根據(jù)ECB探討車身輕量化技術(shù)趨勢

摘 要：通過對過去5年ECB展示的轎車和SUV進行統(tǒng)計，分析了白車身輕量化系數(shù)、車身形式、高強鋼、熱成形鋼、鋁合金和復合材料的現(xiàn)狀和趨勢。研究結(jié)果表明，白車身輕量化系數(shù)雖然有波動，但未來會不斷下降。鋼制車身會緩慢下降，多種材料復合車身和鋼鋁混合車身越來越多，全鋁車身由于成本太高應(yīng)用會越來越少。高強鋼包括熱成形鋼和鋁合金的開發(fā)和應(yīng)用是未來車身輕量化的主要方向，應(yīng)用鋁板、擠壓型材和鑄造件最多的零部件分別是前機蓋內(nèi)外板、前防撞梁和前減振塔，復合材料主要體現(xiàn)在塑料后尾門的應(yīng)用上。

關(guān)鍵詞：ECB；輕量化；高強鋼；鋁合金

歐洲車身大會（EuroCarBody， ECB）是由國際汽車聯(lián)盟（Automotive Circle International）組織的國際車身領(lǐng)域頂級峰會，截至2023年已經(jīng)舉辦了25屆，目前已發(fā)展成為全球最新車身技術(shù)展示和交流的平臺。作為一個高規(guī)格的國際化技術(shù)平臺，旨在推動車身技術(shù)交流與進步，會議就車身結(jié)構(gòu)布置、平臺化、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)、新材料、質(zhì)量及材料占比、連接技術(shù)、模態(tài)及剛度、NVH、碰撞安全性能、工藝及廠房布置等進行交流、研討與評價[1]。

ECB代表著全球汽車車身發(fā)展趨勢，近年來一直被譽為車身界的頂級峰會。本文通過分析2019－2023五年來ECB展示的轎車和SUV（合計33個車身，不包括MPV、皮卡、賽車、敞篷車以及極少數(shù)缺少數(shù)據(jù)的車身）車身材料應(yīng)用趨勢，為新車型車身選材提供參考。

車身輕量化理論

1. 白車身輕量化系數(shù)

白車身輕量化系數(shù)（Light Weight Index）是汽車行業(yè)公認的評價指標[2]，該系數(shù)的定義

（1）

式中" "L——白車身輕量化系數(shù)；

m——不含四門兩蓋的白車身骨架質(zhì)量，單位kg；

CT ——車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度（本文中新能源的計

算包含動力電池），單位N·m/°；

A—— 車身的腳印面積，單位m2。

A=（前輪距+后輪距）/2×軸距" " " " " "（2）

根據(jù)公式（1），可以看出白車身輕量化系數(shù)主要體現(xiàn)了車身的質(zhì)量與車身剛度和車身尺寸間的關(guān)系，車身輕量化系數(shù)越小，代表輕量化技術(shù)水平越高。

2019－2023年ECB白車身平均輕量化系數(shù)和最小輕量化系數(shù)如圖1所示，從2019年到2022年輕量化系數(shù)持續(xù)降低，2023年反彈上升。原因是2023年參展的鈴木FRONX和標致3008兩款低成本鋼制車身輕量化系數(shù)很高，拉升了整體水平。雖然有所波折，但是隨著技術(shù)的發(fā)展進步，輕量化系數(shù)必然會不斷下降。

2. 車身輕量化技術(shù)

車身輕量化是目前汽車輕量化路徑方案中最核心、最關(guān)鍵的技術(shù)，包括材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化以及工藝輕量化三大類，目的是通過輕量化設(shè)計使合適的材料、最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸用在汽車結(jié)構(gòu)的合適位置，使每部分材料都能發(fā)揮出最大的承載作用，增加剛度和吸能作用，提高材料利用率、降低整車質(zhì)量、減少材料成本，實現(xiàn)節(jié)能、減排和降耗。

