快速發(fā)展的汽車工業(yè)，給國家的節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)和能源安全等帶來了巨大的挑戰(zhàn)。汽車智能化、電動化與輕量化并列成為未來汽車技術(shù)發(fā)展方向[1]。汽車輕量化作為節(jié)能減排的重要途徑，已成為各國政府發(fā)展汽車工業(yè)、提高全球競爭力的必然選擇。隨著中國進(jìn)入汽車社會，乘用車保有量大大提高。國內(nèi)乘用車的輕量化現(xiàn)狀一直備受關(guān)注，了解國內(nèi)乘用車的輕量化現(xiàn)狀，找到自主品牌與合資車型產(chǎn)品的輕量化差距，是制定輕量化目標(biāo)和技術(shù)路線的重要依據(jù)。

汽車輕量化的主要技術(shù)路徑包括輕量化設(shè)計(jì)、輕量化材料，以及成型制造工藝等。近年來，圍繞著各種輕量化材料應(yīng)用趨勢的爭論從未停止過，尤其是鋼與鋁的競爭成為最熱門的話題[2]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的分析可知[3-9]，在各種輕量化材料中，高強(qiáng)度鋼板除了輕量化效果略低一些外，在使用性能、成本和節(jié)能減排等方面均具有一定的優(yōu)勢。同時，隨著汽車安全法規(guī)的日趨嚴(yán)格，也使得高強(qiáng)度鋼板在乘用車上應(yīng)用得到了快速的發(fā)展。本文分析了國內(nèi)市場乘用車的相關(guān)數(shù)據(jù)，對國內(nèi)市場在售的乘用車輕量化現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并對高強(qiáng)度鋼板的分類方法、國內(nèi)外乘用車的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及發(fā)展趨勢進(jìn)行簡要介紹。

一、國內(nèi)市場乘用車輕量化現(xiàn)狀分析

1.乘用車輕量化現(xiàn)狀分析的參數(shù)選擇

分析乘用車輕量化現(xiàn)狀或變化情況，首先需選定合適的評價(jià)參數(shù)。目前整車輕量化的評價(jià)方法與指標(biāo)在行業(yè)內(nèi)尚未形成廣泛共識，已公布的整車輕量化評價(jià)有：

（1）考慮整車性能的輕量化評價(jià)指標(biāo)

①車身輕量化綜合評價(jià)指數(shù)

路洪洲等[10-11]綜合考慮了汽車車身質(zhì)量、車身扭轉(zhuǎn)剛度和模態(tài)、安全性等性能，提出了輕量化綜合評價(jià)指數(shù)E，見式（1）。（1）

式中：E代表輕量化評價(jià)指數(shù)；mBody代表車身質(zhì)量，含4門2蓋，不帶前后風(fēng)擋玻璃，單位為kg；CT為包括擋風(fēng)玻璃的油漆車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度，單位為Nm/；A為車身腳印面積，等于軸距與前后輪距的投影面積，單位為m2；F為車身一階（扭轉(zhuǎn)）頻率，單位為Hz；[CNCAP]代表C-NCAP星級評分。

②整車輕量化技術(shù)水平評價(jià)指標(biāo)李軍等[12]在式（1）的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修訂，引入油耗和發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo)，提出了新的整車輕量化評價(jià)指標(biāo)E’，見式（2）。

式中：M為汽車的整備質(zhì)量，單位為kg；F和CT同式（1）；Q為百公里綜合油耗，按照GB/T19233-2008輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法測算，單位為L/100km；V為名義體積，等于長×寬×（高-離地間隙），m3；P為發(fā)動機(jī)的功率，kW。

上述評價(jià)指標(biāo)中引用的技術(shù)參數(shù)（如CT和F等）一般都是不公開的數(shù)據(jù)，汽車企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)時可以用于和對標(biāo)車輕量化水平的對比分析。

