萬字長文，不止蔚來！一文看懂汽車輕量化的過去、現在和未來

「這是全世界鋁合金應用率最高的量產車，也是唯一一款採用了航空級7003鋁合金的車。」蔚來汽車創始人李斌在ES8發布時信心滿滿的說到。

早在2014年，蔚來設立之初，就堅信輕量化一定是電動汽車未來的趨勢。3年的研發、打磨，蔚來ES8成為國內首個獨立研發並量產的輕量化全鋁車身平台。且在車身最關鍵的傳力路徑和承載部位上，ES8也使用軍工級7系鋁合金及多種先進連接技術。這使得ES8全鋁車身上鋁材的使用率高達96.4%，成為全球量產的全鋁車身中鋁材應用量比例最高的車型。因此，蔚來ES8集結了輕盈、堅固、安全等特性。

全鋁車身在蔚來汽車輕量化進程中功不可沒——能耗消耗只佔到新生產的5%；能耗過程中，可減少92%的溫室氣體排放；車身重量降低，提升配置的自由度，預留了充足的空間；能耗降低8%-10%，污染物排放減少7%；剎車距離減小3米，動能降低10%；百公里加速減小0.5秒，有效負載增加130kg。

ES8的白車身採用源於飛行器的全鋁架構平台

圖片來源於易車網

那麼就讓我們以蔚來ES8為契機了解一下什麼是汽車輕量化吧！

汽車輕量化的概念就是在保證汽車的強度、剛度、模態以及安全性能的前提下，儘可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性和操控性，減少燃料消耗，降低排氣污染。

汽車輕量化始於發達國家，最早由傳統汽車巨頭引領，經過發展已產生一定規模。汽車行業都是通過優化汽車結構和零部件的用材，選擇合理的製造工藝，讓合適的材料、最優的結構形狀和尺寸用在汽車合適的位置，充分發揮每一部分材料的承載、吸能、加強等作用，來有效減少汽車重量。

汽車輕量化最早出現在賽車和超級跑車身上，通過在車身結構上鋁合金、鎂合金代替鋼材料方式，減輕整車的重量，從而降低車輛的慣性，使得賽道上不管在減速、加速、還是過彎道、更快而更靈活，而且輕量化的運用，還會使得整車的重量分布更為均勻，提升賽車和超跑的操控性。

圖片來源：http://www.fengsung.com

Rezvani在2015年發布了一款輕量化跑車Beast X，全車大量採用碳纖維材料，車身重量僅839公斤。

而在近來越來越多的企業在宣傳新車型的時候，往往會將輕量化作為重要的宣傳方向，為什麼市場越來越看重汽車的「輕量化」呢？

隨著汽車保有量的逐年提升，汽車已經成為石油的消耗主體。因此我國為應對石油供應、全球變暖、霧霾等能源及環保問題，嚴格制定了乘用車燃料消耗量標準法規，對乘用車燃料消耗量及應對二氧化碳的排放提出了嚴格的要求。

新修訂的《乘用車燃料消耗量限值》標準對我國汽車的燃油消耗作了上限規定，並分兩個階段實施。標準第一階段實施後我國現有的汽車油耗水平將降低5%-10%，第二階段實施後油耗將比現在降低15%以上。每年將設置油耗達標值，到2020年汽車燃油限值將從2015年的6.9L/百公里降至5.0L/100公里，年均降幅達6.2%左右。

要實現節能降耗，汽車企業可以通過發展新能源汽車、調整產品結構、研發高效驅動系統、汽車輕量化等多種方式。其中，輕量化是汽車企業最易於採用並最為有效的方式。車身運行過程中，汽車牽引力需克服三個主要阻力：空氣阻力、地面摩擦力和速度變化帶來的慣性。慣性和摩擦力與車重成正比。汽車質量的降低可以大幅減小這兩大阻力，起到提升汽車燃油經濟性的效果。據了解，車身自重將消耗40%以上的燃油，而試驗顯示，汽車質量每減輕100千克，每百公里的燃油消耗將減少0.4-1升，汽車的自身質量每減少10%，燃油的消耗可降低6%-8%，汽車的廢氣排放也會有明顯降低，而且汽車輕量化對消費者所關注的安全性能、操控性能、環保性能等指標都有重要意義。

汽車中占自重90%的6類材料大體分為：鋼，鋁及鋁合金，鑄鐵，塑料，複合材料，陶瓷及玻璃。用新型板材及輕型材料替換車身骨架及內、外壁板是原有鋼材實現車身輕量化的的重要途徑之一。

圖片來源：http://jckx.jc.gansu.gov.cn

選用新材料，包括高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料、複合材料等輕金屬替代鋼鐵材料是汽車發展的重要方向，也是世界各汽車大公司爭相開發的材料重點方向。

數據表明，汽車金屬材料市場在2017年已增長至近600億美元。目前，北美汽車輕量化材料是全球最大的市場。預計該地區的年複合增長率約為 5.6%，在2021 年達到362.3 億美元。歐洲是全球第二大市場。而亞太地區輕量化材料市場將是這個行業中發展最快的地區。

