把車(chē)變輕，車(chē)企的新挑戰(zhàn)

想要取代鋼鐵在車(chē)身材料中的主導(dǎo)地位，輕量化材料要能夠?qū)⒊杀究刂圃诳沙惺芊秶畠?nèi)，符合條件的并不多

如果把動(dòng)力總成比作汽車(chē)的心臟、智能系統(tǒng)視作大腦，車(chē)身的材料就是肌肉，除了電氣化、智能化，現(xiàn)在汽車(chē)界還流行起了輕量化，就是把車(chē)身的材料從鋼逐步向鋁過(guò)渡。

按工信部要求，2020年國(guó)產(chǎn)乘用車(chē)平均油耗要降至5.0L/100km。時(shí)間緊、任務(wù)重，減輕車(chē)重是最直接有效的降耗減排手段。據(jù)美國(guó)能源部以及多家輕量化材料供應(yīng)商的測(cè)算，燃油車(chē)重量每減少10%，可省油5%-8%。

發(fā)展零油耗的電動(dòng)汽車(chē)來(lái)把平均油耗拉下去則是另一種方式，由于電池具備較大的重量，為增加續(xù)航里程也得打造更輕的車(chē)身。

減車(chē)重、降油耗、續(xù)里程，國(guó)內(nèi)的輕量化車(chē)型正在逐漸增多，車(chē)身以鋁代鋼是主流。凱迪拉克CT6、國(guó)產(chǎn)捷豹XFL等鋁合金車(chē)身的燃油車(chē)型先后落地，奇瑞小螞蟻（eQ1）作為國(guó)內(nèi)率先采用鋁制車(chē)身的新能源車(chē)型在3月份正式上市，蔚來(lái)汽車(chē)等新造車(chē)企業(yè)的首款量產(chǎn)車(chē)也多選用鋁制車(chē)身。

但相比國(guó)外，中國(guó)汽車(chē)輕量化起步較晚，在材料、工藝和設(shè)計(jì)等輕量化研究上與歐美成熟汽車(chē)市場(chǎng)存在差距，在日益嚴(yán)苛的能耗要求下，國(guó)內(nèi)輕量化技術(shù)正在爬坡追趕。

材料的抉擇

新材料的應(yīng)用是輕量化的關(guān)鍵，不過(guò)在未來(lái)5年-10年內(nèi)，鋼鐵還是汽車(chē)制造的主要材料。

大部分受訪專(zhuān)家都認(rèn)為，輕量化材料的演進(jìn)需要一個(gè)過(guò)程，鋁材、碳纖維、復(fù)合材料等在汽車(chē)各部位將得到廣泛使用，“但鋼制車(chē)身仍將占據(jù)主導(dǎo)地位”。

為應(yīng)對(duì)各種新材料的挑戰(zhàn)，作為主流汽車(chē)制造材料，鋼材自身正在努力減重，新型的高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼不斷研發(fā)并應(yīng)用于汽車(chē)制造中。

寶鋼股份汽車(chē)板技術(shù)服務(wù)總監(jiān)、汽車(chē)板技術(shù)服務(wù)室首席工程師鮑平對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者介紹，“目前國(guó)內(nèi)車(chē)型的超高強(qiáng)鋼使用比較謹(jǐn)慎，平均比例略超5%，而歐美成熟汽車(chē)市場(chǎng)的應(yīng)用比例在15%-20%之間?！睋Q句話說(shuō)，國(guó)內(nèi)汽車(chē)鋼板的使用還有很大的提高空間。

作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的汽車(chē)板提供商，寶鋼集團(tuán)在2015年11月發(fā)布其超輕型白車(chē)身——BCB（Baosteel Car Body），高強(qiáng)鋼使用比例達(dá)78%。在減輕重量的同時(shí)，其整車(chē)正面碰撞等多項(xiàng)指標(biāo)均滿足中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）五星要求，安全性很高。而在實(shí)際應(yīng)用中，上汽通用邁銳寶XL的超高強(qiáng)鋼占比已高達(dá)40%。

