近日，蘇州華特時代碳纖維有限公司總經理熊飛在百人會未來出行學院課程上做了“整車輕量化技術及應用案例”的精彩演講，以下是整理完的演講內容。

一、輕量化起源和背景

這是世界上第一則汽車廣告，廣告詞說該車保養容易，開1英里只需要0.5美分，又輕又結實。今天我們做車也一樣，首先要便宜，這樣才會有人買單，第二，整備質量輕，第三，加速性能好。

早先我們買車，都會看看車是不是足夠硬，也會選擇重的車，根本原因是安全。我做過一個計算，把一款符合中國法規的五星碰撞小車在結構不變的情況下拉長，拉到奧迪A4L的長度。拉長的結果是變重，原來1300-1400公斤的車，增加到1800公斤。因為結構完全不變，只是鋼板變厚了，所以配重就高了，結果從五星碰撞降到幾乎沒有星級，甚至連法規都過不去。重量和安全沒有直接的聯系。

各個國家、地方政府、州政府、交通部都有一系列關于排放量的法規。根據北美法規要求的減重目標規劃，從2015年到2019年，某車型整備重量要從1853公斤降到1664公斤，整整減少200公斤。隨著燃油消耗量限制法規、汽車排放法規的要求日益提高，汽車輕量化技術是未來汽車設計的核心技術。

其實這些年我們可以看到，車的重量是略微上升的，因為我們對配置和安全性能的要求提高了。2018年新的碰撞法規提出了更高的要求，在滿足功能的前提下，還要減重。舉個例子，自主品牌的車A柱往往比較粗大，合資品牌比較細，要用細的A柱代替粗的A柱，還得滿足同樣的法規，這就意味著要么材料強度更高，要么結構設計更好。要達到這兩點，做出產品來，又意味著工藝要求比較高。這三者缺一不可。

鋁板有一個最大的特點，鋁的疲勞壽命是特別差的。對客戶來說，車要天天開，疲勞標準是要優于安全標準的。但是對于主機廠來說安全性能是要大于疲勞標準的。鋼的比重是7.85，鋁的比重是2.74，如果用鋁板代替鋼板，理論上重量能大約減掉60%，事實上是不做到的。現在市面上絕大部分鋼板厚度是0.7毫米，而鋁合金做不到這個厚度。因為鋁合金要克服強度低，屈強比差的缺點。最近奧迪把鋁合金厚度從原來的1.1毫米降低到0.9毫米，重量約降低了30%，和理論減重60%還差很遠。

所以鋁板和鋼板各有優缺點，未來選擇怎樣的技術路線，需要分析缺點在哪兒，挑戰在哪兒。江淮上了一條生產線，叫做溫成型，就是把鋁板加熱一下再變形。加熱變形使得鋁板容易變形，而且變形以后不回彈。但是導致的情況是效率低下，如果是鋼板，全中國最慢的沖壓線，一分鐘都至少能做7個件到8個件，但是溫成型效率更低。

奧迪A8最新的車型，從原來98%的鋁合金，降低到現在58%的鋁合金，剩下全都是用鋼。僅僅是因為鋁合金貴嗎？其實很大一部分原因，不是材料的問題，而是工程制造的問題。我們希望車大量生產，但是很遺憾的是，大量生產不了，工程化比較差。

有人問為什么一定要輕量化呢，別的方式行不行。如果要增加10%的續航里程，就有幾種辦法。第一，放更多的電池，所以比亞迪的車離地間隙都非常低，因為他要保證全系車型續航里程500公里以上，怎么辦呢？只能增加電池，一個不行放兩個，兩個不行放三個。但是增加電池就意味著成本增加。第二，減重。第三，改變風阻系數。第四，改變滾阻，這個代價是非常高的，意味著所有的連接件都要改變。

