助推续航里程,论结构轻量化向材料轻量化的转变

飞灵汽车

近年来,能源与环境的危机加速了各国政府对汽车行业的产品能耗和排放的严格控制。到2020年,除美国之外的全球主要的汽车生产与消费国家和地区对乘用车燃油油耗的要求都将严格限制在5L/100km以下的水平,而且碳排放也更为严格(国内在2020将采用国Ⅵ的排放标准)。

助推续航里程,论结构轻量化向材料轻量化的转变

这迫使新能源汽车技术和汽车轻量化设计成为了目前改善能耗问题的两大必要途径。关于新能源汽车技术的发展趋势以及目前主流技术解读这两年在飞灵的文章中我都有过详细的解读,这篇文章主要是想聊聊目前的汽车轻量化技术。

轻量化设计实现的路径与发展现状

关于目前实现汽车轻量化设计的路径,主要有两种形式:一种是通过结构的合理、精准化设计,对车体的主要承力部件进行加强、非主要承力部件进行合理的弱化,在性能满足的前提下尽量减小传力通道截面大小,合理、精细化的选用材料板厚等来实现结构轻量化设计。另一种是使用新材料替代普通钢材来实现轻量化设计,比如用铝合金、GFRP(玻璃纤维增强塑料)和CFRP(碳纤维)等密度更小的新材料来代替钢材来实现轻量化设计,比如用强度更高、板厚更薄的热成型材料(热成型材料本质上还是钢材)代替普通高强度钢来减少加强结构零件的数量实现轻量化设计。

在实际的汽车设计中,这两种轻量化途径很多时候都是相互结合使用来最大限度的实现车体的轻量化设计,同时还促进了彼此的发展。比如在车身A柱上边梁、B柱等结构的设计中,目前主流设计都是采用热成型材料来替代普通高强度钢材的设计,热成型材料的使用本身是一种材料轻量化的设计,但是热成型材料的使用又可以让这些车身区域减少加强件结构的设计,不等厚热成型板的使用甚至可以让B柱取消原有的铰链加强板、限位器加强板等结构。而精细化的结构设计又促进了不等厚板材、激光拼焊板材、铝合金等的发展。

某美系SUV车型的不等厚热成型B柱加强板

某美系SUV车型的不等厚热成型B柱加强板

结构轻量化设计由于在车型的功能性不同,且各大OEM对于自身车体性能目标的设定也存在差异性等因素,设计思路上会不太一致,这里就不展开详说。而且结构轻量化所带来的效果并不如材料轻量化那般立竿见影,需要大幅改善动力性能、操控性能、能耗的新车型上,目前主要还是依赖材料轻量化。

由于受到整体工业发展水平、OEM研发实力和生产条件、产品品牌因素等限制,目前主流OEM轻量化设计的现状是结构轻量化各花结各果,材料轻量化却只能是少数一流厂家的“炫技”。这篇文章也主要就是想和大家聊聊主流OEM材料轻量化的现状。

主流轻量化材料

既能保证车体结构的性能,又能大幅度降低车体重量的材料,目前行业内普遍使用的是碳纤维、铝合金、镁合金、工程塑料等密度较小的材料。这些材料在车体结构中的使用,轻量化效果非常明显。以铝合金车身的福特F150为例,车身实现了40%以上的减重,整备质量降低了300kg。车身采用碳纤维和铝合金粘连工艺而成的宝马i3,轻量化效果更为明显,作为纯电动车型整备质量却只有1195kg,相比同尺寸的常规车型来说,都要轻了150Kg左右。

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这里要说说铝合金车身的几个问题。所谓的全铝车身,实际是铝合金车身而并非是纯铝车身。而且目前量产的铝合金车身的车型中,主流还是采用铝合金和钢制的复合结构:上车体的A柱上边梁、B柱加强板、车门防撞梁、机舱前挡板下部加强板或者前纵梁后段等与碰撞安全相关的主要承力结构件依然会采用热成型钢板,比如宝马7系、凯迪拉克CT6等都是钢铝复合车身。目前行业内并没有完全的铝合金车身,即便是号称全铝的特斯拉,铝合金的使用率实际也只是98%,车体中也使用了其他复合材料,比如非天窗版的顶盖板采用的是树脂材料等。

铝合金在汽车中各系统的使用比例可以见下图,主要使用是在车身和底盘系统部件中:

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车用轻量化新材料使用成本高

目前车用轻量化新材料的成本普遍都偏高,目前国内每吨车用冷轧汽车板材的成本在5000~9000之间,而每吨铝合金的材料成本高达4.5万左右,碳纤维的材料成本则更高,每吨约在80万左右,又因为其较高的成型废品率问题,让很多中低端车型在碳纤维的使用上更是望而却步。所以目前采用铝合金、碳纤维等新材料作为车身主结构的车型售价基本都在40万以上,铸铝件则较早就在发动机壳体、悬架摆臂、副车架等底盘和动力系统部件上使用,因所占车型开发成本比例较小,搭载车型级别不一。

