輕薄之“途”

許暉

看寶馬5系歷代可看出車輛尺寸的逐代增加

入行汽車媒體之初，曾聽一位賽車界老前輩教導(dǎo)道：“當(dāng)你對于一臺車的改裝方案毫無頭緒的時(shí)候，不要猶豫，盡量減重一定沒錯(cuò)?！边@似乎很有道理，畢竟減重之后的車輛，不但能減輕發(fā)動機(jī)的負(fù)荷，同樣也能在彎道具有更好的操控性能，更能減緩各種運(yùn)動的機(jī)械部件的磨損。君不見號稱汽車界別技術(shù)含量最高的一級方程式賽車，800匹動力卻匹配僅有740Kg的車身，由此可見一斑。量產(chǎn)車并非賽車，解決重量問題離不開輕量化材料。

汽車這個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動體必定躲不開重量的影響

車身重量理應(yīng)重視

安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性、顏值等因數(shù)，通常是大多數(shù)消費(fèi)者在選購新車時(shí)排位靠前的衡量標(biāo)準(zhǔn)。而對于車子本身的重量，往往被排在極其末尾的名次，或是完全不予考量?？蓪?shí)際上前面提到的那些被當(dāng)為首要衡量標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)注點(diǎn)，無一例外地與你的車子重量，有著休戚相關(guān)的聯(lián)系。在車重這個(gè)問題上，消費(fèi)者應(yīng)該知道的知識還真不少。

大部分人在不看行駛證的情況下，基本很難一口說出自己車輛到底有多重，就連資深的車迷，往往也無法準(zhǔn)確知道這一數(shù)值。行駛證上所記載的車輛“整備重量”，實(shí)際上代表著一輛沒有乘客和貨物的車輛，在配備所有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備（包括冷卻劑，機(jī)油，汽油箱）時(shí)的總重。從汽車出現(xiàn)至今的一百多年里，汽車的增重已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)惡性循環(huán)的怪圈之中。消費(fèi)者對于汽車的安全、性能、以及豪華舒適度的需求，令制造商覺得，空間更大、更舒適、性能更強(qiáng)勁的汽車可以提高利潤率，并逐步向著更高的車身剛度、更強(qiáng)大的引擎配備、更廣闊的內(nèi)部空間以及豪華配置等目標(biāo)進(jìn)發(fā)，車輛越來越重的結(jié)果也顯而易見。舉個(gè)不恰當(dāng)?shù)睦樱?976年的高爾夫GTIMKI重量為820Kg，擁有108Hp動力;2006的高爾夫GTIMKV重量已經(jīng)達(dá)到1340Kg，動力也提升提升到了200Hp。30年間，主流車型的重量幾乎是以前的2倍之多，能耗豈能不升？

燃油經(jīng)濟(jì)性是所有人都關(guān)注的問題?，F(xiàn)代燃油系統(tǒng)在改善燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)方面已經(jīng)走過了很長一段發(fā)展時(shí)期。汽車越重，引擎所需要負(fù)擔(dān)的能耗也越高這點(diǎn)毋庸置疑，盡管工業(yè)技術(shù)讓現(xiàn)代引擎變得異常高效與強(qiáng)大，可終歸無法承受不斷添加的重量，更別提風(fēng)云變化的國際市場油價(jià)。美國EPA的數(shù)據(jù)顯示，車重每減少100磅（約45Kg），燃油效率將提高1%～2%。不要輕視這45Kg的重量，對于那些后備箱永遠(yuǎn)裝滿不必要行李、加油永遠(yuǎn)滿箱的車主來說，同樣的車輛往往需要耗費(fèi)更多的燃料。如何學(xué)會為車輛科學(xué)減重是車主用車的習(xí)慣，也是汽車工業(yè)技術(shù)的目標(biāo)。

汽車重量因?yàn)橄M(fèi)者需求不斷增重

著名的微型車FIAT500體積重量也在增加

車重的增減實(shí)際上一把雙刃劍，在相同造車工藝與材料應(yīng)用之下，重量減輕雖明顯提升經(jīng)濟(jì)性，但對安全而言則有可能起到反作用。舉個(gè)不恰當(dāng)?shù)睦?，用豐田Yaris與雷克薩斯LX做一個(gè)80Km/h的正面對撞試驗(yàn)。相信后果大家都能清楚預(yù)測，三倍重量于對手的雷克薩斯鐵定完勝。有科研機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)表明，如果碰撞之中兩輛汽車之間的重量相差超過1000磅（495kg），那么較輕一方在該碰撞發(fā)生時(shí)的致死率將增加接近50%。

