一、輕量化起源和背景

這是世界上第一則汽車廣告，廣告詞說該車保養(yǎng)容易，開1英里只需要0.5美分，又輕又結(jié)實。今天我們做車也一樣，首先要便宜，這樣才會有人買單，第二，整備質(zhì)量輕，第三，加速性能好。為了降低油耗或者電能消耗, 不論是傳統(tǒng)燃油車還是新能源汽車, 整車的輕量化設(shè)計目前是一個勢在必行的趨勢。

當(dāng)前汽車市場銷量下滑、競爭激烈，在增加整車成本的基礎(chǔ)上輕量化已經(jīng)不是多數(shù)車企的可選科目了，尤其是新能源汽車，雖然電動機(jī)代替了內(nèi)燃機(jī)、減速器代替了變速箱，重量有所下降，但是也增加了電池包以及高壓線束、逆變器、功率分配器、車載充電器等較重的子系統(tǒng)，導(dǎo)致新能源汽車的輕量化壓力劇增！

各個國家、地方政府、州政府、交通部都有一系列關(guān)于排放量的法規(guī)。根據(jù)北美法規(guī)要求的減重目標(biāo)規(guī)劃，從2015年到2019年，某車型整備重量要從1853公斤降到1664公斤，整整減少200公斤。隨著燃油消耗量限制法規(guī)、汽車排放法規(guī)的要求日益提高，汽車輕量化技術(shù)是未來汽車設(shè)計的核心技術(shù)。

其實這些年我們可以看到，車的重量是略微上升的，因為我們對配置和安全性能的要求提高了。2018年新的碰撞法規(guī)提出了更高的要求，在滿足功能的前提下，還要減重。

鋁板有一個最大的特點，鋁的疲勞壽命是特別差的。對客戶來說，車要天天開，疲勞標(biāo)準(zhǔn)是要優(yōu)于安全標(biāo)準(zhǔn)的。但是對于主機(jī)廠來說安全性能是要大于疲勞標(biāo)準(zhǔn)的。奧迪A8最新的車型，從原來98%的鋁合金，降低到現(xiàn)在58%的鋁合金，剩下全都是用鋼。僅僅是因為鋁合金貴嗎？其實很大一部分原因，不是材料的問題，而是工程制造的問題。

現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)主流的車身技術(shù)路線有這么幾種：

第一，傳統(tǒng)全鋼車身，仍舊是目前采用最廣泛的技術(shù)。

第二，鋁合金車身，比如蔚來ES8。

第三，鋼鋁混合車身，就是現(xiàn)在很多新車說的“下鋼上鋁”。

第四，碳纖維車身，如寶馬i3。

每一種車身都有優(yōu)點也有缺點。輕量化的目的，是在不影響功能性、安全性、耐久性的情況下，盡可能做得越輕越好。隨著我們國家的發(fā)展，未來對車的加速性要求會越來越大。

輕量化設(shè)計的核心

第一，結(jié)構(gòu)變化。打個比方，可口可樂的瓶子，軟的跟紙似的，但是它做到了極致，放桌上很穩(wěn)，擰蓋子的時候能打開，因為在頭部和尾部加了很多筋，這個就是結(jié)構(gòu)設(shè)計。

第二，連接技術(shù)。很多人說，鋁合金很簡單，我也會做，但是鋁合金工程化很差，只要不是自動化線，因為工人不同的操作，導(dǎo)致一致性很差。

第三，CAE仿真技術(shù)。金屬是規(guī)律排布，我們可以預(yù)測它的破壞、失效模式。但復(fù)合材料比較復(fù)雜，汽車行業(yè)對復(fù)合材料的掌握還沒有金屬材料那么成熟，CAE的仿真計算發(fā)展得非?？?。

第四，材料發(fā)展。我們的材料發(fā)生了翻天覆地的變化，10到15年間有了很大的發(fā)展。

輕量化的目的就是性能要最大化，重量越小越好，成本越便宜越好，這個時候客戶的價值才能最大化。輕量化的途徑一定是更好的材料、更好的結(jié)構(gòu)、更好的工藝。

