避“重”就“轻”

2017-01-27宋菲

产品可靠性报告 2017年5期

关键词：轻量化碳纤维车身

文/宋菲

避“重”就“轻”

文/宋菲

在此次新能源发展浪潮中，与新能源动力技术提到同样高度的，便是整车轻量化。在这方面，获取国家新能源生产资质，必须在轻量化上拿出实际的效果。比如，奇瑞eQ1就通过铝车身将整车减重30%以上

汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少能量消耗。

作为汽车产业的重要发展方向之一，无论在传统汽车还是新能源汽车领域，国内外各大汽车企业从未停止过对轻量化技术的开发和应用，很多车企也在汽车轻量化方面做出过里程碑式的贡献。

日前，奇瑞eQ1的上市再次引发了业内对轻量化技术，尤其是电动汽车轻量化技术的高度关注，因为eQ1为中国首款铝制车身的新能源车型，通过超级轻量化技术平台打造的“全铝空间架构+全复合材料外覆盖件”，使整车重量比传统车减少了30%到40%。

减重有助于燃油经济性

近年来，“减重”在汽车圈子里也蔚然成风。在近年新车上市的宣传中，我们经常会听到这样的描述，“新一代车型采用车身轻量化结构，相比上一代车型减重XX公斤。”

世界铝业协会的报告也指出，现代汽车自身质量同过去相比减轻了20%～26%。预计在未来的10年内，轿车自身质量还将继续减轻20%。而且据了解，到2025年，采用全铝车身的车型占比达到30%，全球车身用铝总量将达到870万吨，车身用铝行业将出现爆发式增长。

发展汽车轻量化的理由其实很好理解。同等动力配置下的汽车，汽车整备质量越轻，动力性越好，油耗会越低，排放污染也就越少。而节能减排应该是大力推广汽车轻量化的最主要原因之一。

实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3～0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。

减重有助于燃油经济性，或许成为多数车企着手汽车轻量化技术研究的最大动力之一。毕竟2020年越来越接近，5.0L/100km的油耗目标就摆在那里，实现这个目标对于每个车企都是不小的挑战。而一旦不能完成指标，企业经营将遭受冲击。

近日，2016年度乘用车企业平均燃料消耗量公布，虽然整体6.56L/100km的水平达到了2016年6.7L/100km的目标，但是在总共95家国产车企和27家进口车企中，超标车企达到了43家，占比为35.2%。而轻量技术或许能成为助力车企实现愈加严苛的油耗目标的一条途径。

新能源车轻量化更为重要

与传统燃油车相比，电动汽车的轻量化其实更为重要。主要原因在于，电池能量密度的提高十分困难，需要大量资源的投入，且很难达到汽油和氢燃料的能量密度水平，这就要求减轻电动汽车重量，以增加续航能力，提升能量利用率，轻量化由此成为电动汽车发展的必由之路。

BMW i3作为第一款进入量产的碳纤维车身设计的车辆，成为碳纤维应用于汽车的里程碑项目，也在电动车轻量化技术方面具有里程碑式的意义。

近日，中国首款铝制车身的新能源车型奇瑞eQ1上市，带来了全新的汽车轻量化生产思路及理念，再一次引发了业内对电动汽车轻量化技术的高度关注。由于通过超级轻量化技术平台打造的“全铝空间架构+全复合材料外覆盖件”，使整车重量比传统车减少了30%到40%，在当前碳纤维复合材料成本居高不下的情况下，给我国电动汽车轻量化的发展开辟了新的途径。

当然，除应用碳纤维、铝这些轻量化材料之外，给电池减重，也是车企突破电动车轻量化技术的一个着眼点。

去年年底，沃尔沃就已经宣布在汽车电池轻量化上取得突破。据了解，这种创新的轻质电池结构，由一种新型纳米材料组成的，它包括由碳纤维、聚合树脂组成的纳米结构，以及植入其间的超级电容器。沃尔沃还表示，这种新电池材料成本更低，也更加环保。如果将目前的电动车电池全部更换成这种新型材料，可以减低车重超过15%，效果是显而易见的。