此時(shí)若要討論日韓車系過于輕薄，或是歐美車系過于笨重似乎過于膚淺了。這個(gè)事關(guān)生死、事關(guān)金錢、事關(guān)顏面的汽車技術(shù)話題，本就是一個(gè)平衡問題，如何做到輕快好省，眾多專注于汽車輕量化的工程師，從汽車設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上、制作材料以及制造工藝上，給予了相當(dāng)多的解決辦法。這其中汽車輕量化材料成為了重中之重。

ordModelT出現(xiàn)真正意義上的車架式車身結(jié)構(gòu)

空客為飛機(jī)制造所使用的玻纖復(fù)合材料

采埃孚研發(fā)的輕量化復(fù)合板簧

FCA研發(fā)出全新適用于發(fā)動機(jī)缸體的鋁合金材料

更輕盈的輕量化材料變遷

歷史上最初的汽車完全由木頭所建造的，隨后進(jìn)化出了使用木質(zhì)框架覆蓋鋼制面板。1900年的時(shí)候，首次出現(xiàn)了車架設(shè)計(jì)的想法，車輛開始擁有承載底盤，以支撐工作所需要的機(jī)械零部件以及通常由鋼制成的車身。這其中福特著名的T型車就是最好的例證。時(shí)至今日大部分體型較小的車輛，例如中小型SUV和轎車，多采用了一體式結(jié)構(gòu)（承載式車身結(jié)構(gòu)），而像卡車、大型公共汽車或是部分大型SUV等重型車輛，依然使用車架車身結(jié)構(gòu)（非承載式車身結(jié)構(gòu)）。但無論采用哪種改造技術(shù)，鋼材依然是車架使用的主要材料。

一臺汽車的基本組成部分主要涵蓋了發(fā)動機(jī)、底盤、車身和電氣設(shè)備四大塊。其中車身占重35%、底盤占重34%、動力總成占了27%，剩下的4%則為各種內(nèi)飾以及其他部分。正是這幾個(gè)看得見摸得著的部分，占去了整車絕大部分的重量。汽車從最初的原木制造變?yōu)槟举|(zhì)框架再到鋼制框架，材質(zhì)上已經(jīng)得到了翻天覆地的改變。木到鋼的更替，車身強(qiáng)度在增加的同時(shí)重量亦隨之增加。幸好更具重量優(yōu)勢的新型輕質(zhì)材料不斷誕生，讓減重大計(jì)得以實(shí)施，強(qiáng)度方面更無需妥協(xié)。目前的減重排行榜之中，高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂以及復(fù)合材料等已經(jīng)逐步開始替代純鋼材料并越來越多地應(yīng)用在量產(chǎn)車型之上。

1994年亮相IAA引起轟動的奧迪A8首次采用全鋁車身結(jié)構(gòu)

A8的全鋁車身應(yīng)用了各種連接工藝

鋁合金被廣泛應(yīng)用在車輛各部位

特斯拉打造出適用于電動機(jī)的全新鋁合金

鋁合金可方便制成各種車輛主要零部件

鋁合金（Aluminum Alloy）

鋁合金應(yīng)該算是最早進(jìn)入人們視野的非鋼輕質(zhì)材料。從1975年開始至今的，鋁合金的散熱系統(tǒng)、輪轂、發(fā)動機(jī)缸蓋、缸體、防撞杠、引擎蓋以及車門與白車身，量產(chǎn)車上的鋁合金制品無處不在。與純鋼材料相比，成本雖然略高，但并不妨礙同等體積減重接近40%的鋁合金材料瞬間成為了制造商的寵兒。第一輛嘗試使用全鋁車架的量產(chǎn)車是1994年的奧迪A8。這讓奧迪在C級轎車領(lǐng)域比競爭對手更為輕盈，性能以及操控方面也更具有優(yōu)勢。到了2015年，作為皮卡典型的福特F150也通過使用鋁合金令車身減重超過226Kg完成了華麗轉(zhuǎn)身。當(dāng)然還少不了路虎攬勝運(yùn)動版，鋁制車身與之前型號相比，減去了300Kg的重量?，F(xiàn)在的量產(chǎn)車之中，平均每臺汽車包含約90Kg鋁制零件。

鋁合金除了能大幅減低重量以外，其良好的延展性、方便的閉環(huán)回收利用以及特有的成形性與成型工藝，同樣受到業(yè)界歡迎。譬如特有的擠壓成型工藝在“自沖鉚接”工藝配合下，能讓車架零件的數(shù)量與連接點(diǎn)較傳統(tǒng)鋼制單體外殼減少一半甚至更多。盡管鋁合金原本預(yù)計(jì)需求增長最快的領(lǐng)域會是底盤與車身范圍，可實(shí)際上現(xiàn)在已經(jīng)在所有車輛系統(tǒng)之中大放異彩。鋁鑄件也成為發(fā)動機(jī)、變速箱缸體，甚至懸架以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所熱衷的使用材料。目前來看，鋁材已經(jīng)成為用于年產(chǎn)規(guī)模10萬輛以下車型最具性價(jià)比的材料。