現在行業內主流的車身技術路線有這么幾種：

第一，傳統全鋼車身，仍舊是目前采用最廣泛的技術。

第二，鋁合金車身，比如蔚來ES8。

第三，鋼鋁混合車身，就是現在很多新車說的“下鋼上鋁”。

第四，碳纖維車身，如寶馬i3。

每一種車身都有優點也有缺點。輕量化的目的，是在不影響功能性、安全性、耐久性的情況下，盡可能做得越輕越好。隨著我們國家的發展，未來對車的加速性要求會越來越大。在美國有非常高的加速性要求，前途K50在美國賣，得到的評價是：動力性不足，要求換電機。載荷一樣的情況下如何讓加速率更大，唯一的方式，就是把重量做輕。

輕量化設計的核心

第一，結構變化。打個比方，可口可樂的瓶子，軟的跟紙似的，但是它做到了極致，放桌上很穩，擰蓋子的時候能打開，因為在頭部和尾部加了很多筋，這個就是結構設計。

第二，連接技術。很多人說，鋁合金很簡單，我也會做，但是鋁合金工程化很差，只要不是自動化線，因為工人不同的操作，導致一致性很差。

第三，CAE仿真技術。金屬是規律排布，我們可以預測它的破壞、失效模式。但復合材料比較復雜，汽車行業對復合材料的掌握還沒有金屬材料那么成熟，CAE的仿真計算發展得非常快。

第四，材料發展。我們的材料發生了翻天覆地的變化，10到15年間有了很大的發展。

有了這四條，我們才有可能講一講輕量化設計，如何設計得更輕、更結實。

輕量化的設計要點

載荷要合理。從結構上來說，不同的材料有不同的用法，載荷要合理，假如這個車的上邊梁和A柱要焊在一塊，焊的過程中如果沒有考慮連接，載荷到連接處一定會發生剪切。我們計算的時候，理論上認為這個力通過它傳遞了，事實上一邊截面小，一邊截面大，焊過來有偏移，從力的中心發生變化就發生扭轉，就很容易破壞。所以，力要直接在我們的主力面上，第二，如果有可能，我們要盡量做對稱設計，為什么要對稱設計呢？因為不對稱就會發生扭曲。

三明治材料。我們知道“三明治材料”，也就是復合材料，其實我們面前的桌子就是三明治材料，中間一層木屑，上面貼層膜，下面貼層膜。這種材料有一個好處，好處在哪呢？它是中空的，就是截面有一個空腔，對于扭曲、彎轉都有很大的好處。

輕量化結構。舉個例子，特斯拉的幾個連接件是真空壓縮件，做得非常漂亮。它的件壁厚僅為1.2毫米，而我們常規件大概在4毫米。

曲面和加強筋。有的時候承載件我們要把它做成曲面，就像日常見到的拱形橋一樣。我們平時開的車，我幾乎沒看到過頂蓋是平的，通常上面都會有一些形狀，這個形狀的目的，不僅是為了好看，最主要的目的是為了改變它的剛度，通過曲率，加上截面結構，增強彎曲剛度，扭轉剛度和屈曲變形。

集成。上圖為案例。

二、汽車輕量化策略

輕量化的目的就是性能要最大化，重量越小越好，成本越便宜越好，這個時候客戶的價值才能最大化。輕量化的途徑一定是更好的材料、更好的結構、更好的工藝。

材料、結構、工藝互相聯系。我們國家的高鐵是擠壓型材，而且是非常大的擠壓型材，用的什么工藝呢？每節車廂其實是一個件，地板從頭到尾是一塊料，窗戶也是同一塊，稍微折一下把車送過去，中間地板一焊，所以材料出來了，選擇結構和工藝，都是相輔相成的過程。

奧迪A8在2010年的時候車身是92%的鋁，2017年的時候鋁降到了58%。每家公司都有自己的戰略目標和總體定位，比方說比亞迪就認為它做輕量化主要的目標是鋼、鋁，還有一點點鎂、塑料，碳纖維不是他考慮的重點。又比如寶馬，他們都做了很多投入，未來他會用大量的，他可能會用到碳纖維、鎂合金、鋁合金，同時會把鋼的比重降低。再來看特斯拉，特斯拉用鋼量非常少，未來他會把碳纖維和鎂合金大大增加。

