近年來，能源與環(huán)境的危機(jī)加速了各國政府對汽車行業(yè)的產(chǎn)品能耗和排放的嚴(yán)格控制。到2020年，除美國之外的全球主要的汽車生產(chǎn)與消費(fèi)國家和地區(qū)對乘用車燃油油耗的要求都將嚴(yán)格限制在5L/100km以下的水平，而且碳排放也更為嚴(yán)格（國內(nèi)在2020將采用國Ⅵ的排放標(biāo)準(zhǔn)）。

　　這迫使新能源汽車技術(shù)和汽車輕量化設(shè)計(jì)成為了目前改善能耗問題的兩大必要途徑。關(guān)于新能源汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢以及目前主流技術(shù)解讀這兩年在飛靈的文章中我都有過詳細(xì)的解讀，這篇文章主要是想聊聊目前的汽車輕量化技術(shù)。

　　輕量化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的路徑與發(fā)展現(xiàn)狀

　　關(guān)于目前實(shí)現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計(jì)的路徑，主要有兩種形式：一種是通過結(jié)構(gòu)的合理、精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，對車體的主要承力部件進(jìn)行加強(qiáng)、非主要承力部件進(jìn)行合理的弱化，在性能滿足的前提下盡量減小傳力通道截面大小，合理、精細(xì)化的選用材料板厚等來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。另一種是使用新材料替代普通鋼材來實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，比如用鋁合金、GFRP（玻璃纖維增強(qiáng)塑料）和CFRP（碳纖維）等密度更小的新材料來代替鋼材來實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，比如用強(qiáng)度更高、板厚更薄的熱成型材料（熱成型材料本質(zhì)上還是鋼材）代替普通高強(qiáng)度鋼來減少加強(qiáng)結(jié)構(gòu)零件的數(shù)量實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

　　在實(shí)際的汽車設(shè)計(jì)中，這兩種輕量化途徑很多時(shí)候都是相互結(jié)合使用來最大限度的實(shí)現(xiàn)車體的輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)還促進(jìn)了彼此的發(fā)展。比如在車身A柱上邊梁、B柱等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，目前主流設(shè)計(jì)都是采用熱成型材料來替代普通高強(qiáng)度鋼材的設(shè)計(jì)，熱成型材料的使用本身是一種材料輕量化的設(shè)計(jì)，但是熱成型材料的使用又可以讓這些車身區(qū)域減少加強(qiáng)件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不等厚熱成型板的使用甚至可以讓B柱取消原有的鉸鏈加強(qiáng)板、限位器加強(qiáng)板等結(jié)構(gòu)。而精細(xì)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又促進(jìn)了不等厚板材、激光拼焊板材、鋁合金等的發(fā)展。

　　某美系SUV車型的不等厚熱成型B柱加強(qiáng)板

　　結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)由于在車型的功能性不同，且各大OEM對于自身車體性能目標(biāo)的設(shè)定也存在差異性等因素，設(shè)計(jì)思路上會(huì)不太一致，這里就不展開詳說。而且結(jié)構(gòu)輕量化所帶來的效果并不如材料輕量化那般立竿見影，需要大幅改善動(dòng)力性能、操控性能、能耗的新車型上，目前主要還是依賴材料輕量化。

　　由于受到整體工業(yè)發(fā)展水平、OEM研發(fā)實(shí)力和生產(chǎn)條件、產(chǎn)品品牌因素等限制，目前主流OEM輕量化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀是結(jié)構(gòu)輕量化各花結(jié)各果，材料輕量化卻只能是少數(shù)一流廠家的“炫技”。這篇文章也主要就是想和大家聊聊主流OEM材料輕量化的現(xiàn)狀。

　　主流輕量化材料

　　既能保證車體結(jié)構(gòu)的性能，又能大幅度降低車體重量的材料，目前行業(yè)內(nèi)普遍使用的是碳纖維、鋁合金、鎂合金、工程塑料等密度較小的材料。這些材料在車體結(jié)構(gòu)中的使用，輕量化效果非常明顯。以鋁合金車身的福特F150為例，車身實(shí)現(xiàn)了40%以上的減重，整備質(zhì)量降低了300kg。車身采用碳纖維和鋁合金粘連工藝而成的寶馬i3，輕量化效果更為明顯，作為純電動(dòng)車型整備質(zhì)量卻只有1195kg，相比同尺寸的常規(guī)車型來說，都要輕了150Kg左右。