輕便結(jié)實(shí)的鎂合金一直是專業(yè)相機(jī)的機(jī)身材料

鎂合金材料

鎂合金在汽車輕量化之中的零部件應(yīng)用

鎂合金成為許多變速箱殼體首選材料

鎂合金（Magnesium Alloy）

鎂是全球排第八大豐富的元素，蘊(yùn)藏含量約占地殼2%，同時(shí)也是溶解在海水之中第三大的豐富元素，為此蘊(yùn)藏量十分巨大。鎂合金的密度小，約占鋼的1/4，鋁合金的2/3，比剛度和比強(qiáng)度優(yōu)于鋼和鋁合金，遠(yuǎn)高于工程塑料。此外，鎂合金材料具有良好的阻尼性能，并具有良好的電磁屏蔽、散熱、切割、無毒、可降解、易回收等性能，所以鎂合金被認(rèn)為是最便宜也最輕的金屬合金，十分被汽車工業(yè)所看好。鎂合金的優(yōu)點(diǎn)很明顯，缺點(diǎn)也是有的，鎂合金質(zhì)地較脆，其在碰撞之下會產(chǎn)生較大變形，存在很大的斷裂風(fēng)險(xiǎn)，因此鎂合金并不適用于如保險(xiǎn)杠、門梁、B柱等面對大變形的結(jié)構(gòu)。但對于如方向盤、座椅骨架、儀表盤等在碰撞時(shí)不易觸發(fā)大變形的結(jié)構(gòu)處，鎂合金就體現(xiàn)出了自身的價(jià)值。所以鎂合金對鋁合金更多的是部分替代而非整體取代。鎂合金結(jié)構(gòu)件的使用可以在鋁合金結(jié)構(gòu)件的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)30%左右的減重效果。目前福特、通用、大眾、寶馬等不少品牌，已經(jīng)將鎂合金作為如托架、氣門蓋、方向盤、油底殼，甚至是變速器箱體的主要輕量化材料。

應(yīng)用在車輛前端的法雷奧玻纖復(fù)合材料

玻璃纖維纏繞工藝

碳纖復(fù)合材料

復(fù)合材料應(yīng)用（Composites Applications）

碳纖維與玻璃纖維等高分子材料的出現(xiàn)，為汽車輕量化大業(yè)注入了新的活力。特別是碳纖維復(fù)合材料，已經(jīng)被航空航天領(lǐng)域應(yīng)用多年，具有良好的技術(shù)沉淀，在許多特性上也超越了傳統(tǒng)材料，有望逐步成為汽車結(jié)構(gòu)件輕量化材料的主線。其質(zhì)地在目前所有輕量化材料之中最輕，高強(qiáng)、抗沖擊和耐腐蝕等特點(diǎn)也十分優(yōu)異。在符合安全標(biāo)準(zhǔn)的前提下，碳纖維車身能較同體積的鋁合金車身再減重50%。極致減重的同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度達(dá)到了鋼的8倍，同時(shí)具有金屬材料5倍的能量吸收能力，達(dá)到了121KJ/kg水平。這讓碳纖維復(fù)合材料在汽車結(jié)構(gòu)件上可取代目前的鋼結(jié)構(gòu)車身。

采用碳纖維復(fù)合材料打造的車身可以令整車重心下移，提升操控穩(wěn)定性;擁有極佳的能量吸收能力，在碰撞之中進(jìn)一步保證車輛成員安全;更高的震動阻尼也給予整車NVH極大的改善。關(guān)鍵一點(diǎn)是碳纖維復(fù)合材料比金屬材料具有更高的抗疲勞強(qiáng)度。開篇提到的一級方程式賽車正是采用大量碳纖維復(fù)合材料打造，令其擁有FIA國際汽聯(lián)所要求740Kg的靚麗身材。目前世界范圍車企之中，德國車企特別是寶馬在碳纖維車身方面可謂處于整個(gè)汽車行業(yè)的領(lǐng)先位置。

