchmark部門(mén)還會(huì)拆車。很多鋼板拆完以后我們并不能一下子知道是什么型號(hào)的材料，所以會(huì)做一個(gè)光譜實(shí)驗(yàn)，再做一個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，最了不起做一個(gè)金相實(shí)驗(yàn)。舉例來(lái)說(shuō)，DC01和DC03這兩種低碳鋼材料，從材料的元素表來(lái)說(shuō)非常接近，本身就是很模糊的概念。這時(shí)候我們就要看拆的是哪個(gè)位置，如果拆的是輪罩位置，通常有比較大的拉延深度，材料多半是DC03，如果是頂蓋位置，那就是DC01了。

• 結(jié)構(gòu)：

1）車身骨架輕量化

車身骨架最好是一個(gè)閉合的截面，形成封閉式，也就是所謂的“環(huán)狀”路徑。我們國(guó)家的商用車中，最不安全的是大巴，通常乘用車都有正碰側(cè)碰柱碰等一系列碰撞試驗(yàn)，而大巴在法規(guī)上沒(méi)有碰撞要求，只有一個(gè)翻滾實(shí)驗(yàn)。車的結(jié)構(gòu)分為兩大類：承載式車身和非承載式車身。承載式車身就是每個(gè)件承擔(dān)一定的載荷，非承載式車身主要靠車架承擔(dān)。絕大多數(shù)大巴都是非承載式車身，下車體非常結(jié)實(shí)，上車體支撐很差。怎么加強(qiáng)車身骨架支撐呢，我們就會(huì)做“環(huán)狀”路徑，在大巴的立柱1、立柱2，立柱3（相當(dāng)于乘用車的A、B、C柱），地板、側(cè)圍、頂蓋上用柱的方式加強(qiáng)，形成“環(huán)狀路徑”。

2）車身斷面輕量化

第一，優(yōu)化零件斷面結(jié)構(gòu)，增加斷面剛度與強(qiáng)度。不同的鋁合金，自然失效、人工失效，得到的效果和性能是不一樣的。比方屈服強(qiáng)度是110兆帕，還是140兆帕，抗拉強(qiáng)度是240兆帕、還是280兆帕，兩種材料都能用，手掰沒(méi)什么區(qū)別，做成車身的時(shí)候，斷面的結(jié)構(gòu)，剛度與強(qiáng)度都是不一樣的。

第二，改變零件承力力矩，縮小關(guān)鍵部位變形。假設(shè)兩根柱子，一頭一尾連接起來(lái)，如果他們的中心線不在一個(gè)面上就會(huì)產(chǎn)生力矩，發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

第三，增加吸能結(jié)構(gòu)，改變材料強(qiáng)度搭配，是潰縮區(qū)域遠(yuǎn)離乘員，保護(hù)乘員安全。

3）零件搭接結(jié)構(gòu)優(yōu)化

零件的連接越來(lái)越重要，越是新的材料，對(duì)于連接的要求越高。比如傳統(tǒng)鋼材，可以用很簡(jiǎn)單的焊接。但碳纖維結(jié)構(gòu)就需要膠粘了，在一致性上就有很多的問(wèn)題。所以零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，第一，增加傳力結(jié)構(gòu)搭接面接觸面積，減小應(yīng)力集中的現(xiàn)象，第二，縮小搭接邊，配合先進(jìn)連接工藝，實(shí)現(xiàn)減重。

• 工藝制造：先進(jìn)的材料、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)需要相應(yīng)的制造工藝。比如現(xiàn)在新能源車有很多鋁合金型材的，前機(jī)艙沒(méi)有電機(jī)了，電池跑到后面去，電機(jī)里有一樣?xùn)|西是要存在的，加制動(dòng)液的時(shí)候需要人機(jī)這一塊，包括擠壓、輾壓、鑄造、冷沖壓、液壓、熱成型等工藝，還有一些改善性能的工藝設(shè)計(jì)，比如輥壓實(shí)際上是一個(gè)提升性能的工藝，輥壓充分利用加工硬化材料的原理，用工藝來(lái)改變它。

3. 輕量化優(yōu)化手段

材料優(yōu)化：從材料角度上來(lái)說(shuō)有幾個(gè)，材料模型、彈性。我們的工程師、產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師都需要熟悉。如果要做拉桿，要算剛度、強(qiáng)度。怎么做這些事，用哪些指標(biāo)評(píng)價(jià)，怎么來(lái)選擇材料，從這個(gè)角度上需要了解基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)。沖擊載荷這些的計(jì)算很簡(jiǎn)單，把基本的材料參數(shù)輸進(jìn)去，計(jì)算出來(lái)，做一個(gè)對(duì)比，就可以知道哪種材料是最優(yōu)化的，再把工程制造性加進(jìn)去，選材就完成了。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化：結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法包括：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化，拓補(bǔ)優(yōu)化、形貌優(yōu)化。接頭也非常重要，現(xiàn)在做鋁合金型材，做門(mén)窗都是非常有實(shí)力的供應(yīng)商。門(mén)窗也是很大的學(xué)問(wèn)，蓋五層樓的房子和蓋五十層樓的房子，窗戶接頭很關(guān)鍵。所以鋁合金型材的優(yōu)點(diǎn)在哪兒呢？它可以把結(jié)構(gòu)做的非常復(fù)雜，而做這個(gè)很重要一點(diǎn)，接頭。我們車也一樣，一定會(huì)滿足幾個(gè)性能，我們通常講的，彎曲剛度，車過(guò)坑的時(shí)候會(huì)扭轉(zhuǎn)，所以它的彎曲剛度，剛度是抵抗變形的能力，所有這些東西取決于我們的接頭，接頭很重要。

工藝優(yōu)化：熱成型工藝原理非常簡(jiǎn)單，就是把鋼板加熱到一定溫度，快速的脹火即快速冷卻，快速冷卻以后就會(huì)形成了非常細(xì)小的片狀馬氏體，然后再處理出來(lái)，還有高壓鑄造。

接頭優(yōu)化：所有的機(jī)械式的連接有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，并不是它的強(qiáng)度有多么高，而是它的一致性比較好。