（2）僅考慮質(zhì)量與尺寸參數(shù)的評價(jià)方法

式中：D為名義密度，單位為kg/m3；M為整備質(zhì)量，單位為kg；V為車身的體積，單位為m3。

對名義密度的測算進(jìn)行了詳細(xì)的分類，對于轎車和SUV分別采用式（4）和式（5）進(jìn)行測算。

V+[（B×H）]+[（L-B）×0.5×H]×W （4）V={[0.33×（L-B）×H]+（B×H）+[0.67×（L-B）×0.5×H]}×W （5）

式中：H為車高；B為軸距；W為車寬；L為車長。以上參數(shù)的單位均為m。

蓮花汽車評價(jià)的名義體積計(jì)算過程較為繁瑣，分為式（4）和式（5）。而且高度計(jì)算中未去除最小離地間隙。

筆者綜合考慮輕量化指標(biāo)參數(shù)獲取的便利性與有效性，提出了新的名義體積的測算方法，見式（2），并將新定義的名義體積與式（4）和式（5）、式（6）的計(jì)算方法分別與整備質(zhì)量進(jìn)行了關(guān)聯(lián)性分析，結(jié)果顯示二者的計(jì)算結(jié)果與整備質(zhì)量的關(guān)聯(lián)性相近。因此，本文中輕量化現(xiàn)狀分析時，名義體積采用新的測算方法，即去除了最小離地間隙。

定義整備質(zhì)量與名義體積之比為名義密度，用名義密度的大小來反映輕量化的水平，名義密度小的車型輕量化水平高。名義密度計(jì)算見式（6）[12]：

以下將以名義密度參數(shù)來詳細(xì)分析不同級別車型的重量變化情況，以及自主品牌與合資品牌車型的輕量化差異。

2.細(xì)分車型重量變化趨勢分析

為了減少質(zhì)量分析的影響因素，所選樣本為手動變速器車型，約3 000個樣本。車型的級別按照A0級（小型車）、A級（緊湊型車或經(jīng)濟(jì)型車）、B級（中級車）和SUV等4大類分別計(jì)算。樣本的范圍覆蓋2005-2014年間在中國市場銷售的自主品牌和合資品牌車型（其中合資品牌包含少量進(jìn)口車型；B級車和SUV車型部分年份樣本空缺），詳見圖1。

由圖1可知，近幾年車型的名義密度變化趨勢是先增加，后降低。結(jié)合中國汽車市場的發(fā)展及政策法規(guī)實(shí)施情況可知，2006年以前，國內(nèi)汽車市場處于起步階段，消費(fèi)者對汽車產(chǎn)品的功能需求較少且安全性等法規(guī)要求也處于空白階段。2006年之后隨著消費(fèi)者對汽車產(chǎn)品功能需求的增加，汽車產(chǎn)品需要通過增加配置來吸引消費(fèi)者。另外，2006年起，中國C-NCAP安全法規(guī)的實(shí)施，汽車產(chǎn)品需要增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來滿足安全法規(guī)的要求，也需要通過增加零件或配置來達(dá)到安全性要求，因此這個階段的汽車質(zhì)量處于不斷增加的階段。2009年中國乘用車第二階段油耗實(shí)施，節(jié)能產(chǎn)品惠民工程和1.6L以下汽車購置稅減免政策的相繼出臺，汽車產(chǎn)品又需要降低油耗來滿足排放法規(guī)，從而享受到節(jié)能惠民政策補(bǔ)貼，提高產(chǎn)品的競爭力。雖然之后的安全法規(guī)等要求也不斷提高，但是國內(nèi)汽車企業(yè)的設(shè)計(jì)能力也得到進(jìn)一步的提升，在滿足性能要求的提前下也具備了輕量化的設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力，使得汽車產(chǎn)品的質(zhì)量得以有效的控制。因而，從2009年開始，汽車的名義密度呈現(xiàn)下降的趨勢。

3.國產(chǎn)自主品牌與合資品牌車型質(zhì)量現(xiàn)狀分析

國產(chǎn)乘用車的輕量化現(xiàn)狀一直是關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一，如何找到自主品牌與合資車型產(chǎn)品的輕量化差距，是制定輕量化目標(biāo)和技術(shù)路線的重要依據(jù)。

在乘用車市場上，自主品牌的產(chǎn)品主要覆蓋中低端市場，涉及A00級、A0級和A級車（緊湊型），而合資企業(yè)產(chǎn)品主要覆蓋A級車（緊湊型）和B級車（中大型車），因而，A級車（緊湊型）是自主品牌與合資品牌競爭最為激烈的產(chǎn)品區(qū)間。對比分析時選取A級車（緊湊型）MT轎車樣本，數(shù)量約為600個，并依據(jù)名義密度作為輕量化評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行對比。

圖2為自主品牌與合資品牌總體及各系車型的名義密度比較圖，由圖2可知，在緊湊型市場中，自主品牌車型的名義密度與合資品牌車型均值相當(dāng)，且低于歐系車和美系車，但高于日韓系車均值水平。也就是說，在不考慮自主品牌與合資品牌車型性能（動力經(jīng)濟(jì)性、油耗和安全性等）的情況下，僅從車型的相對質(zhì)量考慮，自主品牌的輕量化水平與合資品牌均值相當(dāng)，低于日系車和韓系車而優(yōu)于歐系車和美系車。