但鋼鐵的使用有局限性，其他材料供應(yīng)商紛紛進(jìn)入汽車(chē)制造領(lǐng)域。作為全球領(lǐng)先的鋁壓延產(chǎn)品制造商，總部位于美國(guó)的諾貝麗斯公司（Novelis）40年前已在歐洲的汽車(chē)行業(yè)開(kāi)始嘗試使用鋁替代鋼，到現(xiàn)在已有180種車(chē)型使用其鋁材。

諾貝麗斯中國(guó)區(qū)董事總經(jīng)理兼亞洲汽車(chē)業(yè)務(wù)副總裁劉清告訴《財(cái)經(jīng)》記者，汽車(chē)做輕量化，鋼的厚度不能任意減薄，其使用比重包括剛度的要求是有限制的?！八晕磥?lái)5年-10年里，鋼還是一個(gè)主流材料，但更多輕量化材料，特別是鋁，在白車(chē)身（指完成焊接但未涂裝、不包括四門(mén)兩蓋的車(chē)身）里占的份額會(huì)越來(lái)越多。”

想要取代鋼鐵在車(chē)身材料中的主導(dǎo)地位，輕量化材料要能夠?qū)⒊杀究刂圃诳沙惺芊秶畠?nèi)進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，符合條件的并不多。

就金屬而言，美國(guó)能源部關(guān)注的鎂合金目前因?yàn)槌杀炯凹庸ぜ夹g(shù)等問(wèn)題，在車(chē)身上還難以低成本量產(chǎn)，目前主要集中應(yīng)用于方向盤(pán)等車(chē)內(nèi)結(jié)構(gòu)件。而碳纖維盡管比鋁更輕，比鐵更硬，可成本高昂，除了BMWi3等少量車(chē)型進(jìn)入大規(guī)模量產(chǎn)，碳纖維材料主要用在產(chǎn)量有限的高端超跑車(chē)上。

其他復(fù)合材料和工程塑料等在汽車(chē)上早已使用，“以塑代鋼”也是廠商關(guān)注的焦點(diǎn)之一，也在向底盤(pán)、覆蓋件等重要汽車(chē)零部件擴(kuò)展，在我國(guó)，其使用率也呈逐年上升趨勢(shì)。但硬度、強(qiáng)度和拉伸等性能符合造車(chē)要求的塑料研發(fā)難度巨大，同時(shí)塑料應(yīng)用在關(guān)鍵部位尤其是車(chē)身上安全性和可靠性還需要時(shí)間檢驗(yàn)。

上述的輕量化材質(zhì)均是研發(fā)方向，也有潛力實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，但目前來(lái)說(shuō)，鋁是輕量化材料中成為主流材質(zhì)的大概率選項(xiàng)。諾貝麗斯預(yù)計(jì)2013年-2020年，全球汽車(chē)用鋁需求的年增長(zhǎng)率約為25%。

在制造上，鋁合金加工成型性能好，而且全鋁車(chē)身的制造生產(chǎn)已有較長(zhǎng)時(shí)間，工藝相較其他材料更為成熟。在目前技術(shù)條件下，全鋁車(chē)身相較于鋼制車(chē)身，最大減重可達(dá)40%，并且保證性能和安全性不減弱。

從成本上來(lái)看，鋁制車(chē)型的售價(jià)漲幅在其目標(biāo)消費(fèi)者的接受范圍內(nèi)。《財(cái)經(jīng)》記者從福特汽車(chē)公司總部獲悉，全新一代鋁合金車(chē)身的皮卡F-150上市時(shí)，入門(mén)款XL廠商建議售價(jià)上浮395美元，而豪華款Lariat車(chē)型漲價(jià)1045美元，價(jià)格漲幅1.5%-2.6%。

這與歐洲的經(jīng)驗(yàn)類(lèi)似，劉清以路虎最大的SUV為例，“整個(gè)材料成本增加也就1000歐元左右，相較于售價(jià)并不多，還有減重省下的油錢(qián)，消費(fèi)者是愿意買(mǎi)單的。”

