想要取代钢铁在车身材料中的主导地位，轻量化材料要能够将成本控制在可承受范围之内，符合条件的并不多
文/本刊实习生 王斌斌 编辑/施智梁
如果把动力总成比作汽车的心脏、智能系统视作大脑，车身的材料就是肌肉，除了电气化、智能化，现在汽车界还流行起了轻量化，就是把车身的材料从钢逐步向铝过渡。
按工信部要求，2020年国产乘用车平均油耗要降至5.0L/100km。时间紧、任务重，减轻车重是最直接有效的降耗减排手段。据美国能源部以及多家轻量化材料供应商的测算，燃油车重量每减少10％，可省油5％－8％。
发展零油耗的电动汽车来把平均油耗拉下去则是另一种方式，由于电池具备较大的重量，为增加续航里程也得打造更轻的车身。
减车重、降油耗、续里程，国内的轻量化车型正在逐渐增多，车身以铝代钢是主流。凯迪拉克CT6、国产捷豹XFL等铝合金车身的燃油车型先后落地，奇瑞小蚂蚁（eQ1）作为国内率先采用铝制车身的新能源车型在3月份正式上市，蔚来汽车等新造车企业的首款量产车也多选用铝制车身。
但相比国外，中国汽车轻量化起步较晚，在材料、工艺和设计等轻量化研究上与欧美成熟汽车市场存在差距，在日益严苛的能耗要求下，国内轻量化技术正在爬坡追赶。
材料的抉择
新材料的应用是轻量化的关键，不过在未来5年－10年内，钢铁还是汽车制造的主要材料。
大部分受访专家都认为，轻量化材料的演进需要一个过程，铝材、碳纤维、复合材料等在汽车各部位将得到广泛使用，“但钢制车身仍将占据主导地位”。
为应对各种新材料的挑战，作为主流汽车制造材料，钢材自身正在努力减重，新型的高强钢、超高强钢不断研发并应用于汽车制造中。
宝钢股份汽车板技术服务总监、汽车板技术服务室首席工程师鲍平对《财经》记者介绍，“目前国内车型的超高强钢使用比较谨慎，平均比例略超5％，而欧美成熟汽车市场的应用比例在15％－20％之间。”换句话说，国内汽车钢板的使用还有很大的提高空间。
作为国内领先的汽车板提供商，宝钢集团在2015年11月发布其超轻型白车身——BCB（Baosteel Car Body），高强钢使用比例达78％。在减轻重量的同时，其整车正面碰撞等多项指标均满足中国新车评价规程（C-NCAP）五星要求，安全性很高。而在实际应用中，上汽通用迈锐宝XL的超高强钢占比已高达40％。
但钢铁的使用有局限性，其他材料供应商纷纷进入汽车制造领域。作为全球领先的铝压延产品制造商，总部位于美国的诺贝丽斯公司（Novelis）40年前已在欧洲的汽车行业开始尝试使用铝替代钢，到现在已有180种车型使用其铝材。
诺贝丽斯中国区董事总经理兼亚洲汽车业务副总裁刘清告诉《财经》记者，汽车做轻量化，钢的厚度不能任意减薄，其使用比重包括刚度的要求是有限制的。“所以未来5年－10年里，钢还是一个主流材料，但更多轻量化材料，特别是铝，在白车身（指完成焊接但未涂装、不包括四门两盖的车身）里占的份额会越来越多。”
想要取代钢铁在车身材料中的主导地位，轻量化材料要能够将成本控制在可承受范围之内进行大规模的工业化生产，符合条件的并不多。
就金属而言，美国能源部关注的镁合金目前因为成本及加工技术等问题，在车身上还难以低成本量产，目前主要集中应用于方向盘等车内结构件。而碳纤维尽管比铝更轻，比铁更硬，可成本高昂，除了BMWi3等少量车型进入大规模量产，碳纤维材料主要用在产量有限的高端超跑车上。
其他复合材料和工程塑料等在汽车上早已使用，“以塑代钢”也是厂商关注的焦点之一，也在向底盘、覆盖件等重要汽车零部件扩展，在我国，其使用率也呈逐年上升趋势。但硬度、强度和拉伸等性能符合造车要求的塑料研发难度巨大，同时塑料应用在关键部位尤其是车身上安全性和可靠性还需要时间检验。
上述的轻量化材质均是研发方向，也有潜力实现技术突破，但目前来说，铝是轻量化材料中成为主流材质的大概率选项。诺贝丽斯预计2013年－2020年，全球汽车用铝需求的年增长率约为25％。