在結(jié)構(gòu)輕量化方面，常用的技術(shù)有結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化以及單目標和多目標優(yōu)化設(shè)計等。在車身材料輕量化方面，主要是通過在車身上應(yīng)用高強度鋼、超高強鋼、鋁合金、鎂合金及纖維增強復合材料等輕質(zhì)材料實現(xiàn)車身的輕量化。

目前，在車身上應(yīng)用低合金高強鋼、烘烤硬化鋼、無間隙原子鋼、雙相鋼等高強度鋼材料已成為各汽車企業(yè)實現(xiàn)車身輕量化普遍做法。隨著鋁合金材料技術(shù)發(fā)展，在車身上應(yīng)用鋁合金材料實現(xiàn)輕量化已成為當下熱點技術(shù)之一。

在車身工藝輕量化方面，主要有熱成形、液壓成形、激光拼焊板（Tailor Welded Blank， TWB）、變厚板（Tailor Rolled Blank，TRB）以及鋁、鎂合金的高真空壓鑄成形等[3]。

ECB車身材料應(yīng)用分析

從材料上劃分，ECB車身可以分為鋼制車身、鋼鋁混合車身、全鋁車身及多種材料復合車身。鋼制車身用材主要為鋼板，分為低碳鋼（DC系列）、低合金高強鋼、先進高強鋼、超高強鋼以及熱成形鋼等。鋼鋁混合車身由鋼制部件加部分鋁合金部件組成。鋁合金主要用在四門和發(fā)動機艙蓋、行李艙蓋或者尾門部位，以及前縱梁和前、后減振塔位置等。全鋁車身指整個車身全部是鋁合金經(jīng)過沖壓、擠壓、鑄造成型后的零部件連接而成的車身，在部分重要部位為了滿足可靠性及耐久性要求，全鋁車身會在A柱、B柱等區(qū)域采用熱成形部件或者強度等級較高的高強鋼。多種材料復合車身是指車身由鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維及工程塑料等多種材料經(jīng)過點焊、鉚接、螺栓聯(lián)接、弧焊及金屬結(jié)構(gòu)膠等方式連接而成[4]。圖2列舉了四種典型的車身形式。

基于鋁合金在車身中的質(zhì)量占比，對應(yīng)用鋁合金的車身做以下定義：

1）鋼制車身，其中鋁合金占比小于20%。

2）鋼鋁混合車身，其中鋁合金占比為20%～60%，輕度鋼鋁混合車身鋁合金占比為20%～40%，重度鋼鋁混合車身鋁合金占比為40%～60%。

3）全鋁車身，其中鋁合金占比大于60%[5]。

通過對2019－2023年ECB的車身類型進行統(tǒng)計分析，各類車身數(shù)量的統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。

由于ECB每年展示的車型數(shù)量不一樣，故用車身所占總體的百分數(shù)比單純的數(shù)量更能說明變化的趨勢，如圖4所示。

從統(tǒng)計結(jié)果可以看出，鋼制車身占比最大，多種材料復合車身次之，鋼鋁混合車身和全鋁車身應(yīng)用最少。從變化趨勢上來看，鋼制車身在2020年達到峰值后逐年下降，多種材料復合車身應(yīng)用較為穩(wěn)定，鋼鋁混合車身逐年上升，全鋁車身的應(yīng)用不斷下降。

輕量化材料應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢

對2019－2023年車身用材總體統(tǒng)計如圖5所示，鋼是最主要的材料，軟鋼、高強鋼和熱成形鋼總共占比83.39%，鋁合金占比14.16%。

每年的用材占比情況如圖6所示，從中可以看到用材波動情況，比如鋁合金在2020年應(yīng)用最少，而鋼卻應(yīng)用最多，二者呈現(xiàn)出此消彼長的關(guān)系。

