汽车轻量化材料、工艺、成本、水平、技术路线汇总

乘用车白车身包括下部车身、上部车身骨架、车门、发动机罩盖、行李箱盖、翼子板等部件，是发动机、变速器、传动系统、制动系统、悬架系统、排气系统、电气系统及内饰件的安装基础，并通过其相应的结构设计满足成员的安全性要求。车身轻量化的目的在于保证车身结构抗撞性、刚度、强度以及NVH性能前提下，减轻身上骨架质量，同时不提高汽车车身制造成本来增强整车产品的市场竞争力。

轻质材料

车身上应用的不断扩大的高强、轻质材料主要为高强度钢与超高强度钢、铝合金、镁合金工程塑料以及符合材料等。

高强度钢
高强度钢主要应用于前防撞梁，A、B、C柱加强件，门槛梁，车门防撞梁和车顶横梁等关键部位，并且因公比例逐渐扩大。欧美部分车身车身高强度钢应用比例已超过60%，如奥迪A3、宝马3系、凯迪拉克ATS、福特蒙迪欧等；日系车型高强度钢占比也超过50%，如英菲尼迪Q50、本田思域等；

铝合金
铝合金已由发动机罩向翼子板、行李厢盖及车门上逐渐延伸，部分高端车已实现全部铝合金车身；

镁合金
镁合金已经从方向盘骨架、座椅骨架向转向支撑、传动系壳体零件上发展；

纤维增强复合材料
纤维增强复合材料已开始应用于前段模块、后尾门、进气歧管等零部件；碳纤维复合材料已由跑车、豪华车向中高端车和电动车应用扩展。如图某轿车带四门两盖的车身结构。



结构优化设计
在结构优化设计方面，车型开发前期，对车身结构做出更合理的设计规划更为重要。目前多材料车身结构轻量化设计正在向着搭建参数化设计平台（如图），应用拓扑优化、尺寸优化、形貌优化、多目标优化以及结构-材料-性能一体化优化设计方向发展。



一、材料应用
1、高强度钢
高强度钢主要应用在车上内外板以及车上结构件，同时高强度钢可以有效提升车身被动安全性。先进刚度刚在汽车超轻钢车身、先进概念车上应用，在减重、节能、提高安全性、降低排放发面应用前景良好。虽然在成型中面临回弹等问题挑战，但相比于其他替代材料，高强度钢还是性价比最好、最具吸引力的材料。

2、铝合金
铝合金的应用始于20世纪90年代，以奥迪汽车推推出的全铝空间框架车身为代表。提出了奥迪全铝车身框架概念（ASF），推出相应车身Audi100、第一代Audi A8、A2.除奥迪其他公司也推出了全铝车身，如捷豹XJ、新路虎揽胜、奔驰S级车等如图所示。

变形铝合金在车身零件级结构件的应用方面发展比较快，如应用日益广发的铝合金行李箱盖、发动机舱罩盖、后背门、保险杠横梁等，随着凝固铝合金、粉末冶金铝合金、超塑性铝合金、铝基复合材料和泡沫铝材等新材料的开发应用，未来铝合金在汽车应用范围将进一步扩大，并将呈现铸件、型材、板材并举的局面，预计未来铝将成为仅次于钢的第二大汽车用材料。







奥迪A8全铝车身

3、镁合金
目前镁合金在车身上主要集中在方向盘骨架。仪表盘骨架、座椅骨架等零部件上，在白车身结构件上还没有量产应用。目前仅有克莱斯勒某车型上做过尝试，如图。由于镁合金耐腐性和成型方面限制，目前尚未得到广泛应用。

4、复合材料
汽车工业复合材料技术首先应用于保险杠，而后用与生产变截面弹簧钢板以代替钢板，之后又用与生产四门两盖。复合材料大规模应用是在20世纪80年代中期以后。1990年福特、克莱斯勒相继开发出复合材料。

复合材料具有许多金属材料无法比拟的优点：密度低、比强高、比模高；材料性能具有可设计性；制品结构设计自由度大，易实现集成化、模块化设计；抗腐蚀性好、耐久性能好，隔声降噪；可采用多种成型工艺，模具成本低；A级表面，可免喷涂等工序；投资少，生产周期短。目前，汽车轻量化发展需求迫切，从成本性能发展综合考虑，可用于车身结构件的复合材料以树脂基碳纤维增强复合材料为首选。可以应用于发动机舱罩盖、翼子板、车顶、行李箱、门板、底盘灯结构件中。