在中國新能源汽車的高速發展的背景下，汽車輕量化用材進入高強鋼與鋁、鎂混合應用的階段，2017年中國汽車行業的輕量化舉措也取得大量進展。

表 各車企輕金屬應用情況

高強度鋼

目前鋼材仍是汽車輕量化的主角，鋼鐵企業和汽車製造企業合作研發高強度汽車用鋼仍是實現汽車輕量化的主要方式之一。目前國內對於高強度鋼的利用率僅有40%，而在國際上這個比例則高達70%。現在高強鋼的推進工作不到位，在實際應用上，存在著汽車企業不願意去推動的現象，由於更換新材料，在設計和工藝上需要重新設計，因此存在著成本和技術風險。

國產新速騰材料分布圖（紅色標註的熱成型鋼所佔用的比例為10%）

圖片來源：www.sohu.com

寶馬(BMW)推出的純電動汽車在量產車中率先採用了碳纖維車體，碳纖維一直有著汽車輕量化殺手鐧之美譽。該車使用碳纖維取代了車體材料中過去最常用的鋼鐵。碳纖維以僅有鋼鐵4分之1的重量，實現了足夠的強度和耐久性。

纖維材料技術目前主要研發企業包括KANEKA、積水化學、豐田、東麗、帝人、住友化學、戴姆勒、拜耳等，技術方向涉及碳纖維增強複合材料的製備及應用、擠壓成型技術及裝備、與其他材料的結合使用等。此類材料主要是應用在結構及非結構部位，包括底盤、無骨架車身、車頂、地板、引擎蓋、擋泥板、保險桿等。

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然而目前碳纖維的廣泛使用依然存在著五大挑戰：成本高、循環周期長、加工成本高、設計和工程開發難度大，缺少成熟的資料庫、材料回收困難。

數據表明，2015~2020 年間車用塑料的預期複合年增長率預計可達 15.4%. 到2020 年，全球汽車塑料市場複合年增長率預期可達13%。隨著汽車輕量化需求擴張，車用塑料正進入蓬勃發展時期。據悉，目前汽車零部件早已使用了大量塑料零部件，包括保險杠、輪罩、牌照板、儀錶盤、門板、旋鈕，甚至發動機罩、進氣系統等。

表 塑料在汽車輕量化中的應用

據中國汽車工業協會，我國2017年汽車產量2900萬輛，同比增長3.5%，過去5年的年均複合增長率為6%。汽車塑料用量大約在100~220Kg/輛，預計隨著新材料的快速發展，到2020年每輛車用塑料可達500Kg。按照每輛車用塑料200Kg測算，單車塑料的成本單價約3212.3元，按照一般原材料佔總成本比例約50~70%測算，計算可得單車塑料件的價值約4589~6424.6元。按2900萬輛的年產計算，國內汽車用塑料件的市場空間為1330.81~1863.134億元。

在汽車中不同的部件所使用的改性塑料也會基於結構的需求和材料特性進行選擇。

◆先進加工工藝在汽車上的應用

應用在汽車輕量化中的新型生產工藝主要包括激光拼焊板技術、TRB 軋制板技術、液壓成型技術、超高強度鋼熱成型技術、新型連接技術。

①激光拼焊板技術

汽車門框傳統加工工藝

汽車門框激光拼接焊板工藝

據統計在汽車製造中採用激光拼焊板材後，可使零件數量減少 19％，零件重量相對減輕 24％，焊點下降 49％，生產效率提高 24％。

② TRB軋制板技術

TRB 技術的減重效果比激光拼焊接更好，除此之外，不等厚鋼板的力學性能變化連續、適應性強，過渡區不存在壓力峰值等特點。

③ 液壓成型技術

液壓成形技術採用液態物質作為施力介質，使坯料在施力介質的作用下，貼合凸摸或凹模面而成形。其工藝如下圖所示，與傳統的液壓成型工藝相比能夠降低 11％的零件成本，並能減輕 7.3％的質量

④ 超高強度鋼熱成型技術

乘用車為提高主動安全性，越來越多地在主要安全件中採用超高強度鋼。其抗拉強度和屈服強度可分別達到1500MPa 和1200MPa，因此熱成型鋼在汽車車身中的運用提高了車身整體安全性，在碰撞中對車內人員起到很好保護作用。高強度的熱成型鋼可以在保證安全性的前提下減少汽車中鋼材的運用量，從而減輕汽車質量。

⑤ 其他工藝處理

膠接技術在汽車工業上的應用，不僅能連接不同的材料，如非金屬與金屬、複合材料；還可以提高抗衝擊性、耐疲勞性、結構的韌性和耐腐蝕性，同時還有到增強隔熱減振、汽車結構、緊固防鏽，能夠取代某些部件的焊接和鉚接等傳統工藝，達到減輕質量、簡化組裝工序、提高製品質量等效果。

① 碳纖維材料的應用

2017年6月22日上午，康得新、康得復材與蔚來在上海舉行智能電動汽車碳纖維部件量產定點採購協議簽字儀式，康得復材將為蔚來提供大規模的碳纖維複合材料總成部件，價值高達十餘億元人民幣。

圖片來源：蔚來官網