汽车轻量化专题分析报告.docx

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汽车轻量化专题分析报告

汽车轻量化专题分析报告

目录

一、会议简介1

（一）轻量化车身会议1

（二）中国汽车轻量化技术国际研讨会1

二、汽车轻量化概念1

（一）汽车轻量化的重要性1

（二）汽车轻量化的相关政策4

三、汽车轻量化的原则5

（一）保证足够的刚度5

（二）保证足够的强度5

（三）保持良好的疲劳耐久性能6

四、汽车轻量化的关键技术领域6

（一）轻量化设计技术6

（二）轻量化材料技术7

1.高强度钢7

2.铝合金8

3.非金属材料12

（三）轻量化制造技术13

（四）轻量化的发展趋势13

（五）轻量化的评价指标14

五、典型案例14

（一）东风风神E30纯电动汽车14

（二）诺贝丽斯全铝车身14

（三）长城华冠前途K5纯电动跑车的轻量化应用15

一、会议简介

会议包括两项，中国轻量化车身会议和中国汽车轻量化技术国际研讨会。

（一）轻量化车身会议

在轻量化车身会议中，有东风风神E30、吉利博瑞、广汽传祺GA6、奇瑞M16、上汽名爵锐腾、江淮瑞风A60、长安悦翔V7七款自主品牌车型参会，每家企业选派2-3名工程师，分别从设计、材料、工艺的角度介绍其车型的轻量化设计思想和设计理念。

（二）中国汽车轻量化技术国际研讨会

会议采用讲座形式，主要是汽车轻量化相关的技术讲解。

涉及到汽车用高强度钢、汽车非金属材料、汽车非金属材料、汽车连接技术、汽车有色金属。

二、汽车轻量化概念

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，减少燃料消耗，降低排气污染。

由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。

（一）汽车轻量化的重要性

1.汽车轻量化是实现汽车产品节能减排的有效措施

面对日益严峻的油耗法规，世界各国汽车企业都在采取积极的措施以推动汽车产品的节能减排，对燃油汽车来说，轻量化是一种有效的手段；对新能源汽车来说，轻量化可以有效增加新能源汽车续驶里程。

截止目前，已有多个机构或公司（如国际铝协、国际清洁交通委员会、大众汽车等）分析了汽车轻量化的节能效果；

菲亚特公司在2011年的车身工程战略研讨会上发布了其分析结果，如下图所示。

结果显示，车辆（乘用车）减重10%，可降低油耗3.5-6%，在燃油汽车的4种节能手段中排第2位。

2.汽车轻量化能够提高自主品牌汽车的开发能力和产品竞争力

汽车轻量化是一项复杂的系统工程，它是在成本控制与性能改进条件下，通过轻量化结构设计与轻量化材料和制造技术在整车产品上的集成应用而实现的产品减重。

推动汽车轻量化的进步，能够快速提高自主品牌汽车的开发能力。

3.轻量化是节能与新能源汽车共有的关键核心技术

由于新能源汽车的电池质量较大，一般新能源汽车质量比传统汽车要大。

相对于国外同类产品，我国电动乘用车普遍重15%-30%，我国电动商用车普遍重10%-15%。

企业在申请新能源汽车生产资质的时候，汽车轻量化技术是一个非常关键核心的考核项目，不具备较好轻量化水平的电动汽车是无法取得市场竞争优势的。

4.汽车轻量化能够促进汽车工业和相关工业的转型升级

对于汽车工业来说，车身、底盘等的轻量化可以有效平衡新能源汽车电池、电机带来的增重，从而能够促进新能源汽车的产业化。

德国国家电动汽车发展计划（灯塔计划）、美国电动汽车普及计划（EVEverywhereGrandChallenge）均将轻量化列为重要的内容。

对于相关工业来说，汽车轻量化因为涉及汽车、冶金、化工、材料、机械和装备等多个行业，需要多学科的支持，其发展必将对相关工业提出新的要求，能够有效促进相关工业的转型升级。

（二）汽车轻量化的相关政策

1.轻量化被列为节能与新能源汽车发展目标的核心技术

《中国制造2025》提出“节能与新能源汽车”作为重点发展领域，明确了“继续支持电动汽车、燃料电池汽车发展，掌握汽车低碳化、信息化、智能化核心技术，提升动力电池、驱动电机、高效内燃机、先进变速器、轻量化材料、智能控制等核心技术的工程化和产业化能力，形成从关键零部件到整车的完整工业体系和创新体系，推动自主品牌节能与新能源汽车与国际先进水平接轨”的发展战略。