材料、結(jié)構(gòu)、工藝互相聯(lián)系。我們國家的高鐵是擠壓型材，而且是非常大的擠壓型材，用的什么工藝呢？每節(jié)車廂其實是一個件，地板從頭到尾是一塊料，窗戶也是同一塊，稍微折一下把車送過去，中間地板一焊，所以材料出來了，選擇結(jié)構(gòu)和工藝，都是相輔相成的過程。

每家公司都有自己的戰(zhàn)略目標(biāo)和總體定位，比方說比亞迪就認(rèn)為它做輕量化主要的目標(biāo)是鋼、鋁，還有一點點鎂、塑料，碳纖維不是他考慮的重點。又比如寶馬，他們都做了很多投入，未來他會用大量的，他可能會用到碳纖維、鎂合金、鋁合金，同時會把鋼的比重降低。再來看特斯拉，特斯拉用鋼量非常少，未來他會把碳纖維和鎂合金大大增加。

從整個做車來說，我們知道第一是安全。但安全性是會增重的，比方說改變耐久性，滿足美標(biāo)的NVH碰撞法規(guī)，滿足C-NCAP碰撞法規(guī)，還有NVH模態(tài)、剛度、風(fēng)阻各方面，都會增加重量。再就是功能，比方說全方位360度骨架、自巡航，都會增加重量。因此我們要把它減掉，第一個方式就是材料，材料完了以后才是結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化是什么呢？比如傳遞路徑、截面。安全性、NVH、功能這三個方面的增重，我們目前希望通過材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝制造降下來。

1.  輕量化在整車開發(fā)中的三個階段

輕量化在不同的開發(fā)階段有不同的開發(fā)手段，根據(jù)整車開發(fā)的特點，主要有如下三個階段：

概念設(shè)計階段。要把市場語言轉(zhuǎn)化為工廠語言。概念階段會把技術(shù)路線確定了，因此這個階段決定了項目難易程度和成功概率。

方案設(shè)計階段。一旦定了技術(shù)路線就進(jìn)入方案設(shè)計了，需要測算技術(shù)路線的可實施性。通過方案設(shè)計可以預(yù)計銷量的多少，銷量少的話這個時候就要找替代路線，重新制定切實的方案。

詳細(xì)設(shè)計階段。不僅需要考慮材料斷面的形狀，而且壁厚的類型是什么等等一系列的細(xì)節(jié)，對我們來說都需要經(jīng)過緊密詳細(xì)的設(shè)計。

2.  輕量化設(shè)計手段

材料：概念設(shè)計結(jié)束后我們就開始選擇材料，材料選擇涉及到車身、內(nèi)飾、外飾、底盤、三電等。

結(jié)構(gòu)：

1）車身骨架輕量化

車身骨架最好是一個閉合的截面，形成封閉式，也就是所謂的“環(huán)狀”路徑。車的結(jié)構(gòu)分為兩大類：承載式車身和非承載式車身。承載式車身就是每個件承擔(dān)一定的載荷，非承載式車身主要靠車架承擔(dān)。

2）車身斷面輕量化

第一，優(yōu)化零件斷面結(jié)構(gòu)，增加斷面剛度與強(qiáng)度。不同的鋁合金，自然失效、人工失效，得到的效果和性能是不一樣的。

第二，改變零件承力力矩，縮小關(guān)鍵部位變形。

第三，增加吸能結(jié)構(gòu)，改變材料強(qiáng)度搭配，是潰縮區(qū)域遠(yuǎn)離乘員，保護(hù)乘員安全。

3）零件搭接結(jié)構(gòu)優(yōu)化

零件的連接越來越重要，越是新的材料，對于連接的要求越高。所以零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，

第一，增加傳力結(jié)構(gòu)搭接面接觸面積，減小應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

