王偉東｜文

（作者單位：北京安泰科信息股份有限公司）

為實現(xiàn)輕量化，汽車制造廠商除了簡化車身結(jié)構(gòu)設(shè)計、減少車身零部件數(shù)量外，更多使用鋁、鎂、碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)材料和高強(qiáng)度鋼來進(jìn)一步降低車身自重已成為業(yè)內(nèi)共識，多種材料混合使用的車身材料應(yīng)用設(shè)計理念正在興起。

隨著世界各國汽車保有數(shù)量的不斷增多，傳統(tǒng)燃油車尾氣導(dǎo)致的碳排放問題愈加受到廣泛關(guān)注。全球汽車主機(jī)廠為滿足與汽車節(jié)能減排有關(guān)的政策法規(guī)要求，除了積極研發(fā)和生產(chǎn)新能源車型外，也在通過減少車身自重來達(dá)到環(huán)保要求，汽車輕量化進(jìn)程正在不斷加快。

混合材料車身結(jié)構(gòu)設(shè)計是發(fā)展趨勢

為了進(jìn)一步改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、提高車輛行駛安全性、整體提升駕駛體驗，汽車制造商們不再局限于使用單一材料，開始逐步嘗試多種材料混合使用的優(yōu)化設(shè)計方法，將最合適的材料以最好的方式應(yīng)用到汽車的各個部位上。這種汽車設(shè)計思路的變化也成為推動鋁在汽車行業(yè)消費(fèi)量不斷增長、市場占有率不斷提高的主要因素之一。

通常情況下，如果想對汽車減重，就必須大規(guī)模地改用輕金屬材料或復(fù)合材料。汽車制造商們也表示，如果想將一輛車減重15%，很難不依靠輕量化材料。不過，目前汽車制造商使用的比較常見的減重方式是使用耐高溫塑料以及縮小發(fā)動機(jī)尺寸。如果需要為汽車減去5%的重量，汽車制造商通常會選擇鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，例如福特推出的全鋁車身F-150。

另一方面，采用材料混合使用車身結(jié)構(gòu)設(shè)計也是出于安全方面的考慮。一種觀點認(rèn)為，既然以鋁代鋼會給汽車帶來諸多好處，應(yīng)該將所有鋼制部件盡可能地更換為鋁制部件，于是“全鋁汽車”就此出現(xiàn)，即整個白車身和四門兩蓋全部以鋁制成，這使得整個車身減重效果更加顯著。但汽車工程設(shè)計和研究人員隨后也發(fā)現(xiàn)，全部采用鋁結(jié)構(gòu)設(shè)計也存在一定弊端，比如行駛安全問題。

以全球首家推出全鋁轎車的奧迪公司為例，在奧迪A8 新的奧迪車身框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，鋁仍被作為一種重要的建造材料。鋁制部件占新款A(yù)8 轎車車身部件中所占比例為58%，在四種輕量化材料中用量最多。鋁鑄件、擠壓型材和板材的使用是奧迪車身框架結(jié)構(gòu)具有的主要材料應(yīng)用特征。

鎂材料主要用于支柱支撐，與老款車型部件相比，其減重效果達(dá)到28%。鋁螺栓固定連接到支撐塔的圓頂，確保了車身的高扭轉(zhuǎn)剛度。在發(fā)生正面碰撞的情況下，所產(chǎn)生的作用力被分配到車身前端的三個緩沖器上面。

多種熱成型高強(qiáng)度鋼制零部件構(gòu)成了汽車乘坐艙，這些零部件包括前艙壁下部、側(cè)柱、B 柱和車頂梁的前端部分。其中一些金屬板材通過在不同厚度下使用裁剪技術(shù)生產(chǎn)出來，其他一些部件還需要進(jìn)行局部熱處理，從而實現(xiàn)重量減輕而強(qiáng)度增加，并在車輛特別需要提高安全防護(hù)的區(qū)域使用。

在其整體尺寸方面，一種由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的超高強(qiáng)度、高扭矩強(qiáng)度后面板是新奧迪A8 乘坐駕駛艙中尺寸最大的部件，它使整車的扭轉(zhuǎn)剛度提高了33%。為了優(yōu)化和吸收縱向、橫向載荷以及剪切應(yīng)力，有6~19 層碳纖維材料被安放其中，以確保負(fù)載優(yōu)化布局。

毋庸置疑的是，鋁仍然是在汽車應(yīng)用材料領(lǐng)域發(fā)展最快、最具市場競爭力的金屬材料。為了進(jìn)一步改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、車輛行駛安全性、提升駕駛操控性，汽車制造商們不再局限于使用單一材料，而開始逐步嘗試用多種材料混合使用的更佳設(shè)計方法，將最合適的材料通過最好方式應(yīng)用到汽車的各個部位上。

車身材料連接技術(shù)的不斷進(jìn)步為材料混合使用提供了保障

當(dāng)然，車身材料混合使用設(shè)計不只是簡單把鋼制材料換為鋁制或其他材料，還要考慮到不同材料之間的連接技術(shù)問題，這對于整車的使用壽命和安全性至關(guān)重要。隨著車身連接工藝和材料粘接技術(shù)的不斷進(jìn)步，汽車生產(chǎn)商具有了車身材料混合使用的技術(shù)條件。