憑借這些優(yōu)勢(shì)，在百花齊放的汽車(chē)輕量化材料中，鋁材或能最早脫穎而出，來(lái)挑戰(zhàn)鋼鐵的主導(dǎo)地位。

輕量化“鐵三角”

鐵三角指車(chē)身設(shè)計(jì)、制造工藝和新材料。輕量化在汽車(chē)制造領(lǐng)域是一個(gè)系統(tǒng)工程，車(chē)身設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上減重，制造工藝的創(chuàng)新能減少零件數(shù)，配合新材料的使用，這組“鐵三角”的平衡才能達(dá)到輕量化的最優(yōu)解。

車(chē)身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是在保證車(chē)身強(qiáng)度、安全性等前提下，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)減少多余結(jié)構(gòu)，提高材料的使用效率，進(jìn)而減輕車(chē)身重量。越來(lái)越多的車(chē)企選用拓?fù)鋬?yōu)化的方案，即根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在有限空間內(nèi)對(duì)材料布局進(jìn)行改進(jìn)。

在2016年11月中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì)召開(kāi)的第七次電動(dòng)汽車(chē)熱點(diǎn)問(wèn)題研討會(huì)上，奇瑞新能源研究院院長(zhǎng)倪邵勇表示，奇瑞新能源輕量化車(chē)型主要是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)車(chē)試驗(yàn)來(lái)完成，“希望可以通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化的方式進(jìn)一步提升產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)”。

結(jié)合CAE等軟件進(jìn)行仿真模擬，設(shè)計(jì)人員確實(shí)能節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間并幫助車(chē)企優(yōu)化減重效果。相較于常規(guī)方法，湖南大學(xué)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的骨架采用的輕量化策略可節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間30天左右，多減重22.4千克。上汽通用的邁銳寶XL通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，單在車(chē)身部分就減重超過(guò)50千克。

制造工藝的改進(jìn)和創(chuàng)新與前期設(shè)計(jì)息息相關(guān)，后者也在汽車(chē)輕量化中發(fā)揮重要作用。寶鋼BCB白車(chē)身應(yīng)用熱沖壓、液壓、輥壓和激光拼焊板等成形工藝，在實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化的同時(shí)，整車(chē)性能不下降。

與傳統(tǒng)鋼板沖壓件相比，全鋁車(chē)身的成形工藝更為多樣，包括型材擠壓、折彎、板材沖壓、鑄造、鍛造等。

作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的鋁加工企業(yè)，中國(guó)忠旺在近幾年也深入到汽車(chē)制造領(lǐng)域。忠旺集團(tuán)（北京）技術(shù)與發(fā)展中心總監(jiān)夏德偉告訴《財(cái)經(jīng)》記者，“鋁制擠壓型材件與鑄件設(shè)計(jì)靈活性大、剛性強(qiáng)，對(duì)于減少零件數(shù)量、零件減重貢獻(xiàn)很大?！?/p>

據(jù)了解，如果將車(chē)門(mén)內(nèi)外板包邊的工藝應(yīng)用到副車(chē)架的制造上，相關(guān)零件數(shù)量可以從八到十個(gè)減至兩個(gè)。而鋼鋁等異金屬連接需要有特定的工藝，焊接、鉚接、粘接等優(yōu)化后的連接工藝對(duì)于車(chē)身減重也很有幫助。

碳纖維雖然價(jià)格高昂，但總成的方式取得突破性進(jìn)展。據(jù)意大利APS技術(shù)有限公司總裁王嘉在前述研討會(huì)上的介紹，蘭博基尼Sesto Elemento項(xiàng)目將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的48個(gè)零件替換成4個(gè)-6個(gè)大片，把前圍、地板、后圍集成為一個(gè)整體式座艙，工藝并不復(fù)雜，但減重效果突出。

在實(shí)際的輕量化應(yīng)用中，材料、設(shè)計(jì)與工藝三者密不可分，許多特定的材料需要在特定的工藝和設(shè)計(jì)下才能夠使用。

其中材料供應(yīng)商扮演著非常重要的角色，無(wú)論是鋼廠還是鋁加工企業(yè)，它們大多從白車(chē)身設(shè)計(jì)開(kāi)始就要前期介入到汽車(chē)公司的項(xiàng)目中去。