上述數(shù)據(jù)是基于手動變速器轎車參數(shù)進(jìn)行的分析，若分析整個行業(yè)的差距，也可以將每種類型車輛分別進(jìn)行輕量化潛力分析，而后根據(jù)每類產(chǎn)品的市場占有率去進(jìn)行加權(quán)，最終可得到行業(yè)的整體差距。

此外，根據(jù)已發(fā)布的C-NCAP安全數(shù)據(jù)，自主品牌的安全性要低于合資品牌車型，若自主品牌達(dá)到相同的安全性，還需增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和配置，也相應(yīng)增加質(zhì)量。因此，若考慮安全性和燃油經(jīng)濟(jì)性等性能的差異，自主品牌車型的輕量化空間還大于此數(shù)值。

三、國內(nèi)外乘用車高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用進(jìn)展

1.高強(qiáng)度鋼板的分類

目前，乘用車常用的汽車鋼板包括碳錳軟鋼、無間隙原子鋼（IF）、高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA）、各向同性鋼（IS）、雙相鋼（DP）、相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP）、孿晶誘發(fā)塑性鋼（TWIP）、復(fù)相鋼（CP）、馬氏體鋼（MS）、鐵素體貝氏體鋼（FB鋼）、熱成形鋼等。通常所說的高強(qiáng)度鋼板用量一般是指車身高強(qiáng)度鋼板材的用量，依據(jù)不同的高強(qiáng)度鋼板定義，統(tǒng)計(jì)得到的車身高強(qiáng)度鋼板的用量數(shù)據(jù)差別較大。目前已有的高強(qiáng)度鋼板的分類方法主要有以下幾種。

（1）按照強(qiáng)度分類方法

根據(jù)國際鋼鐵協(xié)會汽車用鋼手冊的介紹[14]，高強(qiáng)度鋼板的分類可以依據(jù)屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度2個指標(biāo)，高強(qiáng)度鋼板類型的強(qiáng)度值范圍見表1。

（2）按照冶金學(xué)類型

高強(qiáng)度鋼板的另外一種分類方法是按照鋼種的金相組織和冶金類型，可包括傳統(tǒng)軟鋼、高強(qiáng)度鋼板、先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板和超高強(qiáng)度鋼等，詳見表2。目前，歐洲車身會議上展示車型的高強(qiáng)度鋼板按照此方法統(tǒng)計(jì)[15]。

（3）按照汽車用鋼的發(fā)展歷程

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車用鋼的技術(shù)也在不斷發(fā)展，如圖3所示。至今汽車用鋼已經(jīng)經(jīng)歷了具有較低強(qiáng)塑積的第1代汽車鋼，以及高強(qiáng)高塑性的第2代鋼。但由于第2代汽車用鋼添加了大量的合金元素，導(dǎo)致成本較高、冶金生產(chǎn)難度較大，且由于碳當(dāng)量高，可焊性差。因此，迫切需要開發(fā)低成本、高強(qiáng)度、高塑性的第3代汽車用鋼。目前研究較多的第3代鋼主要有QP鋼、δ-TRIP鋼、納米貝氏體和中錳鋼等。汽車用高強(qiáng)度鋼板按照開發(fā)歷程的詳細(xì)分類見表3。

目前，國內(nèi)汽車行業(yè)對于高強(qiáng)度鋼板定義更傾向于按照國家鋼鐵協(xié)會的屈服強(qiáng)度級別來劃分[15]，即ReL≥210MPa的汽車板稱為高強(qiáng)度鋼板。這主要是考慮到屈服強(qiáng)度是機(jī)械構(gòu)件設(shè)計(jì)的基本性能指標(biāo)。而歐洲車身會議的高強(qiáng)度鋼板一般按照冶金學(xué)類型來計(jì)算。由于目前高強(qiáng)度IF鋼、BH鋼（一般屈服強(qiáng)度小于210MPa）等材料占車身鋼板的比例較多，因此后者的測試方法得當(dāng)?shù)母邚?qiáng)度鋼板比例一般高于前者。