從整個做車來說，我們知道第一是安全。但安全性是會增重的，比方說改變耐久性，滿足美標的NVH碰撞法規，滿足C-NCAP碰撞法規，還有NVH模態、剛度、風阻各方面，都會增加重量。再就是功能，比方說全方位360度骨架、自巡航，都會增加重量。因此我們要把它減掉，第一個方式就是材料，材料完了以后才是結構優化，優化是什么呢？比如傳遞路徑、截面。

合資品牌和自主品牌很重要的區別是A柱，自主品牌A柱往往比較粗，合資品牌的A柱比較細，這樣截面的大小就不一樣了。我以前開比亞迪的車，轉彎的時候要不停地看，因為這兩根柱子擋了我的視線。德國車柱子就比較細，基本上看一眼就可以了。所以自主品牌的車會更重，為什么？面積×長度×密度=重量，截面面積越大，重量越重。

再一個就是連接技術，連接技術這塊很重要。比方兩塊鋁板，在焊裝車間搭起來，焊的過程中我們會說到翻邊尺寸，能夠接到多小的翻邊尺寸，這個就是連接技術。、現在大多數主機廠可以做到14毫米，再好點能夠做到9毫米、7毫米。14和7是一倍的關系，減到7毫米的話，我們一臺車就可以減少好幾十公斤。

還有一種連接技術：激光焊。焊接是有翻邊的，而激光焊直接拼起來，沒有翻邊了，所以它會變輕。而且還有一個好處，它的扭轉剛度更大，因為本來是點接觸，現在是整個線和面。

總結一下，安全性、NVH、功能這三個方面的增重，我們目前希望通過材料、結構優化、工藝制造降下來。

三、整車開發流程及輕量化技術應用

1. 輕量化在整車開發中的三個階段

輕量化在不同的開發階段有不同的開發手段，根據整車開發的特點，主要有如下三個階段：概念設計階段、方案設計階段、詳細設計階段。

概念設計階段要把市場語言轉化為工廠語言。比如一款車要面向高端白領，要有好的駕乘體驗，可以在路上辦公，這就是市場語言，轉換成工廠語言就是一系列指標：車加速性能、整備質量等。概念階段會把技術路線確定了，因此這個階段決定了項目難易程度和成功概率。

一旦定了技術路線就進入方案設計了，需要測算技術路線的可實施性。比方說，技術路線定了采用鋁合金材料，A柱門檻中間的橫梁，絕大多數的合資品牌包括凱迪拉克CT6、特斯拉，都是很大的鑄造件，但要花幾千萬鑄造模具或者到德國去做，成本下不來，而且車的預計銷量也沒有那么多，這個時候就要找替代路線，重新制定切實的方案。

到了詳細設計階段。型材斷面的形狀是“日”字形、“米”字形、還是雙“木”形，中間的壁厚是等壁厚、單壁厚、還是中間薄，對我們來說都是很大的考慮。

2. 輕量化設計手段

• 材料：概念設計結束后我們就開始選擇材料，材料選擇涉及到車身、內飾、外飾、底盤、三電，通常我們會建立材料模型，benchmark部門還會拆車。很多鋼板拆完以后我們并不能一下子知道是什么型號的材料，所以會做一個光譜實驗，再做一個力學實驗，最了不起做一個金相實驗。舉例來說，DC01和DC03這兩種低碳鋼材料，從材料的元素表來說非常接近，本身就是很模糊的概念。這時候我們就要看拆的是哪個位置，如果拆的是輪罩位置，通常有比較大的拉延深度，材料多半是DC03，如果是頂蓋位置，那就是DC01了。