玻纖復(fù)合材料則屬于改性增強(qiáng)塑料范疇。從工藝上根據(jù)塑料粒子的長度和玻纖維的長度可分為短玻纖增強(qiáng)塑料SFT和長玻纖增強(qiáng)塑料LFT。長玻纖長度為2-4mm，比長度僅為0.2-0.4mm短玻纖排列更規(guī)律，強(qiáng)度、剛度也更占優(yōu)，所以勢必替代短玻纖材料。玻纖復(fù)合材料具有密度小、易成型、設(shè)計(jì)靈活、耐腐蝕、耐沖擊、抗振隔熱、絕緣等諸多優(yōu)點(diǎn)，價(jià)格更是遠(yuǎn)比碳纖維復(fù)合材料便宜。傳統(tǒng)認(rèn)為玻纖材料質(zhì)地較脆，強(qiáng)度比碳纖維要低，受熱情況下形變程度較大，所以只適合用于制造支撐汽車的非結(jié)構(gòu)件或是裝飾件，譬如發(fā)動機(jī)罩、電池托架、儀表板、發(fā)動機(jī)罩蓋，以及后背門等部件之上。

BMW i3使用碳素纖維制成的保險(xiǎn)杠

麥格納為豐田supra做的加強(qiáng)框架

車用碳纖外殼

眾多國際著名零部件生產(chǎn)企業(yè)對于玻纖材料的應(yīng)用研發(fā)一直十分重視，這其中加拿大企業(yè)麥格納憑借復(fù)合材料尾門立體加強(qiáng)框架在豐田Supra上的首次應(yīng)用，贏得了2020年P(guān)ACE供應(yīng)商創(chuàng)新大獎(jiǎng)。這款復(fù)合材料立體框架是由泡沫芯制成的管狀框架，采用連續(xù)玻璃纖維進(jìn)行纏繞并注入聚氨酯熱固性樹脂制成，現(xiàn)今全球62%的汽車尾門中，只有少量由塑料制成將使其擁有巨大的市場潛力。

法國零部件企業(yè)法雷奧，更是在在車輛前端模塊之中率先使用了由玻纖增強(qiáng)樹脂所制成的輕質(zhì)復(fù)合材料，以滿足更高的剛性與耐久性要求，這款輕質(zhì)復(fù)合材料在較鋼制配件減重30%的情況之下，依然能保證擁有同樣的安全等級?？磥黼S著工藝與技術(shù)的發(fā)展，玻纖復(fù)合材料等級將進(jìn)一步提升，并嘗試被應(yīng)用在部分車輛結(jié)構(gòu)件之中。

鋼材仍是制造汽車的主要材料

Smart與BenzS級的對撞測試

一級方程式賽車是輕量化工程的極致典范

合理的車輛結(jié)構(gòu)與材料選用才能最大程度為車輛減重

鋼材（Steel）

雖然上面提及了不少目前已經(jīng)得到應(yīng)用的汽車輕量化材料。但是最后依然要給大家說一下依然被車企所高度依賴的汽用鋼材族群。這其中依照鋼材強(qiáng)度從低到高分為低強(qiáng)度鋼（LSS）、高強(qiáng)度鋼（HSS）、先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS）、超高強(qiáng)度鋼（UHSS）以及熱成型鋼（PHS）。各種鋼材的強(qiáng)度也從低于210MPa一直延伸至大于1000MPa，部分產(chǎn)品在改進(jìn)工藝之后更能達(dá)到接近2000MPa的強(qiáng)度。由于鋼材工藝不在本文討論范圍，這里就不作細(xì)述?；蛟S有人會問，鋼的密度都是7.85g/cm3，從何減重呢？其實(shí)這就必須提及“強(qiáng)度”這一產(chǎn)品特征了。在車輛部件上使用更高強(qiáng)度的鋼材，可達(dá)成更薄的鋼板厚度要求，同樣實(shí)現(xiàn)了輕量化的目的。

通常較為負(fù)責(zé)的車企，會將高強(qiáng)鋼或超高強(qiáng)度鋼專門用于結(jié)構(gòu)件，譬如防止碰撞變形與侵入傷害的安全籠（乘客艙）部位。值得一提的是，由于目前國內(nèi)并沒有一個(gè)較為成文的規(guī)定，具體劃分鋼材強(qiáng)度的分級，通常只會按照業(yè)內(nèi)人士約定俗成的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，并不具備任何約束力。所以車企文宣上高強(qiáng)度鋼的使用不但需要考慮占比，更需要考慮其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。倘若不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再高強(qiáng)度的鋼材也無法保證安全，相反可能對乘員還會帶來不必要的傷害。

結(jié)語：

世界對于環(huán)境保護(hù)的渴望;消費(fèi)者對于燃油經(jīng)濟(jì)性的看重;新能源對于汽車設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的根本性改變，重量問題對于制造商、零部件提供商和消費(fèi)者而言均變得越來越重要。不要對賭消費(fèi)者放棄大型車輛的可能性，既然輕量化材料生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可行性已經(jīng)得到解決，不妨建議相關(guān)企業(yè)，以貓步繼續(xù)行走于這條輕薄之“途”。