結(jié)合與全球眾多知名汽車(chē)品牌長(zhǎng)期合作的經(jīng)驗(yàn)，劉清對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者透露，他們的產(chǎn)品盡管是材料，但提供的服務(wù)已不局限在材料本身，“要跟客戶的研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工等相關(guān)部門(mén)深入溝通，進(jìn)行前中期配合，做好售后服務(wù)”。

而在做輕量化設(shè)計(jì)及研發(fā)時(shí)，汽車(chē)企業(yè)需要針對(duì)不同的車(chē)型選用有針對(duì)性的輕量化材料來(lái)滿足消費(fèi)者的需求。福特汽車(chē)公司北美產(chǎn)品傳播經(jīng)理Mike Levine告訴《財(cái)經(jīng)》記者，福特遵循的原則是每一個(gè)輕量化車(chē)型都是單獨(dú)設(shè)計(jì)個(gè)案來(lái)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)。

因此，從材料供應(yīng)商到加工過(guò)程中的設(shè)備供應(yīng)商，再到汽車(chē)主機(jī)廠，設(shè)計(jì)、工藝和材料這個(gè)“鐵三角”中的每個(gè)環(huán)節(jié)都需要保持良好的溝通和配合，做到各方面的平衡，汽車(chē)的輕量化才能取得更好的效果。

前路不易

在材料及其加工成本高企、國(guó)內(nèi)工業(yè)水平和制造技術(shù)相對(duì)落后的市場(chǎng)環(huán)境中，如果政府不能?chē)?yán)格執(zhí)行能耗和排放政策法規(guī)，車(chē)企缺乏減重動(dòng)力，推動(dòng)輕量化技術(shù)的發(fā)展困難不小。

在2016年10月公布的《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》中，中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)將輕量化技術(shù)的目標(biāo)設(shè)為：到2030年，高強(qiáng)鋼應(yīng)用比例大幅增加，單車(chē)用鋁量超過(guò)350千克，鎂合金45千克，碳纖維使用量占車(chē)中5%，整車(chē)比2015年減重35%，也提出了材料、工藝和設(shè)計(jì)等多條路徑，但要達(dá)到上述目標(biāo)并不容易。

在燃油車(chē)方面，企業(yè)自身發(fā)展輕量化技術(shù)的內(nèi)在動(dòng)力有限。雖然部分車(chē)企宣傳時(shí)會(huì)強(qiáng)調(diào)操控性等駕乘體驗(yàn)，但更主要的還是燃油政策倒逼他們加大投入輕量化。

就目前來(lái)看，為了控制成本，保證利潤(rùn)，輕量化技術(shù)多用在價(jià)格敏感度低的豪華高端車(chē)型。無(wú)論是鋁材使用超過(guò)50%的凱迪拉克CT6、全鋁車(chē)身捷豹XFL，還是剛進(jìn)入中國(guó)的福特猛禽F-150，都是豪華車(chē)型，邁銳寶XL也是屬于中高端車(chē)。

福特汽車(chē)公司總裁兼CEO馬克·菲爾茲（Mark Fields）接受《財(cái)經(jīng)》記者采訪時(shí)表示：“大車(chē)型的消費(fèi)者會(huì)比較在乎降低車(chē)身重量，這會(huì)增加很多性能，愿意為輕量化買(mǎi)單。但是在小車(chē)型不會(huì)有這樣的考慮，這類(lèi)消費(fèi)者并不是最在乎這一點(diǎn)（減重），所以輕量化技術(shù)在中小型車(chē)上的應(yīng)用還有待觀察。”

雖然據(jù)歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)（EAA）的研究表明，對(duì)于傳統(tǒng)燃油車(chē)，按目前汽油價(jià)格計(jì)算，不到兩年即可從節(jié)省的燃油費(fèi)用里收回鋁替代鋼增加的成本，但讓價(jià)格敏感度更高的普通消費(fèi)者短期內(nèi)付出更高的價(jià)格，這個(gè)市場(chǎng)還需要更長(zhǎng)時(shí)間的培育。