　　這里要說說鋁合金車身的幾個(gè)問題。所謂的全鋁車身，實(shí)際是鋁合金車身而并非是純鋁車身。而且目前量產(chǎn)的鋁合金車身的車型中，主流還是采用鋁合金和鋼制的復(fù)合結(jié)構(gòu)：上車體的A柱上邊梁、B柱加強(qiáng)板、車門防撞梁、機(jī)艙前擋板下部加強(qiáng)板或者前縱梁后段等與碰撞安全相關(guān)的主要承力結(jié)構(gòu)件依然會(huì)采用熱成型鋼板，比如寶馬7系、凱迪拉克CT6等都是鋼鋁復(fù)合車身。目前行業(yè)內(nèi)并沒有完全的鋁合金車身，即便是號(hào)稱全鋁的特斯拉，鋁合金的使用率實(shí)際也只是98%，車體中也使用了其他復(fù)合材料，比如非天窗版的頂蓋板采用的是樹脂材料等。

　　鋁合金在汽車中各系統(tǒng)的使用比例可以見下圖，主要使用是在車身和底盤系統(tǒng)部件中：

　　車用輕量化新材料使用成本高

　　目前車用輕量化新材料的成本普遍都偏高，目前國內(nèi)每噸車用冷軋汽車板材的成本在5000~9000之間，而每噸鋁合金的材料成本高達(dá)4.5萬左右，碳纖維的材料成本則更高，每噸約在80萬左右，又因?yàn)槠漭^高的成型廢品率問題，讓很多中低端車型在碳纖維的使用上更是望而卻步。所以目前采用鋁合金、碳纖維等新材料作為車身主結(jié)構(gòu)的車型售價(jià)基本都在40萬以上，鑄鋁件則較早就在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、懸架擺臂、副車架等底盤和動(dòng)力系統(tǒng)部件上使用，因所占車型開發(fā)成本比例較小，搭載車型級(jí)別不一。

　　F&S統(tǒng)計(jì)的新材料數(shù)據(jù)對比

　　注：普通強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、碳纖維的密度、抗拉強(qiáng)度、材料國際價(jià)格

　　OEM使用新型輕量化材料還會(huì)涉及到傳統(tǒng)生產(chǎn)線設(shè)備的改造，四大工藝中沖壓、焊接、涂裝生產(chǎn)線基本都需要面臨著工位的大幅改造或者重建，動(dòng)輒幾億的投入對于目前很多還處在溫飽線的自主品牌來說，更是心有余而力不足。其次是鋁合金、碳纖維等材料供應(yīng)鏈在國內(nèi)也較為稀缺，鋁板的供應(yīng)商也僅有江蘇的諾貝麗斯和天津神戶等工廠，并且能供應(yīng)全系鋁板的也僅有諾貝麗斯一家，目前主要給捷豹路虎等高端車型供貨，碳纖維的主要供應(yīng)商為日本的東麗和帝人，占據(jù)了全球的大半份額，但是碳纖維的加工工藝技術(shù)最先進(jìn)的是德國。

　　全球主流OEM輕量化材料的使用現(xiàn)狀

　　對于自主品牌來說，由于受到以上諸多外界條件的限制，所以自主品牌的輕量化設(shè)計(jì)主要是采用結(jié)構(gòu)輕量化策略，輔以部分熱成型板、不等厚板的使用。所以車體的主要構(gòu)件基本為鋼材，在主要的結(jié)構(gòu)件上并未有太多新材料的實(shí)用，也僅有在較高端的自主品牌車型的懸架擺臂、車身防撞梁、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等部位會(huì)采用鋁合金，加油口采用工程塑料等，所占比例較低。

　　其實(shí)從上面的分析中我們不難發(fā)現(xiàn)，材料輕量化主要是在一些對成本敏感度不高的高端豪華車型和對重量較為敏感純電動(dòng)車型中使用較多。而這些車型主要集中在德國、美國、日本這三個(gè)國家中，我們來看看這些汽車強(qiáng)國的輕量化材料在整車中的占比。

　　首先是德國，一方面由于歐洲在能耗和排放的政策上越發(fā)嚴(yán)格，另一方面德國是目前豪華品牌車型最多的國家，新材料、新技術(shù)對于高端車型也會(huì)有著科技豪華感的加持作用，所以德國以ABB為代表的車企對于新材料的使用上顯得更為熱衷，尤其是奧迪在鋁合金車身、寶馬在碳纖維車身方面都處于行業(yè)領(lǐng)先地位。

