避“重”就“輕”

文/宋菲

避“重”就“輕”

文/宋菲

在此次新能源發(fā)展浪潮中，與新能源動(dòng)力技術(shù)提到同樣高度的，便是整車輕量化。在這方面，獲取國(guó)家新能源生產(chǎn)資質(zhì)，必須在輕量化上拿出實(shí)際的效果。比如，奇瑞eQ1就通過鋁車身將整車減重30%以上

汽車的輕量化，就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少能量消耗。

作為汽車產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向之一，無論在傳統(tǒng)汽車還是新能源汽車領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外各大汽車企業(yè)從未停止過對(duì)輕量化技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，很多車企也在汽車輕量化方面做出過里程碑式的貢獻(xiàn)。

日前，奇瑞eQ1的上市再次引發(fā)了業(yè)內(nèi)對(duì)輕量化技術(shù)，尤其是電動(dòng)汽車輕量化技術(shù)的高度關(guān)注，因?yàn)閑Q1為中國(guó)首款鋁制車身的新能源車型，通過超級(jí)輕量化技術(shù)平臺(tái)打造的“全鋁空間架構(gòu)+全復(fù)合材料外覆蓋件”，使整車重量比傳統(tǒng)車減少了30%到40%。

減重有助于燃油經(jīng)濟(jì)性

近年來，“減重”在汽車圈子里也蔚然成風(fēng)。在近年新車上市的宣傳中，我們經(jīng)常會(huì)聽到這樣的描述，“新一代車型采用車身輕量化結(jié)構(gòu)，相比上一代車型減重XX公斤?！?/p>

世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)的報(bào)告也指出，現(xiàn)代汽車自身質(zhì)量同過去相比減輕了20%～26%。預(yù)計(jì)在未來的10年內(nèi)，轎車自身質(zhì)量還將繼續(xù)減輕20%。而且據(jù)了解，到2025年，采用全鋁車身的車型占比達(dá)到30%，全球車身用鋁總量將達(dá)到870萬噸，車身用鋁行業(yè)將出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。

發(fā)展汽車輕量化的理由其實(shí)很好理解。同等動(dòng)力配置下的汽車，汽車整備質(zhì)量越輕，動(dòng)力性越好，油耗會(huì)越低，排放污染也就越少。而節(jié)能減排應(yīng)該是大力推廣汽車輕量化的最主要原因之一。

實(shí)驗(yàn)證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3～0.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。

減重有助于燃油經(jīng)濟(jì)性，或許成為多數(shù)車企著手汽車輕量化技術(shù)研究的最大動(dòng)力之一。畢竟2020年越來越接近，5.0L/100km的油耗目標(biāo)就擺在那里，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)對(duì)于每個(gè)車企都是不小的挑戰(zhàn)。而一旦不能完成指標(biāo)，企業(yè)經(jīng)營(yíng)將遭受沖擊。

近日，2016年度乘用車企業(yè)平均燃料消耗量公布，雖然整體6.56L/100km的水平達(dá)到了2016年6.7L/100km的目標(biāo)，但是在總共95家國(guó)產(chǎn)車企和27家進(jìn)口車企中，超標(biāo)車企達(dá)到了43家，占比為35.2%。而輕量技術(shù)或許能成為助力車企實(shí)現(xiàn)愈加嚴(yán)苛的油耗目標(biāo)的一條途徑。

新能源車輕量化更為重要

與傳統(tǒng)燃油車相比，電動(dòng)汽車的輕量化其實(shí)更為重要。主要原因在于，電池能量密度的提高十分困難，需要大量資源的投入，且很難達(dá)到汽油和氫燃料的能量密度水平，這就要求減輕電動(dòng)汽車重量，以增加續(xù)航能力，提升能量利用率，輕量化由此成為電動(dòng)汽車發(fā)展的必由之路。

BMW i3作為第一款進(jìn)入量產(chǎn)的碳纖維車身設(shè)計(jì)的車輛，成為碳纖維應(yīng)用于汽車的里程碑項(xiàng)目，也在電動(dòng)車輕量化技術(shù)方面具有里程碑式的意義。

