车身材料与车身轻量化

2024年1月4日发(作者：沃尔沃xc90二手)

车身材料与车身轻量化

董学锋

【摘 要】本文依据汽车质量与燃油消耗量的数据,统计分析了中国乘用车的燃油现状及与汽车质量的关系;基于欧洲车身年会资料及其它信息,研究车身材料现状与趋势、分析探讨车身轻量化度、扭转刚度、轻量化指数等性能指标与车辆级别(大小)的关系,初步建立车身轻量化度、扭转刚度、轻量化指数等性能指标的等级划分,给出性能趋势线和等级图线;借助外部资料,说明轻量化材料引起的附加成本是汽车产品轻量化的最大挑战.

【期刊名称】《汽车工艺与材料》

【年(卷),期】2017(000)007

【总页数】18页(P1-18)

【关键词】车身材料;轻量化度;主参数及性能评价

【作 者】董学锋

【作者单位】中国第一汽车股份有限公司技术中心,长春 130011

【正文语种】中 文

【中图分类】U465

近年来对雾霾的研究结果表明，造成雾霾的主要因素是燃煤，机动车排放也是重要原因之一，尤其是柴油机动车，其黑色颗粒物是机动车排放的主力源，随着大气中CO2的占比加大，温室效应初显，年平均气温增加，改变了气候与生态。我国已连续8年成为世界机动车产销第一大国，机动车尾气污染已成为空气污染的重要

来源，是造成细颗粒物、光化学烟雾污染的重要原因，污染防治迫在眉睫。

未来5年预计新增机动车1亿多辆，汽车排放的CO、碳氢化合物、氮氧化物和颗粒物将成为最主要的污染物。监测表明，随着机动车保有量快速增加，我国部分城市空气开始呈现煤烟和机动车尾气复合污染的特点。根据第一批城市大气细颗粒物源解析结果，大多数城市PM2.5浓度贡献仍以燃煤排放为主，但部分城市机动车排放已成首要来源。北京、上海等超大型城市及东部人口密集区，移动源对PM2.5浓度的贡献率达20%～40%。在极端不利条件下，贡献率甚至会超过50%。加大对机动车排放的控制程度，有助于缓解污染的严重程度。研究表明，在我国中东部地区二次颗粒物对PM2.5的贡献常常高达60%。虽然机动车尾气中所含的一次颗粒物浓度不高。但尾气中含有的氮氧化物、挥发性有机物等污染物，反应后产生大量二次颗粒物，成为PM2.5的重要来源之一。此外，氮氧化物和挥发性有机物发生光化学反应，还会产生臭氧等氧化剂，使二次颗粒物呈爆发式的增长。

汽车的排放与燃料的消耗成正比，所以控制了燃料消耗，就控制了排放，然而，汽车的燃料消耗与汽车质量成正比，因此，控制了车重，也就控制了部分燃料消费，因此汽车减重也是节能减排的重要途径之一。乘用车内部尺寸相同情况下，质量越轻越好，汽车轻量化的本质是要车的质量尽量小，即车的每一个部件都尽可能减重。

整车质量以及质量在车内的分布是影响行驶特性和耗油量的重要因素。这些因素同时也会影响汽车安全性、载质量和总能量的平衡，尤其体现在车辆的灵活操纵性能。

2.1 行驶阻力与燃油消耗

正在行驶的汽车必须克服各种阻力，以达到一定速度，或超越和保持这一速度。这些阻力是空气阻力、滚动阻力、爬坡阻力和加速阻力。各种阻力定义如图1所示。

式中，ρ为空气密度，v为车速，Cw为风阻系数，A为迎风面积,fr为为滚动阻力系数，λ为汽车旋转质量换算系数。

因此，汽车速度和质量是这一计算的最主要影响因素。图2表示汽车阻力与车速

及路况的关系，图2a是空气阻力和滚动阻力与车速的关系。从中可以看出，当车辆的速度达到某值（等能车速）后空气阻力将大于滚动阻力，即空气阻力消耗的功率大于滚动阻力消耗的功率，通常在高速路或郊区道路行驶时大于等能车速，此时空气阻力对油耗影响最大。在市区行驶状态下，车速起决定性影响。图2b为不同行驶状态下各种行驶阻力所占的百分比。

市区行驶约92%的阻力都与质量相关，郊区行驶时约为55%，而高速路行驶则为30%左右。这些关系对于传统汽车和替代燃料汽车都适用。图3以E-Golf为例说明阻力和功率需求对行驶里程的影响。若质量减少10%（减重155 kg），将比原来100 km的行驶里程多9km。

对汽车油耗的测定，各国测试方法不同，中国和欧洲一样，与美国和日本不同。在试验的转鼓台架上，按图4a的车速时序图运行，测定燃油消耗量；车速时序图中包括4个市区行驶循环和1个郊区行驶循环，循环总长度相当于行驶11 km，总时间为1 180 s，最大车速为120 km/h，总平均车速为33.6 km/h，在4个市区行驶循环中测出的油耗称为市区工况油耗，在郊区行驶循环测出的油耗称为市郊工况油耗，总体平均油耗称为综合工况油耗。在中国销售的汽车，这3项信息可在中国汽车燃料消耗量网站查到，新车在上市前6个月须上报。汽车出售时，随车有一张黄色的“汽车燃料消耗量标识”卡，在标识中注有整车整备质量、功率、燃油消耗量（市区工况、综合工况、市郊工况）等多项信息。图4b、图4c是中国燃料消耗量法规限值年度实施表和限值图，是强制的，新上市的车辆必须达到或更低。