同樣以奧迪公司為例，該公司在完成了對新一代A8 轎車車身框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建的同時，其位于德國內(nèi)卡蘇爾姆的生產(chǎn)車間也是專門為了建造即將到來的旗艦車型而重新設(shè)計。這個新建的高度達(dá)到41 米的車身生產(chǎn)車間提供了各種高度復(fù)雜且節(jié)能的生產(chǎn)操作工序，其中共使用了14 種不同的連接工藝。

在這些連接工藝中，在前門和后門的切口區(qū)域進(jìn)行的機(jī)器人包邊是一種機(jī)械自動化操作，使用“冷”工藝技術(shù)將鋁側(cè)板框架與熱成型高強(qiáng)度鋼板在B柱、車頂線和車窗位置連接起來。與老款車型相比，汽車工程師們在車門切口區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了高達(dá)36 毫米（1.4 英寸）的改進(jìn)。這種進(jìn)步使得人員進(jìn)出汽車更加方便自如，同時還擴(kuò)大了駕駛員在B柱周圍的視野范圍，這是保證安全駕駛的關(guān)鍵所在。

在“熱”連接工藝方面，奧迪公司已經(jīng)開發(fā)出了對鋁材料進(jìn)行連接的遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)。精確定位的激光束在焊接邊緣大大降低了以往生產(chǎn)過程中存在的熱開裂風(fēng)險。新工藝使得通過熱量輸入方式來精確控制激光束的穿透深度成為可能。

材料混合使用將得以體現(xiàn)

為解決溫室氣體排放問題，除了對傳統(tǒng)燃油汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計外，另一種解決方案就是發(fā)展新能源電動汽車。

在未來的20 年里，傳統(tǒng)的燃油汽車有可能會被全部淘汰。目前，英國、法國和挪威等國已先后宣布，將在未來的幾十年里全面禁止銷售以汽、柴油為燃料的汽車。中國作為目前全球最大的汽車生產(chǎn)消費(fèi)國，盡管尚未明確燃油汽車退出的具體時間表，但目前也已開始制定逐步停止生產(chǎn)銷售燃油汽車的計劃。與此同時，全球許多汽車OEM廠商也提出了未來幾年各自的電動汽車發(fā)展計劃。因此，盡管目前全球電動汽車產(chǎn)量所占比例很小，但其發(fā)展速度很快。

由于電動汽車產(chǎn)量預(yù)計在未來10年中還將出現(xiàn)顯著增長，這將對未來汽車的白車身設(shè)計理念產(chǎn)生重要影響。對于純電動汽車和油電混合動力汽車來說，雖然其燃油消耗是零或很低，但對其進(jìn)行車身輕量化依然十分必要，因為此舉可以減少由于采用大型鋰離子電池給整車重量增加帶來的影響。在電動汽車采取措施減重以后，汽車制造商可以通過減少電池組的尺寸來降低制造成本，或是增加電池組使用數(shù)量來延長車輛每次充電后的續(xù)航里程。對電動車而言，續(xù)航里程是非常關(guān)鍵的一項技術(shù)指標(biāo)，這也是新能源汽車比傳統(tǒng)燃油車更加重視輕量化的原因。

對于搭載鋰離子電池的電動汽車而言，在目前技術(shù)條件下它們需要采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計。比如，采用鋁合金車身結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠比傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)車身具有更多優(yōu)點。它們具有很好的導(dǎo)熱能力，以確保電池能夠保持正常工作溫度。因此，鋁合金車身結(jié)構(gòu)實際上已經(jīng)成為汽車動力系統(tǒng)的組成部分。

但由于受到成本等諸多因素的制約，目前采用全鋁車身的乘用車均為高端車型。在新能源汽車領(lǐng)域也是如此，僅有少數(shù)車企采用全鋁車身設(shè)計，如特斯拉的model S、捷豹I-PACE、蔚來ES8 和即將推出的蔚來ES6。除了輕量化因素外，新能源汽車制造商同樣需要考慮制造成本和安全問題。以特斯拉公司為例，為了降低制造成本，該公司在價格相對便宜的Model 3 電動汽車上采用了鋼鋁混合結(jié)構(gòu)，來達(dá)到輕量化和低成本的目的。從目前判斷，這種車身材料混合結(jié)構(gòu)設(shè)計在電動汽車領(lǐng)域也將成為一種發(fā)展趨勢。

結(jié)論

不管是新能源汽車還是傳統(tǒng)燃油汽車，輕量化的發(fā)展趨勢還將繼續(xù)下去。但輕量化不會強(qiáng)調(diào)只采用某一種材料，未來的趨勢必定是多種材料復(fù)合使用，比如說高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金以及碳纖維復(fù)合材料等多種材料的組合應(yīng)用。

汽車制造業(yè)正在經(jīng)歷著變革，傳統(tǒng)燃油車向電動汽車市場的過渡和轉(zhuǎn)變已成為加快汽車輕量化技術(shù)進(jìn)步，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大的新的推動力。無論汽車驅(qū)動技術(shù)發(fā)生何種演變，鋁在汽車上的用量都將穩(wěn)步增加，創(chuàng)新的合金產(chǎn)品設(shè)計將為鋁在汽車行業(yè)中開辟出新的應(yīng)用空間。