在制造上，铝合金加工成型性能好，而且全铝车身的制造生产已有较长时间，工艺相较其他材料更为成熟。在目前技术条件下，全铝车身相较于钢制车身，最大减重可达40％，并且保证性能和安全性不减弱。
从成本上来看，铝制车型的售价涨幅在其目标消费者的接受范围内。《财经》记者从福特汽车公司总部获悉，全新一代铝合金车身的皮卡F-150上市时，入门款XL厂商建议售价上浮395美元，而豪华款Lariat车型涨价1045美元，价格涨幅1.5％－2.6％。
这与欧洲的经验类似，刘清以路虎最大的SUV为例，“整个材料成本增加也就1000欧元左右，相较于售价并不多，还有减重省下的油钱，消费者是愿意买单的。”
凭借这些优势，在百花齐放的汽车轻量化材料中，铝材或能最早脱颖而出，来挑战钢铁的主导地位。
轻量化“铁三角”
铁三角指车身设计、制造工艺和新材料。轻量化在汽车制造领域是一个系统工程，车身设计在结构上减重，制造工艺的创新能减少零件数，配合新材料的使用，这组“铁三角”的平衡才能达到轻量化的最优解。
车身结构的优化是在保证车身强度、安全性等前提下，通过优化设计来减少多余结构，提高材料的使用效率，进而减轻车身重量。越来越多的车企选用拓扑优化的方案，即根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在有限空间内对材料布局进行改进。
在2016年11月中国电动汽车百人会召开的第七次电动汽车热点问题研讨会上，奇瑞新能源研究院院长倪邵勇表示，奇瑞新能源轻量化车型主要是通过经验设计结合实车试验来完成，“希望可以通过拓扑优化的方式进一步提升产品各项指标”。
结合CAE等软件进行仿真模拟，设计人员确实能节约开发时间并帮助车企优化减重效果。相较于常规方法，湖南大学对电动汽车的骨架采用的轻量化策略可节约开发时间30天左右，多减重22.4千克。上汽通用的迈锐宝XL通过结构优化，单在车身部分就减重超过50千克。
制造工艺的改进和创新与前期设计息息相关，后者也在汽车轻量化中发挥重要作用。宝钢BCB白车身应用热冲压、液压、辊压和激光拼焊板等成形工艺，在实现车身轻量化的同时，整车性能不下降。
与传统钢板冲压件相比，全铝车身的成形工艺更为多样，包括型材挤压、折弯、板材冲压、铸造、锻造等。
作为国内领先的铝加工企业，中国忠旺在近几年也深入到汽车制造领域。忠旺集团（北京）技术与发展中心总监夏德伟告诉《财经》记者，“铝制挤压型材件与铸件设计灵活性大、刚性强，对于减少零件数量、零件减重贡献很大。”
据了解，如果将车门内外板包边的工艺应用到副车架的制造上，相关零件数量可以从八到十个减至两个。而钢铝等异金属连接需要有特定的工艺，焊接、铆接、粘接等优化后的连接工艺对于车身减重也很有帮助。
碳纤维虽然价格高昂，但总成的方式取得突破性进展。据意大利APS技术有限公司总裁王嘉在前述研讨会上的介绍，兰博基尼Sesto Elemento项目将传统结构中的48个零件替换成4个－6个大片，把前围、地板、后围集成为一个整体式座舱，工艺并不复杂，但减重效果突出。
在实际的轻量化应用中，材料、设计与工艺三者密不可分，许多特定的材料需要在特定的工艺和设计下才能够使用。
其中材料供应商扮演着非常重要的角色，无论是钢厂还是铝加工企业，它们大多从白车身设计开始就要前期介入到汽车公司的项目中去。
结合与全球众多知名汽车品牌长期合作的经验，刘清对《财经》记者透露，他们的产品尽管是材料，但提供的服务已不局限在材料本身，“要跟客户的研发设计、生产加工等相关部门深入沟通，进行前中期配合，做好售后服务”。
而在做轻量化设计及研发时，汽车企业需要针对不同的车型选用有针对性的轻量化材料来满足消费者的需求。福特汽车公司北美产品传播经理Mike Levine告诉《财经》记者，福特遵循的原则是每一个轻量化车型都是单独设计个案来进行研发设计。