近日，中國(guó)首款鋁制車身的新能源車型奇瑞eQ1上市，帶來了全新的汽車輕量化生產(chǎn)思路及理念，再一次引發(fā)了業(yè)內(nèi)對(duì)電動(dòng)汽車輕量化技術(shù)的高度關(guān)注。由于通過超級(jí)輕量化技術(shù)平臺(tái)打造的“全鋁空間架構(gòu)+全復(fù)合材料外覆蓋件”，使整車重量比傳統(tǒng)車減少了30%到40%，在當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料成本居高不下的情況下，給我國(guó)電動(dòng)汽車輕量化的發(fā)展開辟了新的途徑。

當(dāng)然，除應(yīng)用碳纖維、鋁這些輕量化材料之外，給電池減重，也是車企突破電動(dòng)車輕量化技術(shù)的一個(gè)著眼點(diǎn)。

去年年底，沃爾沃就已經(jīng)宣布在汽車電池輕量化上取得突破。據(jù)了解，這種創(chuàng)新的輕質(zhì)電池結(jié)構(gòu)，由一種新型納米材料組成的，它包括由碳纖維、聚合樹脂組成的納米結(jié)構(gòu)，以及植入其間的超級(jí)電容器。沃爾沃還表示，這種新電池材料成本更低，也更加環(huán)保。如果將目前的電動(dòng)車電池全部更換成這種新型材料，可以減低車重超過15%，效果是顯而易見的。

汽車輕量化的概念也已經(jīng)蔓延到氫燃料電池車上。以本田新FCV為例，大量采用輕量材料，重量比雅閣輕了15%。

具體而言，車身的約55%(重量比)使用了高張力鋼板和鋁合金等輕量材料，與尺寸相近的中型轎車“雅閣”相比，車身重量減輕約15%。雅閣的輕量材料使用比例為29%。輕量材料的具體使用比例方面，1.5GPa級(jí)高張力鋼板(熱壓材料)約為10%、980MPa級(jí)高張力鋼板(冷壓材料)約為20%、780MPa級(jí)高張力鋼板(冷壓材料)約為5%、鋁合金約為15%、包含GFRP(玻璃纖維強(qiáng)化樹脂)在內(nèi)的樹脂材料約為5%。其中，1.5GPa級(jí)高張力鋼板用于中柱、前柱、車頂縱梁和門檻梁等。980MPa級(jí)高張力鋼板的使用部位為車頂側(cè)梁、地板側(cè)梁、前部側(cè)車架等。單從車身骨架來看，980MPa級(jí)以上高張力鋼板的使用比例約為40%鋁合金方面，主要在外板使用了6000系合金。具體使用部位為前發(fā)動(dòng)機(jī)罩、翼子板、車門和行李艙蓋等。另外，前保險(xiǎn)杠防撞梁和車門防撞梁使用了強(qiáng)度比6000系合金高的7000系合金。另外，層疊了連續(xù)玻璃纖維和不連續(xù)玻璃纖維的混合成型GFRP被用于后保險(xiǎn)杠防撞梁。前隔板采用樹脂與鋁合金的混合結(jié)構(gòu)。隔板本身采用樹脂制造，連接鋼板車身和隔板的部分為鋁合金。

材料輕薄并非安全性降低

輕量化材料的應(yīng)用對(duì)汽車“減重”起到至關(guān)重要的作用，鋁、鎂、鈦合金材料是所有現(xiàn)用金屬材料中密度較低的輕金屬材料(鎂合金約1.74g/cm3, 鋁合金約2.7g/cm3，鈦合金約4.51g/cm3。而鋼的密度約7.8g/cm3)，因而成為汽車減輕自重，提高節(jié)能性和環(huán)保性的首選材料。在非金屬材料中，碳纖維材料由于密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫等特性被寄予厚望，是未來汽車材料的主要發(fā)展方向。

不過，普通消費(fèi)者對(duì)于汽車輕量化安全的判斷，其實(shí)很大程度上基于他們對(duì)于汽車安全性的感性認(rèn)識(shí)。這種觀念是，汽車是一個(gè)金屬外殼，人是殼中之軀，車將人包裹起來，殼越重越堅(jiān)固，安全性就越高。這也就不難理解為什么很多國(guó)內(nèi)消費(fèi)者選車時(shí)喜歡重重關(guān)一下門，若聽到沉悶的“砰”的一聲，便很滿意；或是用手敲敲車身，聽上去鋼板越厚實(shí)越好。因此，更加輕薄的輕量化材料應(yīng)用于車身，會(huì)普遍令消費(fèi)者缺乏安全感。