2.底盘系统的轻量化的研究是纯电动汽车的重点工作领域

在节能与新能源汽车研究工作的重点领域中提到，要开发高集成度的电动一体化底盘产品技术，高度集成电池系统、高效高集成电驱动总成、主动悬架系统、线控转向/制动系统、集成控制系统，实现整车操纵稳定性、电池组安全防护、底盘系统的轻量化的研究应用。

3.轻量化是节能与新能源汽车的三个领域之一

自然基金委发布《中国汽车产业创新发展联合基金2015年度项目指南》，明确智能化、轻量化、电动化是节能与新能源汽车的三个工作领域。

轻量化领域包含4个研究方向：

（1）汽车用超高强度钢热冲压成形组织强韧性机理与调控；

（2）碳纤维增强复合材料车身零部件结构-工艺-性能一体化设计与制造；

（3）高性能车身覆盖件用铝合金板材组织性能调控与成形性研究；

（4）异种材料汽车零部件连接关键技术基础研究。

三、汽车轻量化的原则

基于标杆车型的性能要求，汽车的轻量化除了要考虑成本方面的因素外，还要考虑安全的因素，即满足标杆车的性能要求，具体如下。

（一）保证足够的刚度

刚度指的是材料抵抗外力变形的能力，通常在车身开发中特指材料在屈服前的弹性特性，良好的刚度是整车NVH性能、车辆动力性能和疲劳耐久性能的基础，常见的评判指标有车身扭转刚度等。

刚度与材料的弹性模量相关，基本上材料种类确定，弹性模量也就确定了。

（二）保证足够的强度

强度是指零件受到冲击载荷发生屈服后仍能维持功能的能力，常用于车身碰撞安全性、耐冲击等性能的评估。

强度与材料的屈服强度和断裂强度相关，为了提升车子的安全性能，现代车身设计大量采用高强度钢材就是这个原因。

（三）保持良好的疲劳耐久性能

疲劳耐久性能是指零件受长期交变载荷后维持功能的能力，车子的可靠性、耐用性就是基于此进行评估的。

疲劳耐久特性与材料的疲劳曲线相关，更重要的是焊点或其他连接方式的疲劳性能。

四、汽车轻量化的关键技术领域

汽车轻量化的关键技术主要为轻量化设计技术、轻量化材料技术和轻量化制造技术，如下图所示。

（一）轻量化设计技术

参照标杆车型，轻量化设计技术主要是对原有部件进行结构参数优化，在满足性能要求的基础上，提高材料的利用率，实现轻量化的目的。

（二）轻量化材料技术

轻量化材料技术是汽车轻量化的重要关键技术，基本原则是满足性能的前提下，在合适的位置用合适的材料。

1.高强度钢

根据强度分类，屈服强度在210~550MPa和抗拉强度在270~700MPa的钢为高强钢（HSS），而屈服强度大于550MPa和抗拉强度大于700MPa的钢为超高强钢（UHSS）。