随着车用复合材料技术的发展，现已广发的应用在跑车、豪华车上，于铝合金构件比，复合材料可以减重50%左右，目前车上碳纤维已从单向丝、双向编制物，发展到多轴中空的碳纤维预制体，可获得多种形状结构的汽车部件，如图宝马I3电动汽车复合材料应用。





二、制造工艺
1、热成形
精度高、成形性能好，广泛应用于生产高强度汽车保险杠，车门防撞杆，A、B、C柱加强件，车顶框架，中通道等安全件和结构件。目前该技术在国外发展很快，美国通用、福特德国大众等在用该项技术制造高强度冲压件。中国一汽红旗H7车身下部也规模化使用热成形技术，如图：



2、激光拼焊
1985年奥迪成功采用全球第一块激光拼焊板。20世纪90年代，欧美、日本各大汽车企业开始大规模使用激光拼焊技术。近年来该项技术在全球新型钢制车身设计和制造商应用广泛。如图中国一汽H7车身使用激光焊接的典型结构件。



利用激光焊接技术可以减少汽车零部件数量、减轻车身重量、提高原材料利用率、提高结构功能、增加产品设计灵活性。
3、差厚板
差厚板是在激光焊接之后，为解决激光拼焊板存在的问题而出现的，生产过程如图



差厚板可以代替激光拼焊板，从而更好的实现轻量化。但不完全代替激光拼焊板，因为激光拼焊除了焊接不同厚度板料还可以焊接不同材料、强度的板焊接在一起，差厚板不能实现这一功能。

三、成本估计
高强度钢与其他轻质材料比，价格低、经济性好，广泛的应用可提高车是安全性。高强度钢可以减薄材料，所以与普通钢板相比可以做大成本不大幅增加，约为普通钢板的1.5倍。

铝合金密度2.68g/cm³，仅为钢板的1/3。考虑到使用铝材需要增加厚度及截面，可以减重30%~50%,与钢板相比，一般铝板件成本将增加2-5倍。

碳纤维复合材料密度1.5 g/cm³，不及钢的1/5。碳纤维复合材料应用到车门、发动机舱罩盖、行李箱盖能够减重50%以上，其材料成本相对钢板增加5倍以上。

四、轻量化水平
国内汽车轻量化产业未形成规模，产业链不够完整，与国外差距较大。国际主流车型高强度钢车身占比60%以上，强度级别780MPa、980MPa的钢在车身构件上已相当普遍。高强度钢可以在不降低安全性与舒适性前提下，零件减重20~30%。

国外或者国内合资高端车型部分零部件应用轻质材料，工程塑料零部件相对钢制部件可以减重30%~35%，铝合金零部件相对钢制零部件也减重30%~50%，镁合金零部件相对钢制零部件可以减重40%~55%，碳纤维复合材料零部件相对钢制零部件可减重40%~60%。

五、车身轻量化技术路径
国外车身轻量化路径如下图所示：



借鉴国外技术可以探索我国车身轻量化技术发展路线
1、 短期
目标：加大刚强度钢和超高强度钢应用比例，合理减薄钢板厚度，广泛应用先进成形技术和链接技术，达到预计的轻量化目标。

途径：采用高强度钢、超高强度钢、工程塑料，适量应用镁铝合金及复合材料，进行车身结构参数优化设计，欧皇钢板厚度断面形状、尺寸，广泛应用激光焊接、热成形工艺及先进连接技术。
2、 中期
目标：掌握铝镁合金、复合材料特性及连接技术，结构-材料-性能一体化轻量化多目标协同优化设计方法，所需与国外技术水平差距。

路径：扩大铝镁合金、复合材料在车身上的应用比例、零部件数量，根据材料性能优化设计铝镁合金与纤维增强复合材料零部件结构，充分发挥材料本身性能优势。
3、 长期
目标：逐渐掌握碳纤维复合材料特性、零部件设计方法、高效制造工艺、性能控制方法和连接技术，逐渐赶超汽车工业发达国家汽车轻量化技术水平。

途径：熟练应用钢铝混合车身设计、制造与连接技术，逐渐掌握碳纤维复合材料零部件结构设计。高效制造、性能调控和连接技术，扩大碳纤维复合材料在汽车上的应用比例。

以下是我国汽车关键零部件制造技术路线图：









汽车工艺师整理、资料来源：快资讯、东风邹恒琪在第六届中国汽车先进技术与制造高峰论坛上的演讲