1.高強鋼應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢

依據(jù)現(xiàn)狀分析，車身輕量化設(shè)計中的主流材料為高強鋼，具有高強度、低成本及豐富的技術(shù)經(jīng)驗等優(yōu)點。根據(jù)ECB對材料的分類，高強鋼可以分為普通高強鋼HSS（包括高強無間隙原子鋼HSIF、烘烤硬化鋼BH、高強度低合金鋼HSLA和碳錳鋼CMn）、先進高強鋼AHSS（第1/2/3代）、奧氏體不銹鋼、超高強鋼UHSS（復相鋼CP和馬氏體鋼MS）和熱成形鋼PHS。

2019－2023年ECB高強鋼占比變化曲線如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)高強鋼的使用較為穩(wěn)定，在50%～70%波動，高強鋼依然是車身最主要的材料，高強鋼的開發(fā)和應(yīng)用是車身輕量化最主要的方向。

熱成形鋼是車身上應(yīng)用強度最高的材料，主要應(yīng)用在碰撞安全件，例如A/B柱加強板、門檻加強板、A柱內(nèi)板、中央通道及座椅橫梁等位置。通過熱沖壓成形獲得的零部件的屈服強度在950MPa以上，抗拉強度一般在1300MPa以上，伸長率在5%以上，微觀組織是全馬氏體。與此同時，抗拉強度達到2000MPa的熱成形鋼的應(yīng)用越來越普遍，極狐、特斯拉、問界及哈弗等車型均已搭載。

圖8是2019－2023年ECB熱成形鋼占比變化曲線，在10%～14%波動，在車身中的占比同樣較為穩(wěn)定，可以預測將來會持續(xù)應(yīng)用。

2. 鋁合金應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢

材料輕量化是三大類輕量化技術(shù)之一，而鋁合金的應(yīng)用是材料輕量化最重要的方面。鋁合金是一種綠色環(huán)保的金屬材料，除了具有可回收性和可循環(huán)利用的優(yōu)點，質(zhì)量輕、性能優(yōu)異和價格合理等讓鋁合金在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛。汽車上的鋁合金零部件包括沖壓件、擠壓型材和鑄造件[6]。

2019－2023的5年ECB中平均單車鋁合金占比變化曲線如圖9所示，總體來說鋁合金用量波動很大，2019年鋁合金應(yīng)用較多，但是2020年急劇下降，2021和2022年恢復增長，2023年又有所降低。

（1）鋁合金沖壓件" 沖壓件常用在汽車車身的外覆蓋件及加強結(jié)構(gòu)，均可由沖壓成形得到，這些沖壓件通過焊接等連接工藝形成車身本體。在汽車制造業(yè)領(lǐng)域，由于鋁的高比強度，它在很多面板、覆蓋件的材料選擇上已逐步取代鋼的位置。用在汽車覆蓋件上的鋁板，需要滿足高的表面質(zhì)量、高成形性能、高強度（烘烤硬化性）及連接性能優(yōu)異等特點。而用在加強板上的鋁板需要具備良好的成形性及一定的強度。

常用的鋁合金板包括不可熱處理的Al-Mg（5000系列）合金和可熱處理的Al-Mg-Si（6000系列）合金。由于化學成分的差異，5000系列鋁板常被用在車身內(nèi)板或加強板中；而6000系列鋁板常用于車身外部面板或較復雜的加強板中，兼具高強度和良好的可成形性。

通過對鋁合金沖壓件零部件使用位置進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用最多的三個位置是前機蓋內(nèi)外板、車門內(nèi)外板和翼子板，對這三個位置的零部件進行以鋁代鋼能收到良好的輕量化效果。

