《汽车材料及轻量化趋势》报告总结

《汽车材料及轻量化趋势》报告总结

主讲人：韩维健博士

近年来，随着我国汽车及相关产业的不断发展，截至2016年3月底，全国机动车保有量达到2.83亿辆，其中汽车1.79亿辆；机动车驾驶人达3.35亿人，其中汽车驾驶人2.89亿人。与欧美、日本等发达国家相对成熟的汽车市场相比，我国的汽车市场还有很大的上升空间，也就是说，汽车仍是很多生活在二、三

线城市人们的生活刚需。

伴随着汽车产销量的增长，我国的石油缺口不断增大，越来越多的石油需

要依赖于进口，截至2016年初，我国石油消费对外依存度已经突破60%。上世

纪70年代的第一次石油危机过后，许多石油进口大国（诸如美国）就开始考虑发展替代能源，以减少不可再生能源的使用。同时，汽车排放所带来的日益严

峻的环境问题也迫使国家制定相关政策以减小环境污染和能源消耗，例如，根

据工信部制定的《乘用车燃料消耗量限值》和《乘用车燃料消耗量评价方法及

指标》，企业当年所生产乘用车的平均油耗指标逐年严格，从2015年到2020年，平均油耗目标分别为百公里6.9升、6.7升、6.4升、6升、 5.5升和5升。基于这些因素，各大汽车厂商争相推出新能源汽车，并对原有车型排放性能进

行改进。

第一次石油危机后，轻量化技术得到充分重视和应用，使整车质量大幅降低，但到后来危机放缓，国际油价下跌，汽车厂商考虑到汽车的舒适性、安全

性的提高，以及新的附件的安装，使得整车质量逐渐回升。可以说，整车轻量

化面临着严峻的考验。

1975年至2010年乘用车质量及特征变化趋势

对于传统燃油汽车来说，整车质量的降低可以提高汽车的燃油经济性、减

少尾气排放；对于纯电动汽车来说，整车质量的降低可以提高车辆的续驶里程。例如，在美国十分畅销的福特汽车公司的新一代F150运用了轻量化技术，车身采用大量铝合金材料，使得整车质量降低300多公斤，牵引能力更是大幅提升；福特旗下的中高级轿车fusion也预计在2015年将整车质量有1559kg降至

1135kg。近期，由中国工程汽车学会组织申报的《电动汽车结构轻量化共性关

键技术研究与应用》以及重庆长安汽车公司牵头承担的《轻量化纯电动轿车集

成开发技术》项目已经正式列入2016年国家重点研发专项，不难看出，轻量化技术正是项目的关键所在。

轻量化的途径主要有两种：整车结构优化设计和采用轻质材料。其中轻质

材料目前应用较多的有以下几种：高强度钢材（AHSS）、铝合金、镁合金、复

合材料（主要是CFRP和GFRP）等等。在早期，汽车厂商在考虑选用哪种轻质

材料时，首先考虑的是购置成本问题，所以较为昂贵的铝合金、镁合金以及复

合材料应用较少；在后来，汽车厂商在考虑了汽车产品的整个生命周期成本，

包括汽车在使用过程中的燃油消耗、碳排放等等因素之后，逐渐地采用了更多

诸如铝合金等轻质材料。

高强度钢材。高强度钢材的应用在各大汽车厂商中已经十分成熟，对于车

身设计而言，为满足车身各部分的服役要求，高强度钢材以及超高强度钢材主

要应用于乘员驾驶舱的A、B、C柱，门槛梁以及前纵梁上，而普通钢材主要用

在车身后部，以满足汽车在发生碰撞时的吸能要求。

铝合金。铝合金近些年应用较多，尤其是在高级别乘用车上，例如捷豹

XFL和特斯拉MODEL S，均采用的是全铝车身。除此以外，发动机缸体、轮辋等部件也可采用铝合金制造。一些汽车厂商为了兼顾车身的轻量化和成本问题，

常常将高强度钢材和铝合金混合使用，并采用大量的铆接技术将两者连接。

镁合金。镁合金比钢和铝合金都要轻，并且具有一定的缓冲阻尼和更好的

耐冲击性，主要用于制作方向盘骨架、转向柱支架、座椅基座等等。但是，由

于镁元素的储量有限，产能较低，在汽车上的应用受到了一定的限制。例如，BMW早先生产的N55直列六钢发动机缸体采用镁铝合金（镁合金和铝合金组合

使用）制造，之后由于无法满足性能更强的涡轮增压发动机的强度要求而改用

铝合金缸体。

碳纤维增强复合材料。与钢材和铝材相比，CFRP在性质上具有更低的比重，更高的比强度和比模量等诸多优点。由于CFPR的各向异性，在设计零件结构时，可以合理地安排预浸布的铺层角度来满足零件的强度需求。就现阶段，CFRP主

要用在一些高档汽车的覆盖件、空气套件以及内饰件上；由于粘接技术的不成熟，CFRP在车身承载结构上的应用较少。BMW对CFRP的成型技术研究较多，旗下的BMW i3纯电/混动轿车以及BMW i8混动超跑已经得到量产，但由于其高昂的售价及维修花费，在国内的新能源汽车市场并不十分走俏。

总之，轻量化技术，尤其是基于轻质材料的轻量化技术是未来纯电动汽车，乃至整个汽车行业的关键发展方向，我国也在大力推动轻量化技术的研究，投

入了大量的人力物力，相信在不久的将来，随着汽车碳排放和燃油消耗的减少，我国的环境问题和能源问题会得到可观的改善。