F&S统计的新材料数据对比

注:普通强度钢、高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维的密度、抗拉强度、材料国际价格

注:普通强度钢、高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维的密度、抗拉强度、材料国际价格

OEM使用新型轻量化材料还会涉及到传统生产线设备的改造,四大工艺中冲压、焊接、涂装生产线基本都需要面临着工位的大幅改造或者重建,动辄几亿的投入对于目前很多还处在温饱线的自主品牌来说,更是心有余而力不足。其次是铝合金、碳纤维等材料供应链在国内也较为稀缺,铝板的供应商也仅有江苏的诺贝丽斯和天津神户等工厂,并且能供应全系铝板的也仅有诺贝丽斯一家,目前主要给捷豹路虎等高端车型供货,碳纤维的主要供应商为日本的东丽和帝人,占据了全球的大半份额,但是碳纤维的加工工艺技术最先进的是德国。

全球主流OEM轻量化材料的使用现状

对于自主品牌来说,由于受到以上诸多外界条件的限制,所以自主品牌的轻量化设计主要是采用结构轻量化策略,辅以部分热成型板、不等厚板的使用。所以车体的主要构件基本为钢材,在主要的结构件上并未有太多新材料的实用,也仅有在较高端的自主品牌车型的悬架摆臂、车身防撞梁、发动机罩、发动机缸体等部位会采用铝合金,加油口采用工程塑料等,所占比例较低。

其实从上面的分析中我们不难发现,材料轻量化主要是在一些对成本敏感度不高的高端豪华车型和对重量较为敏感纯电动车型中使用较多。而这些车型主要集中在德国、美国、日本这三个国家中,我们来看看这些汽车强国的轻量化材料在整车中的占比。

首先是德国,一方面由于欧洲在能耗和排放的政策上越发严格,另一方面德国是目前豪华品牌车型最多的国家,新材料、新技术对于高端车型也会有着科技豪华感的加持作用,所以德国以ABB为代表的车企对于新材料的使用上显得更为热衷,尤其是奥迪在铝合金车身、宝马在碳纤维车身方面都处于行业领先地位。

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2015年德国新生产汽车铝合金和其他新材料在车身和底盘中的占比高达25%,是目前全球汽车轻量化材料使用比例最高的国家,到2020年新材料的使用趋势会继续上涨,将达到34%左右。

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其次是美国,美国虽然高端豪华品牌车型也较多,但是美国汽车行业对于新型轻量化材料的热衷主要来源于新能源汽车的发展以及排放和能耗的压力,代表企业是特斯拉、GM、福特等。特斯拉目前的Model S和Model X在车身和底盘上基本都采用了铝合金和其他复合材料,而GM的高端品牌凯迪拉克在近两年的新车型中也开始采用钢铝复合车身结构,比如凯迪拉克CT6,福特则是将铝合金车身首先搭载在F150这类高端皮卡车型上。

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受到环境和能源危机的影响,美国政府出台了诸多鼓励新能源汽车发展的优惠政策,企业也表现出了较高的积极性,这使得美国逐渐处于全球新能源汽车研发和生产的领先地位。随着这个趋势的进一步发展,到2020年受到排放的严格限制,新能源汽车的产销比例会进一步提升,而新型轻量化材料的占比也会进一步提升,而这个比例可能会从目前的15%提升到20%左右。

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日本汽车企业一直都是结构轻量化的高手,而且在能耗的管理上他们一直都属于很出色的选手,所以汽车企业并没有太明显的材料轻量化动力。在新能源汽车的研发上,日本也主要是以混合动力和氢燃料电池动力为主,即便是纯电动车型也是以k-car车型为主,对轻量化要求并没有纯电动汽车那么迫切,所以目前日本汽车企业里轻量化材料的使用比例并不高,只有10%左右。

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目前日本汽车企业的的轻量化材料的使用也主要是集中在一些非结构件上,比如铝合金的发动机罩、塑料的翼子板和尾门等,还有就是底盘和发动机的一些铸铝件。其中代表企业是丰田的雷克萨斯和本田阿库拉。本田已经在阿库拉NSX车体上使用了部门铝合金车身的设计,丰田已经在目前量产的NX系列车型的发动机罩使用了铝合金,尾门使用了工程塑料等,而且计划在2018年凯美瑞的换代中采用铝合金车身的设计。

随着2020年全球的能耗和排放政策的越发严格,日本企业也开始加大了材料轻量化方面的研发投入,预计到2020年,日本汽车企业轻量化材料在底盘和车身中的占比会赶上美国,达到20%左右。

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综 述

从以上的分析来看,轻量化材料的使用占比可以从侧面说明该地区汽车企业在汽车材料轻量化方面所处的行业水平,也能反映出该地区新能源汽车发展的水平。而且从目前的趋势来看,随着材料成本的进一步降低,铝合金车体的开发在未来数年内或许会迎来一个爆发期,到2025年,铝合金的生产规模可能会达到目前的四倍以上。

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目前自主品牌在纯电动汽车的续航里程方面一直没有太亮眼的成绩,很大一部分原因就是受限于汽车强量化材料应用方面的发展,轻量化设计是新能源汽车发展的必要途径,随着2020和2025年的汽车能耗大限将至,企业和政府都必须加大在汽车轻量化材料方面的研发投入。

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