　　2015年德國新生產(chǎn)汽車鋁合金和其他新材料在車身和底盤中的占比高達(dá)25%，是目前全球汽車輕量化材料使用比例最高的國家，到2020年新材料的使用趨勢會(huì)繼續(xù)上漲，將達(dá)到34%左右。

　　其次是美國，美國雖然高端豪華品牌車型也較多，但是美國汽車行業(yè)對于新型輕量化材料的熱衷主要來源于新能源汽車的發(fā)展以及排放和能耗的壓力，代表企業(yè)是特斯拉、GM、福特等。特斯拉目前的Model S和Model X在車身和底盤上基本都采用了鋁合金和其他復(fù)合材料，而GM的高端品牌凱迪拉克在近兩年的新車型中也開始采用鋼鋁復(fù)合車身結(jié)構(gòu)，比如凱迪拉克CT6，福特則是將鋁合金車身首先搭載在F150這類高端皮卡車型上。

　　受到環(huán)境和能源危機(jī)的影響，美國政府出臺(tái)了諸多鼓勵(lì)新能源汽車發(fā)展的優(yōu)惠政策，企業(yè)也表現(xiàn)出了較高的積極性，這使得美國逐漸處于全球新能源汽車研發(fā)和生產(chǎn)的領(lǐng)先地位。隨著這個(gè)趨勢的進(jìn)一步發(fā)展，到2020年受到排放的嚴(yán)格限制，新能源汽車的產(chǎn)銷比例會(huì)進(jìn)一步提升，而新型輕量化材料的占比也會(huì)進(jìn)一步提升，而這個(gè)比例可能會(huì)從目前的15%提升到20%左右。

　　日本汽車企業(yè)一直都是結(jié)構(gòu)輕量化的高手，而且在能耗的管理上他們一直都屬于很出色的選手，所以汽車企業(yè)并沒有太明顯的材料輕量化動(dòng)力。在新能源汽車的研發(fā)上，日本也主要是以混合動(dòng)力和氫燃料電池動(dòng)力為主，即便是純電動(dòng)車型也是以k-car車型為主，對輕量化要求并沒有純電動(dòng)汽車那么迫切，所以目前日本汽車企業(yè)里輕量化材料的使用比例并不高，只有10%左右。

　　目前日本汽車企業(yè)的的輕量化材料的使用也主要是集中在一些非結(jié)構(gòu)件上，比如鋁合金的發(fā)動(dòng)機(jī)罩、塑料的翼子板和尾門等，還有就是底盤和發(fā)動(dòng)機(jī)的一些鑄鋁件。其中代表企業(yè)是豐田的雷克薩斯和本田阿庫拉。本田已經(jīng)在阿庫拉NSX車體上使用了部門鋁合金車身的設(shè)計(jì)，豐田已經(jīng)在目前量產(chǎn)的NX系列車型的發(fā)動(dòng)機(jī)罩使用了鋁合金，尾門使用了工程塑料等，而且計(jì)劃在2018年凱美瑞的換代中采用鋁合金車身的設(shè)計(jì)。

　　隨著2020年全球的能耗和排放政策的越發(fā)嚴(yán)格，日本企業(yè)也開始加大了材料輕量化方面的研發(fā)投入，預(yù)計(jì)到2020年，日本汽車企業(yè)輕量化材料在底盤和車身中的占比會(huì)趕上美國，達(dá)到20%左右。

　　綜 述

　　從以上的分析來看，輕量化材料的使用占比可以從側(cè)面說明該地區(qū)汽車企業(yè)在汽車材料輕量化方面所處的行業(yè)水平，也能反映出該地區(qū)新能源汽車發(fā)展的水平。而且從目前的趨勢來看，隨著材料成本的進(jìn)一步降低，鋁合金車體的開發(fā)在未來數(shù)年內(nèi)或許會(huì)迎來一個(gè)爆發(fā)期，到2025年，鋁合金的生產(chǎn)規(guī)?？赡軙?huì)達(dá)到目前的四倍以上。

　　目前自主品牌在純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程方面一直沒有太亮眼的成績，很大一部分原因就是受限于汽車強(qiáng)量化材料應(yīng)用方面的發(fā)展，輕量化設(shè)計(jì)是新能源汽車發(fā)展的必要途徑，隨著2020和2025年的汽車能耗大限將至，企業(yè)和政府都必須加大在汽車輕量化材料方面的研發(fā)投入。