汽车轻量化的概念也已经蔓延到氢燃料电池车上。以本田新FCV为例，大量采用轻量材料，重量比雅阁轻了15%。

具体而言，车身的约55%(重量比)使用了高张力钢板和铝合金等轻量材料，与尺寸相近的中型轿车“雅阁”相比，车身重量减轻约15%。雅阁的轻量材料使用比例为29%。轻量材料的具体使用比例方面，1.5GPa级高张力钢板(热压材料)约为10%、980MPa级高张力钢板(冷压材料)约为20%、780MPa级高张力钢板(冷压材料)约为5%、铝合金约为15%、包含GFRP(玻璃纤维强化树脂)在内的树脂材料约为5%。其中，1.5GPa级高张力钢板用于中柱、前柱、车顶纵梁和门槛梁等。980MPa级高张力钢板的使用部位为车顶侧梁、地板侧梁、前部侧车架等。单从车身骨架来看，980MPa级以上高张力钢板的使用比例约为40%铝合金方面，主要在外板使用了6000系合金。具体使用部位为前发动机罩、翼子板、车门和行李舱盖等。另外，前保险杠防撞梁和车门防撞梁使用了强度比6000系合金高的7000系合金。另外，层叠了连续玻璃纤维和不连续玻璃纤维的混合成型GFRP被用于后保险杠防撞梁。前隔板采用树脂与铝合金的混合结构。隔板本身采用树脂制造，连接钢板车身和隔板的部分为铝合金。

材料轻薄并非安全性降低

轻量化材料的应用对汽车“减重”起到至关重要的作用，铝、镁、钛合金材料是所有现用金属材料中密度较低的轻金属材料(镁合金约1.74g/cm3, 铝合金约2.7g/cm3，钛合金约4.51g/cm3。而钢的密度约7.8g/cm3)，因而成为汽车减轻自重，提高节能性和环保性的首选材料。在非金属材料中，碳纤维材料由于密度低、强度高、耐腐蚀、耐高温等特性被寄予厚望，是未来汽车材料的主要发展方向。

不过，普通消费者对于汽车轻量化安全的判断，其实很大程度上基于他们对于汽车安全性的感性认识。这种观念是，汽车是一个金属外壳，人是壳中之躯，车将人包裹起来，壳越重越坚固，安全性就越高。这也就不难理解为什么很多国内消费者选车时喜欢重重关一下门，若听到沉闷的“砰”的一声，便很满意；或是用手敲敲车身，听上去钢板越厚实越好。因此，更加轻薄的轻量化材料应用于车身，会普遍令消费者缺乏安全感。

然而事实上，轻薄的轻量化材料应用于车辆，并不能说降低了安全性。

首先，我们并不能通过敲车门听声音来判断一辆车的安全性。据记者了解，车身部件按照功能可以大致分为两种：车身覆盖件和结构件。所谓覆盖件就是覆盖在车身表面的部件，基本上从车外看到的部分都属于覆盖件，如车门、车顶、翼子板等等，通常起到美观和遮风挡雨的作用，一般都用厚度不超过1毫米的钢板冲压而成。平时所说的某辆车钢板的薄厚就是指这些部位。实际上这些部位对于车身强度的影响很有限，所以不能从车身覆盖件的薄厚来判断一辆车的碰撞安全性了。车身结构件隐藏在车身覆盖件之下，对车身起到支撑和抗冲击的作用，分布在车身各处的钢梁是车身结构件的一种。

另外，正如国家汽车轻量化技术创新战略联盟副秘书长王智文曾表示的，“即使汽车上使用很轻的材料，如果采用高强度加工工艺，也能达到很轻但弹性非常好的效果，满足安全性。”

轻量化材料要“软硬兼施”

然而，也不能在车身的每一寸都追求高强度，“鸡蛋试验”更能说明这个道理。实验将一只鸡蛋固定在一个车头为金属的小车上，以一定速度撞向另一块固定的木桩。木头车直接碰到木桩后停住，车没有任何损坏，但车上的鸡蛋却破碎了。第二次试验，鸡蛋固定方式和撞向木桩的速度都不变，但在在车头把金属换成了同样大小的海绵，结果碰撞时海绵被压瘪，鸡蛋却相安无事。该实验可以说明，柔软的海绵重量较轻、刚性不高，但发生撞击时恰恰能起到吸收能量的效果。

目前比较流行的轻量化材料有多种，它们各有各的特点，有些强度很高，有些兼顾柔美。比如高强度钢，作为传统材料在汽车轻量化的使用中是主力。理论上相对于传统340Mpa的材料，600Mpa级钢种的减重潜能约为20%，800Mpa级钢种的减重潜能可达到30%以上，高强度与安全性受到广泛关注。而工程塑料这种轻量化材料，在拥有类似的金属硬度、强度的基础上，就兼有柔美之性能，弹性变形的特性能吸收大量碰撞能量。

而在应用这些轻量化材料时，为了确保汽车轻量化以后的安全性，需要“软硬兼施”，综合利用。也就是说，在需要吸能的地方要做得“软”一些，在一些需要加强的位置要做得“硬”一些，总之，最好的材料要用在最合适的地方。