汽车轻量化面临的机遇与挑战

传统汽车面临降低开发成本的需求，车身轻量化技术是汽车技术发展的一个大方向，即便是在新能源动力时代，轻量化技术也是新能源车车身设计所必须考虑的第一要务。

什么是汽车轻量化？

汽车轻量化是在满足汽车使用要求、安全性和成本控制要求的条件下，将结构轻量化设计技术与多种轻量化材料、轻量化制造技术集成应用实现的产品减重但在实现汽车轻量化的同时，一个非常重要的前提是：不能以牺牲车辆安全性和NVH（噪音、振动、平顺性）为代价，汽车轻量化必须在预定整车减重目标、整车成本控制目标、安全性目标和NVH控制水平的全面约束下进行。

为什么要汽车轻量化？

首先，车身轻量化是实现整车节能减排的有效举措之一。据研究表明，在采用相同动力系统和传动系统的前提下，乘用车的整备质量每减少10%，燃油消耗就可降低6%-8%。巴斯夫公司统计结果表明，汽车每减重100公斤，百公里油耗可降低0.4升、二氧化碳排放可减少1公斤。相比于动力技术的提升所带来的燃油消耗降低，车身轻量化技术的投入相对较少，成效也要更加显著。要知道在过去的近十年时间里，传统内燃机技术的提升所带来的经济性表现的改善也就是在8%左右。

同时，汽车轻量化还有利于汽车安全性能的提升，从理论上说，汽车碰撞时的冲击能量与汽车的质量成正比。在同等条件下汽车越轻，碰撞时冲击能量越小，车身结构的变形、侵入量和乘员受到的冲击加速度就越小，汽车对乘员的保护性能越好、越安全。另外，汽车制动时消耗的能量也与汽车质量成正比，汽车越轻，在以相同初速度刹车时，制动器要消耗的能量就越小，制动减速度就越快，制动距离越短，制动性能就会有明显改善，汽车主动安全性也会变好。

车用复合材料——CFRP

讲到汽车轻量化，就离不开车身材料的轻量化，复合材料作为一种新型的轻量化材料，正日益成为汽车制造业中的新宠。特别在小批量车型应用领域，它可谓一枝独秀，成为欧美汽车制造商开发新车型的首选材料。

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料组成，其综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。其中， 碳纤维复合材料（CFRP）因其重量轻，以及具有高强度（是钢铁的5倍）、高模量和良好的耐热、耐腐蚀性等特点，已成为一种非常理想的汽车轻量化材料。如果一辆乘用车采用10kg的复合材料，每年新车产量2300万辆，预计车用复合材料产业将形成千亿元的市场规模。

由于碳纤维复合材料制造成本过高，碳纤维增强复合材料在汽车中的应用有限，最初仅在一些F1 赛车、超级跑车、小批量车型上有所应用，如兰博基尼、柯尼塞格、雷克萨斯LFA、GT-R、保时捷911 GT3承载式车身等。但随着碳纤维制造成本的下降、复合材料制造工艺的成熟，各大主机厂纷纷进行碳纤维零部件的开发，如今被广泛地应用于高价值民用轿车上。当宝马i3系列的横空出世，让业界对复合材料刮目相看。宝马i3电动车不仅在车身镶板中使用了碳纤维复合材料，还打造了碳纤维材质的车架。

宝马i3采用的CFRP结构

宝马i3创新的车体架构由两部分构成（图1）：一个部分是由铝合金材料制成、驱动车辆的Drive模块，其中集成了驱动系统、底盘、蓄电池、结构功能组件和防碰撞功能组件，另一个部分是碳纤维增强复合材料(CFRP)制成、构成车厢主体的Life 模块。Life -Drive体系是电动力系统的完美集成。