然而事實(shí)上，輕薄的輕量化材料應(yīng)用于車輛，并不能說降低了安全性。

首先，我們并不能通過敲車門聽聲音來判斷一輛車的安全性。據(jù)記者了解，車身部件按照功能可以大致分為兩種：車身覆蓋件和結(jié)構(gòu)件。 所謂覆蓋件就是覆蓋在車身表面的部件，基本上從車外看到的部分都屬于覆蓋件，如車門、車頂、翼子板等等，通常起到美觀和遮風(fēng)擋雨的作用，一般都用厚度不超過1毫米的鋼板沖壓而成。平時(shí)所說的某輛車鋼板的薄厚就是指這些部位。實(shí)際上這些部位對(duì)于車身強(qiáng)度的影響很有限，所以不能從車身覆蓋件的薄厚來判斷一輛車的碰撞安全性了。車身結(jié)構(gòu)件隱藏在車身覆蓋件之下，對(duì)車身起到支撐和抗沖擊的作用，分布在車身各處的鋼梁是車身結(jié)構(gòu)件的一種。

另外，正如國(guó)家汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副秘書長(zhǎng)王智文曾表示的，“即使汽車上使用很輕的材料，如果采用高強(qiáng)度加工工藝，也能達(dá)到很輕但彈性非常好的效果，滿足安全性。”

輕量化材料要“軟硬兼施”

然而，也不能在車身的每一寸都追求高強(qiáng)度，“雞蛋試驗(yàn)”更能說明這個(gè)道理。實(shí)驗(yàn)將一只雞蛋固定在一個(gè)車頭為金屬的小車上，以一定速度撞向另一塊固定的木樁。木頭車直接碰到木樁后停住，車沒有任何損壞，但車上的雞蛋卻破碎了。第二次試驗(yàn)，雞蛋固定方式和撞向木樁的速度都不變，但在在車頭把金屬換成了同樣大小的海綿，結(jié)果碰撞時(shí)海綿被壓癟，雞蛋卻相安無事。該實(shí)驗(yàn)可以說明，柔軟的海綿重量較輕、剛性不高，但發(fā)生撞擊時(shí)恰恰能起到吸收能量的效果。

目前比較流行的輕量化材料有多種，它們各有各的特點(diǎn)，有些強(qiáng)度很高，有些兼顧柔美。比如高強(qiáng)度鋼，作為傳統(tǒng)材料在汽車輕量化的使用中是主力。理論上相對(duì)于傳統(tǒng)340Mpa的材料，600Mpa級(jí)鋼種的減重潛能約為20%，800Mpa級(jí)鋼種的減重潛能可達(dá)到30%以上，高強(qiáng)度與安全性受到廣泛關(guān)注。而工程塑料這種輕量化材料，在擁有類似的金屬硬度、強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，就兼有柔美之性能，彈性變形的特性能吸收大量碰撞能量。

而在應(yīng)用這些輕量化材料時(shí)，為了確保汽車輕量化以后的安全性，需要“軟硬兼施”，綜合利用。也就是說，在需要吸能的地方要做得“軟”一些，在一些需要加強(qiáng)的位置要做得“硬”一些，總之，最好的材料要用在最合適的地方。

輕量化的問題很復(fù)雜

目前，奇瑞在電動(dòng)汽車輕量化技術(shù)的研究和應(yīng)用方面已取得突出成績(jī)，其在全鋁車身方面的成功探索給國(guó)內(nèi)輕量化技術(shù)的發(fā)展帶來很大信心。

然而，從當(dāng)前我國(guó)汽車企業(yè)在輕量化方面取得的成績(jī)來看，對(duì)輕量化技術(shù)的探索還任重而道遠(yuǎn)。

僅僅在新材料的應(yīng)用方面，我國(guó)材料的品種數(shù)量和性能就與發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大差距。更何況輕量化的問題還很復(fù)雜。

中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)副秘書長(zhǎng)張寧曾表示，目前跨產(chǎn)業(yè)的協(xié)同及產(chǎn)學(xué)研合作方面非常不足。例如，現(xiàn)在理論上已經(jīng)找到大幅提高碳纖維性能，使原有成本降低三分之一的方法，但是由于缺乏交叉學(xué)科人才，廠商與科研團(tuán)隊(duì)之間溝通不暢，嚴(yán)重阻礙了輕量化進(jìn)程。