• 結構：

1）車身骨架輕量化

車身骨架最好是一個閉合的截面，形成封閉式，也就是所謂的“環狀”路徑。我們國家的商用車中，最不安全的是大巴，通常乘用車都有正碰側碰柱碰等一系列碰撞試驗，而大巴在法規上沒有碰撞要求，只有一個翻滾實驗。車的結構分為兩大類：承載式車身和非承載式車身。承載式車身就是每個件承擔一定的載荷，非承載式車身主要靠車架承擔。絕大多數大巴都是非承載式車身，下車體非常結實，上車體支撐很差。怎么加強車身骨架支撐呢，我們就會做“環狀”路徑，在大巴的立柱1、立柱2，立柱3（相當于乘用車的A、B、C柱），地板、側圍、頂蓋上用柱的方式加強，形成“環狀路徑”。

2）車身斷面輕量化

第一，優化零件斷面結構，增加斷面剛度與強度。不同的鋁合金，自然失效、人工失效，得到的效果和性能是不一樣的。比方屈服強度是110兆帕，還是140兆帕，抗拉強度是240兆帕、還是280兆帕，兩種材料都能用，手掰沒什么區別，做成車身的時候，斷面的結構，剛度與強度都是不一樣的。

第二，改變零件承力力矩，縮小關鍵部位變形。假設兩根柱子，一頭一尾連接起來，如果他們的中心線不在一個面上就會產生力矩，發生扭轉。

第三，增加吸能結構，改變材料強度搭配，是潰縮區域遠離乘員，保護乘員安全。

3）零件搭接結構優化

零件的連接越來越重要，越是新的材料，對于連接的要求越高。比如傳統鋼材，可以用很簡單的焊接。但碳纖維結構就需要膠粘了，在一致性上就有很多的問題。所以零件的結構優化，第一，增加傳力結構搭接面接觸面積，減小應力集中的現象，第二，縮小搭接邊，配合先進連接工藝，實現減重。

• 工藝制造：先進的材料、優化的結構需要相應的制造工藝。比如現在新能源車有很多鋁合金型材的，前機艙沒有電機了，電池跑到后面去，電機里有一樣東西是要存在的，加制動液的時候需要人機這一塊，包括擠壓、輾壓、鑄造、冷沖壓、液壓、熱成型等工藝，還有一些改善性能的工藝設計，比如輥壓實際上是一個提升性能的工藝，輥壓充分利用加工硬化材料的原理，用工藝來改變它。

3. 輕量化優化手段

材料優化：從材料角度上來說有幾個，材料模型、彈性。我們的工程師、產品設計工程師都需要熟悉。如果要做拉桿，要算剛度、強度。怎么做這些事，用哪些指標評價，怎么來選擇材料，從這個角度上需要了解基礎的數據。沖擊載荷這些的計算很簡單，把基本的材料參數輸進去，計算出來，做一個對比，就可以知道哪種材料是最優化的，再把工程制造性加進去，選材就完成了。

結構優化：結構優化的設計方法包括：尺寸優化、形狀優化，拓補優化、形貌優化。接頭也非常重要，現在做鋁合金型材，做門窗都是非常有實力的供應商。門窗也是很大的學問，蓋五層樓的房子和蓋五十層樓的房子，窗戶接頭很關鍵。所以鋁合金型材的優點在哪兒呢？它可以把結構做的非常復雜，而做這個很重要一點，接頭。我們車也一樣，一定會滿足幾個性能，我們通常講的，彎曲剛度，車過坑的時候會扭轉，所以它的彎曲剛度，剛度是抵抗變形的能力，所有這些東西取決于我們的接頭，接頭很重要。

工藝優化：熱成型工藝原理非常簡單，就是把鋼板加熱到一定溫度，快速的脹火即快速冷卻，快速冷卻以后就會形成了非常細小的片狀馬氏體，然后再處理出來，還有高壓鑄造。

接頭優化：所有的機械式的連接有一個優點，并不是它的強度有多么高，而是它的一致性比較好。