2.國外乘用車高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用現(xiàn)狀

高強(qiáng)度鋼板具有性能、成本等方面的優(yōu)勢，決定了其仍是目前市場上最受歡迎的輕量化材料，也是中低端乘用車輕量化材料的首選，包括國外入門級乘用車的車身也以高強(qiáng)度鋼板為主。圖4為近3年歐洲車身會議展示的國外典型鋼質(zhì)車身高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用情況[15-17]，圖中高強(qiáng)度鋼板按照冶金學(xué)類型進(jìn)行分類。

由圖4可知，國外典型鋼質(zhì)車身的高強(qiáng)度鋼板比例普遍達(dá)到50%～60%，部分車型甚至超過70%。其中日韓系乘用車在50%左右，部分歐美系車型甚至超過70%。其中最新款FIAT500的高強(qiáng)度鋼板比例最高，達(dá)到73%，而本田飛度的高強(qiáng)度鋼板僅為45.6%。在所有車型中，熱成形鋼都有一定比例的應(yīng)用，歐系車熱沖壓鋼用量明顯高于日系車，其中Volvo XC90的熱成形鋼用量達(dá)到30%，也是迄今為止單車用量最多的車型。

3.國內(nèi)乘用車高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著國內(nèi)汽車安全法規(guī)和油耗法規(guī)的日趨嚴(yán)格，高強(qiáng)度鋼板在國內(nèi)已受到越來越多的重視。高強(qiáng)度鋼具有高的強(qiáng)度、高的碰撞吸能性，可以有效提高汽車的安全性。與傳統(tǒng)軟鋼相比，在滿足相同汽車安全法規(guī)要求的前提下，可以大幅降低汽車的重量，是同時實(shí)現(xiàn)汽車輕量化與安全性要求最優(yōu)輕量化材料方案。同時，由于高強(qiáng)度鋼板僅在現(xiàn)有鋼板的生產(chǎn)線上進(jìn)行成分和工藝的優(yōu)化，材料成本增幅較小，因此，在國內(nèi)已受到越來越多的重視，自主品牌乘用車的高強(qiáng)度鋼板用量與強(qiáng)度級別也在顯著提高。

一汽乘用車的車身高強(qiáng)度鋼板比例達(dá)到50%以上。2009年，一汽轎車聯(lián)合寶鋼推進(jìn)第3代汽車用鋼——QP鋼在一汽的應(yīng)用，成功試制了980MPa冷沖壓高強(qiáng)度鋼板中柱加強(qiáng)板，并實(shí)現(xiàn)在A130車型的批量應(yīng)用，是國內(nèi)首次應(yīng)用第3代先進(jìn)高強(qiáng)鋼[15-16]。奇瑞公司目前車身高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用比例已達(dá)50%以上，新開發(fā)的車型已達(dá)到60%[17]。長城汽車大量采用高強(qiáng)度鋼板，單車用量最高的達(dá)到62.9%[18]。吉利汽車高強(qiáng)度鋼板在白車身的應(yīng)用比例達(dá)到51.4%。此外，長安、東風(fēng)、上汽和北汽等自主品牌新開發(fā)車型高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用水平也基本都在50%[19]。

圖5給出了近3年國內(nèi)典型鋼質(zhì)車身高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用情況[20-21]，圖中高強(qiáng)度鋼板的分類與圖4一致。由圖5可知，國內(nèi)主流乘用車鋼質(zhì)車身的高強(qiáng)度鋼板比例均達(dá)到50%，部分車型甚至超過60%。從各車型高強(qiáng)度鋼板的分布來看，冷成型超高強(qiáng)度鋼板和熱沖壓高強(qiáng)度鋼板的使用比例相對較少。其中熱成形鋼最高僅為4.8%，尚有部分車型未采用。

根據(jù)圖4和圖5的車型數(shù)據(jù)，對高強(qiáng)度鋼板用量進(jìn)行了均值處理，得到國內(nèi)自主品牌車型與國外車型高強(qiáng)度鋼板用量對比結(jié)果，見圖6。由圖可知，國內(nèi)與國外乘用車的高強(qiáng)度鋼板整體用量差別不大，但超高強(qiáng)度鋼和熱成形鋼的用量低于國外。由于超高強(qiáng)度鋼和熱成形鋼具有更高的碰撞吸能性和輕量化效果，因此國內(nèi)乘用車在達(dá)到相同安全性時，需使用較多的材料，因而也導(dǎo)致了車身質(zhì)量較重。制約國內(nèi)超高強(qiáng)度冷成型鋼應(yīng)用的因素主要體現(xiàn)在成形和焊接技術(shù)方面，此外原材料、零部件和模具等供應(yīng)商的技術(shù)能力還有待加強(qiáng)。