使用高强度钢替代普通钢材，降低钢板厚度规格，是汽车轻量化的有效途径之一。

统计数据表明，当钢板厚度分别减少0.05、0.10、0.15mm时车身可减重6%、12%、18%。

下图所示为吉利某SUV车型大量应用高强度钢板，白车身应用比例为54%，实现减重30.2kg。

奇瑞艾瑞泽轿车白车身大量应用高强度钢板

2.铝合金

（1）铝合金的分类

（2）轻量化用铝合金的优势

铝合金比强度、比刚度高，耐腐蚀性好，是汽车轻量化的理想材料（比重是钢的1/3）。

铝合金不仅可以减重，而且可以提高安全性能。

单位重量的铝在碰撞中吸能量是钢的2倍。

铝合金绿色、环保，回炉能耗小，回收价值高，回收使用率高。

发达国家已制定强制回收法规，铝、镁合金作为车身材料更具优势。

（3）铝合金在汽车上的使用

汽车车身用铝合金材料主要包括2000系、5000系、6000系合金板材、型材、管材及高性能铸铝，不同受力部位采用不同型号的铝合金材料。

骨架部分：

车身受力最大的部分，采用2000系或7000系材料，可热处理强化。

蒙皮部分：

车身次要的受力部位，采用5000系或6000系材料。

车门部分：

采用5000系或6000系材料。

底板部分：

采用5000系或6000系材料。

内饰部分：

采用1000系或5000系材料，无热处理强化。

座椅部分：

采用2000系或6000系材料，可热处理强化。

铸件：

采用高性能铸铝合金，可热处理强化。

铸造铝合金在汽车上的使用

部件系统

零件名称

发动机系统

发动机缸体、缸盖、活塞、进气管、水泵壳、发动机壳、启动机壳、摇臂、摇臂盖、滤清器底座、发动机托架、正时链轮盖、发动机支架、分电器座、汽化器等

传动系统

变速箱壳、离合器壳、连接过滤板、换挡拨叉、传动箱换挡端盖

底盘行走系统

横梁、上下壁、转向机壳、制动分泵壳、制动钳、车轮、操纵等

其他系统部件

离合器踏板、刹车踏板、方向盘、转向节、发动机框架、ABS系统部件

合金板材主要有2000系、5000系和6000系合金。

2000系合金是一种热处理可强化的铝合金，具有优良的锻造性、较高的强度和良好的焊接性能，很好的烘烤强化效应，但其抗腐蚀性则比其他系列的铝合金差。

目前，2036和2022合金已部分用于汽车车身板材。

5000系合金是一种热处理不可强化的铝合金，具有良好的抗腐蚀性和焊接性能，但退火状态下在加工变形时可能产生吕德斯线和延迟屈服，因此主要用于车身内板等形状复杂的部位。

6000系合金属于热处理可强化铝合金，具有较高的强度、较好的塑性和优良的耐腐蚀性。

与钢板相比，6000系2T4态板材的屈服强度和抗拉强度相近，硬化系数甚至超过钢板。

目前，6009、6010和6016铝合金由于其塑性好，并在成形后的喷漆烘烤过程中可实现人工时效而获得较高强度等特征，被用于汽车车身外板和内板。

奥迪A8的车身板采用了本系铝合金。

另外，为增强汽车的缓冲能力和增强抗疲劳强度，德国VAW、日本KOK、中国西南铝业均以此系合金为基础，研制和开发了高性能的汽车用铝板和铝型材。

目前，6000系合金为车身板主力。

引擎罩盖内板引擎罩盖外板变速箱壳体

3.非金属材料

为了实现整车轻量化设计，车身系统的“以塑代钢”技术已愈来愈得到各主机厂高度关注。

塑料复合材料在汽车上的使用，从内外饰和电子电器壳体件向车身、动力和底盘系统部件扩展。

塑料复合材料在汽车上的使用如下：

（三）轻量化制造技术

✓铝合金半固态铸造技术；

✓铝合金、镁合金锻造成形技术；

✓异种材料连接技术；

✓3D打印技术；

✓……

✓高强度钢热冲压成形技术；

✓高强度钢内高压成形技术；

✓高强度钢三维辊压成形技术；

✓激光拼焊技术；

✓变厚度板技术；

热冲压成形技术

（四）轻量化的发展趋势

目前，汽车轻量化的发展趋势是适应多种材料的集成设计的新材料、新工艺。

（五）轻量化的评价指标

为了评价轻量化的效率，引申出了车身轻量化系数的概念，其可通过如下公式计算：

其中：

为轻量化系数，

为白车身质量；

为白车身静态扭转刚度；

为白车身投影面积。

五、典型案例

（一）东风风神E30纯电动汽车

东风风神E30是东风汽车自主研发，主要用于日常代步使用的A0级纯电动汽车。

E30采用轻量化的混合车身结构——铝型材骨架+铝板蒙皮+非金属覆盖件，白车身重量仅145kg。

在材料选用方面，E40车身大量使用了铝合金型材，重量占59%；5×××系铝合金重量占15%。

（二）诺贝丽斯全铝车身

诺贝丽思常州工厂，是中国第一家汽车铝板热处理厂，由诺贝丽斯独家投资1亿美元，于2014年开始试运行，预计年产能达到12万吨。

主要为汽车行业提供精整后的汽车铝板，用于车身、车门、发动机罩、行李箱以及结构件、车顶和翼子板等。

诺贝丽斯客户包括奥迪、宝马、克莱斯勒、法拉利、福特、通用、现代、捷豹、路虎、梅赛德斯—奔驰、保时捷及沃尔沃等世界知名汽车公司。

诺贝丽斯展示的全铝车身采用一次性压铸成形的工艺，减少了车身的零件个数，避免了异种材料连接的问题，但是安全性问题，有待进一步的检验。

目前全铝车身应用较少，但是未来发展的一个方向。

（三）长城华冠前途K5纯电动跑车的轻量化应用

车体结构采用：

承载式金属型材框架+复合材料蒙皮结构形式。

主要受力由铝合金型材骨架承担。

底盘零部件：

主体采用铝合金材料；

全车玻璃：

除前风挡玻璃外，均采用PC玻璃。

通过采用轻量化设计：

较采用传统式车身及底盘设计，整备质量降低约250~300kg。

前途K5的材料构成：