（2）鋁合金擠壓型材" 汽車用鋁擠壓型材件的材料絕大多數(shù)采用6系和7系鋁合金，6系的使用比例達到90%以上。而6系中最常用的合金是6063、6060、6061和6082，用于生產(chǎn)實心、半空心和空心截面形狀的零件。6063和6060應(yīng)用廣泛，它不僅容易擠壓、焊接，并且具有良好的表面質(zhì)量和出色的耐蝕性；6061具有較高的抗拉強度、良好的耐蝕性、焊接性和機加工特性；其他如6005、6008、6106等合金也會根據(jù)需要選用。如果需要滿足高強度的要求，那么7003、7075等7列鋁合金也會被選用。

通過對鋁合金擠壓零部件使用位置進行統(tǒng)計如圖11所示，前防撞梁是使用鋁合金擠壓型材最多的零部件，遠超排名后面的后防撞梁和前縱梁。

（3）鋁合金鑄造件" 鋁鑄件有著質(zhì)量輕、比強度高、比剛度高、加工性好以及吸能性強等諸多優(yōu)勢，為了減輕車輛整備質(zhì)量，被廣泛應(yīng)用在汽車行業(yè)中。鋁鑄件在鑄造時易產(chǎn)生疏松、氣泡和氧化物夾雜等問題，這些限制了鋁鑄件的使用范圍。鋁鑄件在車身受力件、底盤結(jié)構(gòu)件、電池包殼體、動力系統(tǒng)殼體等零件上還是有很好的使用前景，尤其是薄壁型鋁鑄件，可以明顯減輕整車質(zhì)量，而且力學性能優(yōu)秀。

通過對鋁合金鑄造零部件使用位置進行統(tǒng)計，如圖12所示，前減振塔是使用鑄造鋁合金最多的零部件，其次是后減振塔。

3. 復合材料應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢

復合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。各組成材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料進而滿足各種不同的要求[7]。在汽車輕量化中，以纖維增強樹脂基體的復合材料應(yīng)用最多、用量最大，SMC、GMT、LFT及CFRP是車身用主要的復合材料。

復合材料在白車身的應(yīng)用較少，2019－2023年均在4%以下。在ECB展示的車身中，復合材料主要體現(xiàn)在塑料后尾門的使用上。經(jīng)統(tǒng)計，11款多種材料復合車身中，使用塑料后尾門的有7款。

結(jié)語

本文通過對2019－2023年參展的轎車和SUV共33個車身進行統(tǒng)計分析，得出結(jié)論如下：

1）從2019年到2022年輕量化系數(shù)持續(xù)降低，2023年反彈上升。原因是2023年參展的鈴木FRONX和標致3008兩款低成本鋼制車身輕量化系數(shù)很高，拉升了整體系數(shù)。未來隨著技術(shù)的發(fā)展進步，輕量化系數(shù)必然會不斷下降。

2）從車身形式上來看，鋼制車身和多種材料復合車身是占據(jù)絕大部分，鋼鋁混合車身和全鋁車身應(yīng)用較少。隨著對輕量化的要求越來越高，鋼制車身的應(yīng)用緩慢減少，多種材料復合車身和鋼鋁混合車身會越來越多，全鋁車身由于成本太高應(yīng)用會越來越少。

3）通過對車身用材進行統(tǒng)計分析，鋼占比83.39%，鋁合金占比14.16%，是車身最主要的材料，高強鋼包括熱成形鋼和鋁合金的開發(fā)和應(yīng)用是未來車身輕量化的主要方向。具體到零部件，應(yīng)用鋁板最多零部件是前機蓋內(nèi)外板，其次車門內(nèi)外板和翼子板；應(yīng)用鋁合金擠壓型材最多的零部件是前防撞梁，應(yīng)用鋁合金鑄造件最多的零部件是前減振塔，其次是后減振塔；復合材料應(yīng)用較少，主要體現(xiàn)在塑料后尾門的使用上。

參考文獻：

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[6] 肖榮光.基于ECB統(tǒng)計數(shù)據(jù)的車身用鋁現(xiàn)狀分析和發(fā)展趨勢預判[J].裝備維修技術(shù)，2023（1）：66-72.

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