因此，从材料供应商到加工过程中的设备供应商，再到汽车主机厂，设计、工艺和材料这个“铁三角”中的每个环节都需要保持良好的沟通和配合，做到各方面的平衡，汽车的轻量化才能取得更好的效果。
前路不易
在材料及其加工成本高企、国内工业水平和制造技术相对落后的市场环境中，如果政府不能严格执行能耗和排放政策法规，车企缺乏减重动力，推动轻量化技术的发展困难不小。
在2016年10月公布的《节能与新能源汽车技术路线图》中，中国汽车工程学会将轻量化技术的目标设为：到2030年，高强钢应用比例大幅增加，单车用铝量超过350千克，镁合金45千克，碳纤维使用量占车中5％，整车比2015年减重35％，也提出了材料、工艺和设计等多条路径，但要达到上述目标并不容易。
在燃油车方面，企业自身发展轻量化技术的内在动力有限。虽然部分车企宣传时会强调操控性等驾乘体验，但更主要的还是燃油政策倒逼他们加大投入轻量化。
就目前来看，为了控制成本，保证利润，轻量化技术多用在价格敏感度低的豪华高端车型。无论是铝材使用超过50％的凯迪拉克CT6、全铝车身捷豹XFL，还是刚进入中国的福特猛禽F-150，都是豪华车型，迈锐宝XL也是属于中高端车。
福特汽车公司总裁兼CEO马克·菲尔兹（Mark Fields）接受《财经》记者采访时表示：“大车型的消费者会比较在乎降低车身重量，这会增加很多性能，愿意为轻量化买单。但是在小车型不会有这样的考虑，这类消费者并不是最在乎这一点（减重），所以轻量化技术在中小型车上的应用还有待观察。”
虽然据欧洲铝业协会（EAA）的研究表明，对于传统燃油车，按目前汽油价格计算，不到两年即可从节省的燃油费用里收回铝替代钢增加的成本，但让价格敏感度更高的普通消费者短期内付出更高的价格，这个市场还需要更长时间的培育。
在商用车领域早就遇到了类似情况，蔚来资本合伙人张君毅告诉《财经》记者，随着供应的产品越来越多，铝制车身的价格自然下降。在乘用车方面，“目前车企高端铝制车身的制造工厂在中国并不多”，因此轻量化车型下探中低端车型或许仍要一段时间。
而且中国汽车铝板的生产企业还不多，诺贝丽斯在常州设厂投产，忠旺集团则在天津投建了铝板厂，但缺乏规模效应，高端汽车铝板的成本依然很高，需要更多企业参与进来，才能降低成本。
电动汽车企业对于轻量化的需求更为迫切，但同样也需要考虑成本。据悉，相较于前两款车型，特斯拉Model 3 的钢铁使用比例将明显提高。蔚来汽车今年3月与诺贝丽斯签订五年的合作协议，不过据鲍平透露，“蔚来汽车的部分后续车型也将增加钢材的使用。”
铝的回收利用一定程度上兼顾了节能环保和控制成本。诺贝丽斯和客户合作，对废铝进行闭环回收，而福特在生产过程中也设计加入了一个“散料再利用”环节——冲压废料然后再分类用于新产品的生产中，从而有效降低成本。
除了材料本身的成本，由于国内车企制造工艺和技术储备的不足，材料加工的效率较低，从而增加汽车零部件和主机厂的制造成本。而且新材料和新工艺的使用需要对传统设备进行改造，资金压力巨大。
此外，车企既要考虑制造的成本和便利性，还要考虑到售后维修的便利性。由于修理铝制车身的维修店目前还比较少，使用激光焊接技术的部位受损维修并不容易。这些新材料和工艺在维修保养上的问题一定程度也阻碍了轻量化的推广。
总体来说，国内现在的材料供应在品种、数量和性能上与国外有较大差距。夏德伟坦言，目前国内汽车用铝材与国外相比，在挤压型材上差距较小，在板材、铸件等铝材性能上仍有一定差距，但国内企业已经在努力追赶。
但无论是政府还是产业链上的各家企业和研究人员，都要认识到做产品和技术的开发没有捷径，中国汽车轻量化处于艰难的爬坡阶段。
如前述所言，轻量化并不完全是消费者需求和市场竞争导致的，政府的排放和燃油法规对企业的投入影响很大。张君毅认为，目前需要相关政府部门严格执法，“如果执法不力，对那些大力投入轻量化的企业是一种伤害”。
政府的奖勤罚懒能够给企业埋头苦干、拼命爬坡以动力，否则后果将是劣币驱逐良币，在汽车轻量化的发展上始终落后。