而熱成形鋼的應(yīng)用主要是成本問題，國內(nèi)熱沖壓零部件市場主要是合資的BENTLER、COSMA、GESTAMP等企業(yè)，占據(jù)國內(nèi)大部分熱沖壓零部件市場，因而價(jià)格較高。隨著熱沖壓技術(shù)的不斷成熟，國內(nèi)以寶鋼為代表的自主零部件企業(yè)也紛紛建立熱沖壓生產(chǎn)線，將有利于熱沖壓成形零部件市場的充分競爭，進(jìn)而進(jìn)一步降低熱成形鋼的成本。

4.高強(qiáng)度鋼板的發(fā)展趨勢

當(dāng)然，鋼鐵行業(yè)追求進(jìn)步的腳步從未停止過，由世界鋼協(xié)主持的Future Steel Vehicle（FSV）項(xiàng)目[22]展示了鋼制車身結(jié)構(gòu)解決方案滿足2020年的安全規(guī)定要求和整個壽命期間排放要求的范例。FSV項(xiàng)目引領(lǐng)了未來高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用的方向，基本體現(xiàn)了高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用的極限水平。圖7為FSV車型白車身用鋼強(qiáng)度分布，全車高強(qiáng)度鋼板和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板用量達(dá)到97%，1GPa級別的高強(qiáng)度鋼板用量達(dá)到近50%，體現(xiàn)了高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用的巨大潛力。

高強(qiáng)度鋼板未來的應(yīng)用方向主要是在現(xiàn)有車身結(jié)構(gòu)、安全件、底盤件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用；新的應(yīng)用增長點(diǎn)則在車身覆蓋件和座椅系統(tǒng)等方面。預(yù)計(jì)在未來3～5年內(nèi)，車身高強(qiáng)度鋼板的用量將達(dá)到65%～70%，且超高強(qiáng)度鋼和熱成形鋼的比例會進(jìn)一步增加。

然而實(shí)現(xiàn)這樣的大量高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用，必須解決現(xiàn)有高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用的最大技術(shù)難題—沖壓成形問題。正是基于這樣的市場需求，因而高強(qiáng)度鋼未來的技術(shù)發(fā)展路線日漸清晰，主要是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高塑性，主要的技術(shù)路線有2種：

①高強(qiáng)度鋼冷沖壓鋼種的開發(fā)：開發(fā)高強(qiáng)度高塑性的第3代汽車用鋼，通過沖壓或滾壓等工藝實(shí)現(xiàn)1GPa級別以上冷成型超高強(qiáng)度鋼應(yīng)用，如QP鋼等；

②熱成形鋼性能改善以及熱沖壓新工藝：開發(fā)高韌性和高強(qiáng)度的熱成形鋼，并開發(fā)低成本熱沖壓工藝技術(shù)。熱成形鋼的開發(fā)方向主要是強(qiáng)度和韌性的優(yōu)化和新型涂層鋼板的開發(fā)。熱沖壓的工藝、裝備和模具等的開發(fā)方向主要是實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，同時優(yōu)化現(xiàn)有熱沖壓的工藝路線，使得熱沖壓零部件的成本進(jìn)一步降低。

四、結(jié)語

根據(jù)國內(nèi)市場在售車型數(shù)據(jù)分析可知，目前國產(chǎn)在售的乘用車質(zhì)量呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢；在不考慮乘用車性能差異的情況下，自主品牌車型的輕量化水平與合資品牌均值相當(dāng)，優(yōu)于歐美系，而低于日韓系。若考慮汽車安全性和油耗等因素，自主品牌乘用車的應(yīng)該還有更大的減重空間。

由于鋼鐵材料在強(qiáng)度、塑性、抗沖擊能力及低成本方面具有綜合的優(yōu)越，其在汽車材料中的主導(dǎo)地位仍是不可動搖的，尤其超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用還將有較大的增長空間。然而，每種輕量化材料都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最終能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用，需要綜合考慮成本因素、輕量化效果、技術(shù)的成熟度和供應(yīng)鏈關(guān)系等等因素。高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用也將面臨其他新材料（如碳纖維復(fù)合材料、鋁合金等）的挑戰(zhàn)，因此，高強(qiáng)度鋼材料本身也需要不斷地改進(jìn)去迎接其他材料的挑戰(zhàn)，在競爭中求發(fā)展。

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