在商用車(chē)領(lǐng)域早就遇到了類(lèi)似情況，蔚來(lái)資本合伙人張君毅告訴《財(cái)經(jīng)》記者，隨著供應(yīng)的產(chǎn)品越來(lái)越多，鋁制車(chē)身的價(jià)格自然下降。在乘用車(chē)方面，“目前車(chē)企高端鋁制車(chē)身的制造工廠在中國(guó)并不多”，因此輕量化車(chē)型下探中低端車(chē)型或許仍要一段時(shí)間。

而且中國(guó)汽車(chē)鋁板的生產(chǎn)企業(yè)還不多，諾貝麗斯在常州設(shè)廠投產(chǎn)，忠旺集團(tuán)則在天津投建了鋁板廠，但缺乏規(guī)模效應(yīng)，高端汽車(chē)鋁板的成本依然很高，需要更多企業(yè)參與進(jìn)來(lái)，才能降低成本。

電動(dòng)汽車(chē)企業(yè)對(duì)于輕量化的需求更為迫切，但同樣也需要考慮成本。據(jù)悉，相較于前兩款車(chē)型，特斯拉Model 3 的鋼鐵使用比例將明顯提高。蔚來(lái)汽車(chē)今年3月與諾貝麗斯簽訂五年的合作協(xié)議，不過(guò)據(jù)鮑平透露，“蔚來(lái)汽車(chē)的部分后續(xù)車(chē)型也將增加鋼材的使用?！?/p>

鋁的回收利用一定程度上兼顧了節(jié)能環(huán)保和控制成本。諾貝麗斯和客戶合作，對(duì)廢鋁進(jìn)行閉環(huán)回收，而福特在生產(chǎn)過(guò)程中也設(shè)計(jì)加入了一個(gè)“散料再利用”環(huán)節(jié)——沖壓廢料然后再分類(lèi)用于新產(chǎn)品的生產(chǎn)中，從而有效降低成本。

除了材料本身的成本，由于國(guó)內(nèi)車(chē)企制造工藝和技術(shù)儲(chǔ)備的不足，材料加工的效率較低，從而增加汽車(chē)零部件和主機(jī)廠的制造成本。而且新材料和新工藝的使用需要對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行改造，資金壓力巨大。

此外，車(chē)企既要考慮制造的成本和便利性，還要考慮到售后維修的便利性。由于修理鋁制車(chē)身的維修店目前還比較少，使用激光焊接技術(shù)的部位受損維修并不容易。這些新材料和工藝在維修保養(yǎng)上的問(wèn)題一定程度也阻礙了輕量化的推廣。

總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在的材料供應(yīng)在品種、數(shù)量和性能上與國(guó)外有較大差距。夏德偉坦言，目前國(guó)內(nèi)汽車(chē)用鋁材與國(guó)外相比，在擠壓型材上差距較小，在板材、鑄件等鋁材性能上仍有一定差距，但國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)在努力追趕。

但無(wú)論是政府還是產(chǎn)業(yè)鏈上的各家企業(yè)和研究人員，都要認(rèn)識(shí)到做產(chǎn)品和技術(shù)的開(kāi)發(fā)沒(méi)有捷徑，中國(guó)汽車(chē)輕量化處于艱難的爬坡階段。

如前述所言，輕量化并不完全是消費(fèi)者需求和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的，政府的排放和燃油法規(guī)對(duì)企業(yè)的投入影響很大。張君毅認(rèn)為，目前需要相關(guān)政府部門(mén)嚴(yán)格執(zhí)法，“如果執(zhí)法不力，對(duì)那些大力投入輕量化的企業(yè)是一種傷害”。

政府的獎(jiǎng)勤罰懶能夠給企業(yè)埋頭苦干、拼命爬坡以動(dòng)力，否則后果將是劣幣驅(qū)逐良幣，在汽車(chē)輕量化的發(fā)展上始終落后。