第二，縮小搭接邊，配合先進(jìn)連接工藝，實現(xiàn)減重。

工藝制造：先進(jìn)的材料、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)需要相應(yīng)的制造工藝。比如現(xiàn)在新能源車有很多鋁合金型材的，前機(jī)艙沒有電機(jī)了，電池跑到后面去，電機(jī)里有一樣?xùn)|西是要存在的，加制動液的時候需要人機(jī)這一塊，包括擠壓、輾壓、鑄造、冷沖壓、液壓、熱成型等工藝，還有一些改善性能的工藝設(shè)計，比如輥壓實際上是一個提升性能的工藝，輥壓充分利用加工硬化材料的原理，用工藝來改變它。

3.  輕量化優(yōu)化手段

材料優(yōu)化：從材料角度上來說有幾個，材料模型、彈性。我們的工程師、產(chǎn)品設(shè)計工程師都需要熟悉。如果要做拉桿，要算剛度、強(qiáng)度。怎么做這些事，用哪些指標(biāo)評價，怎么來選擇材料，從這個角度上需要了解基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)。沖擊載荷這些的計算很簡單，把基本的材料參數(shù)輸進(jìn)去，計算出來，做一個對比，就可以知道哪種材料是最優(yōu)化的，再把工程制造性加進(jìn)去，選材就完成了。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化：結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計方法包括：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化，拓補(bǔ)優(yōu)化、形貌優(yōu)化。鋁合金型材的優(yōu)點在哪兒呢？它可以把結(jié)構(gòu)做的非常復(fù)雜，而做這個很重要一點，接頭。我們車也一樣，一定會滿足幾個性能，我們通常講的，彎曲剛度，車過坑的時候會扭轉(zhuǎn)，所以它的彎曲剛度，剛度是抵抗變形的能力，所有這些東西取決于我們的接頭，接頭很重要。

工藝優(yōu)化：熱成型工藝原理非常簡單，就是把鋼板加熱到一定溫度，快速的脹火即快速冷卻，快速冷卻以后就會形成了非常細(xì)小的片狀馬氏體，然后再處理出來，還有高壓鑄造。

接頭優(yōu)化：所有的機(jī)械式的連接有一個優(yōu)點，并不是它的強(qiáng)度有多么高，而是它的一致性比較好。

現(xiàn)今最熱門的新能源汽車的輕量化勢在必行，怎樣做到減輕重量的同時，又降低成本。新能源汽車如果要增加10%的續(xù)航里程，就有幾種辦法。第一，放更多的電池，所以比亞迪的車離地間隙都非常低，因為他要保證全系車型續(xù)航里程500公里以上，怎么辦呢？只能增加電池，一個不行放兩個，兩個不行放三個。但是增加電池就意味著成本增加。第二，減重。第三，改變風(fēng)阻系數(shù)。第四，改變滾阻，這個代價是非常高的，意味著所有的連接件都要改變。

對于水氫機(jī)來說，可以輕松實現(xiàn)減重，而且是在不降低續(xù)航里程的基礎(chǔ)上。那么它是如何做到的呢？

水氫機(jī)是采用汽化催化重整及純化多項技術(shù)從醇水中獲得高純氫，通過質(zhì)子膜系統(tǒng)產(chǎn)生電、熱等多種能源的裝置。

化學(xué)公式如下，制氫：CH3OH + H2O → CO2 + 3H2 發(fā)電：2H2 + O2 → 2H2O + 電

水氫機(jī)的原料甲醇的優(yōu)勢非常明顯，常溫常壓下是液體，能量密度高。若基于水氫機(jī)357轉(zhuǎn)換效率(3公斤甲醇制備5立方米氫氣發(fā)7度電），那么，一公斤甲醇相當(dāng)于15.5公斤鋰電池的能量密度（鋰電池200W/kg），如水氫機(jī)的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到369(3公斤甲醇制備6立方米氫氣發(fā)9度電），那么一公斤甲醇相當(dāng)于20公斤鋰電池的能量密度。因此，水氫機(jī)對于整車的輕量化具有重大意義。

文章來源：未來出行學(xué)院 未來出行學(xué)院  作者 熊飛

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