图1 Life模块和Drive模块

并且，在Life模块（图2），我们可以明显地看到CFRP在整个车身结构件中占到了接近50%。

图2 Life模块重量分布图

宝马i3在复合材料的创新应用方面，不论是汽车界还是材料届，都对其赞不绝口。国内很多人都去参观过宝马i3的工厂，看到其整个生产线与传统汽车的生产线很不一样，车身和车架都是采用碳纤维一次成型。整个生产流程相比以前大大地提高了生产效率，在车身制备中心，相比以前减少了50%的生产前置时间，生产周期小于10分钟，仅有130个部件，胶结总长为173m，100%的全自动化，100%质量控制，100%标准化机器人，100%自动化过程，且具备灵活的扩充结构。与相似大小和驱动性能的车辆相比，由于整合了一个电子的动力总成，获得了100%的重量差点补偿。

我国CFRP在汽车轻量化应用上遇到的难题

然而，我国在复合材料的创新应用上远远落后于欧美日国家，想在汽车上推广应用还面临诸多挑战，主要难题有：

设计能力：碳纤维复合材料可设计性强，零部件集成设计、碳纤维复合材料铺层设计能力（包括铺层层数、角度、方式）等都需要大量的经验积累，才能最大限度的发挥碳纤维复合材料的优势；

材料选择：根据编织方式的不同（如平纹，斜纹，多轴向），每个牌号的碳纤维织物性能各有差异，因此，在满足安全性能的前提下，选用何种牌号何种编织方式的碳纤维织物都是需要我们进行大量实验来决定的；

价格降低：相对于传统的铝材，复合材料的成本较高，需通过碳纤维规模化的生产及应用，来降低碳纤维价格。随着各碳纤维厂家纷纷扩产，相信碳纤维价格降低指日可待；

零件加工工序：碳纤维通常经过编织-铺贴-与树脂浸润-高温成型，耗费大量劳力且生产效率较低，还需进一步优化工艺或研究新的工艺，缩短加工周期；

材料连接：碳纤维复合材料属于脆性材料，机械连接会产生应力集中，造成多种形式的失效，需要充分考虑复合材料连接部位的力学分布情况，设计连接位置及强度，另外碳纤维具有导电性能，与金属部件连接会产生电化学腐蚀，造成结构失效，需要研究合适的胶接或机械连接材料，达到最好的装配性能；

材料回收：碳纤维复合材料不溶不熔，以前只能靠填埋或粉碎进行回收，不环保而且资源浪费，需要在回收热固性树脂的同时，最大限度的保持纤维强度，将碳纤维进行回收利用；

产业衔接：产、学、研结合不够紧密，没有明确定位、合理分工，基础研究和技术开发研究的有机衔接不够.企业规模小而分散，轻量化技术开发能力薄弱，研发人才短缺.工艺水平落后。

目前在我国汽车轻量化发展现状

但值得庆幸的是，现在国内很多汽车主机厂及研发单位都在加快汽车产业技术进步。由中国汽车工程学会牵头的国家汽车轻量化技术创新战略联盟，把汽车产业和学校、科研院所以及上下游集中起来，投资6亿，最终研发出5款轻量化的车型，而且已经上市了。几款上市的车型，包括一汽的奔腾X80 它整个减重了6%的重量，集成了高强度钢、铝合金、以及复合材料等等的一些先进的技术。北汽非常重视汽车轻量化发展，并成立了董事长带头的轻量化领导机构和工作机构，也成立了一批专家队伍，共同成立了北汽轻量化的工作。 具体的行动计划就是定了“十三五”期间的一个585的计划，围绕5款车型，单车减重不少于80公斤。长安、奇瑞汽车等代表的部分企业也也已开始联手零部件供应商、轻质化材料商以及车企三方都积极投入于汽车轻量化的进程中。

随着汽车领域对碳纤维复合材料的不断研究和应用，轻质、高强的碳纤维复合材料应用成本下降，碳纤维复合材料零部件的应用将会越来越广泛。我们期待这种革命性的变化，相信复合材料在汽车上的应用会是未来的发展方向。

本文由peek板供应商新恒鑫实业整合