2.2 中国市场2015年在售车辆的油耗状况

在中国，汽车行业相关规划每5年为一个时间长度，2016～2020年的规划，通常以2015年的数据为基准，如中国的《节能与新能源汽车技术路线图》等，都是以2015年为对比基准，本文统计归纳2015年上牌车辆的燃料消耗量数据，并按

车型种类分开，以整车整备质量为横坐标（X），以综合工况燃料消耗量为纵坐标（Y），分别得到三厢轿车、两厢轿车、SUV、MPV的油耗状态见图5，通过趋势分析，得到各自的平均油耗趋势线，并在图中给出了平均趋势线的公式，也给出了±1L/100 km、±2L/100 km的等差油耗线族。按公式可以简单理解为，对于三厢轿车、两厢轿车、SUV和MPV4种车型，每降重100 kg，节油量分别为0.37L/100 km、0.31L/100 km、0.46L/100 km和0.45L/100 km。

在车辆开发过程中，对车辆提出的大量要求是导致车重增大的一个重要原因。首先，安全性和舒适性方面的更高要求使质量增加。而对动力性、燃油经济性和操纵灵活性的要求通常又不允许车辆太重。针对各项问题采用不同的轻量化方法可使车辆的质量减轻，但并未解决实质性问题。质量递进式增加原理是指由于舒适性和安全性技术要求导致车身质量增加，进而须将底盘（行驶机构）设计得更加结实。因为车身质量增加，必须对动力学进行匹配。需要功率较大的发动机才能达到相同的行驶性能，功率较大的发动机又需要一个较大的燃油箱，导致质量进一步增加。而底盘、发动机等又固定在车身上，车身须要联接较重的部件，这就需要对车身进行重新加强，由此就会导致汽车质量呈螺旋式增加（图6）。为防止质量呈螺旋式增加，首先应挖掘车身的轻量化潜力。若车身质量减轻，则行驶机构的结构强度可减弱，且动力性也可降低。动力性减小，在行驶里程不变的条件下。则燃油箱也可变得更小，这样就能实现质量螺旋式上升的逆转，从而减轻新车质量（图6）。

现在汽车工业的开发流程迅速而有效，因此必须在策划阶段准确定义出未来产品的所有特性，包括主要参数、整车整备质量等。对于全新车型的开发，需要对车辆的功能和性能以及成本目标进行定位，这与其它目标有直接影响，将影响到所有与产品相关的各环节（如市场营销、管理、开发和生产）的重要目标。确定质量目标是产品开发决策过程中最大的挑战之一。因为相互依存，所以质量目标并不是一个可任意选择的变量，而是一个复杂过程的结果，其基础应该是通过企业具体的轻量化

结构策略推演出来的，最适合的车重是满足法规、生产和客户权衡之下的质量目标。

汽车不断地改型换代，整车系统始终位于质量驱动螺旋式增加中。各种因素会导致车辆质量增加，其中，严格排放限制和碰撞要求的法规具有优先权。另外，需满足客户更高的性能、更好的舒适性、全方位的安全性和理想使用价值的愿望。对油耗和质量具有双重负面影响的例子是全轮驱动系统。这不仅导致系统超重、油耗增加，而且附加摩擦副和旋转质量还会导致额外的功率消耗。例如，2012年的某SUV，全轮驱动质量增加75 kg，全轮驱动增加油耗1L/100 km。发动机涡轮增压技术增扭也增重，扭矩的增加导致相关部件要有加强措施，由此衍生的是每10 Nm的扭矩增加需额外增加质量0.5 kg来换取。以2013年的奔驰S级换代车身开发为例，新车吸纳了客户的需求，同时受竞品引导和法规要求的限制，需要

在碰撞安全、NVH等方面有所提高，为此白车身质量增加43.5 kg。若不想危及市场地位，必须通过轻量化措施使汽车质量保持不变或更轻，从图7a可知，通过采用铝结构来平衡质量的增加，通过对白车身采取多项轻量化措施，成功降重50.5 kg，最终获得白车身降重7 kg的总体效果。图7b沃尔沃XC90的车身轻量化开发也是一样，为了改善安全性（增重15 kg），进一步控制振动噪声（NVH）（增重14 kg）和更大的空间（增重9 kg），采用各种优化措施共降重60 kg，最终实降22 kg。中国近年SUV畅销，但SUV/CUV因车身抬高而加重，图7c是道路车型（TOURON、POLO）因抬高变为越野车型（CUV）而质量增加114

kg和61 kg。

从图8汽车整车质量占比分析可知，车身处于质量的顶端，也是最大的总成，所以乘用车的降重部件路线图是先从车身入手，车身轻了，底盘的支承力减少了，底盘可以轻一点，底盘车身轻了，发动机动力可以小一点，油箱也可小一点，从而实现降重的良性循环。受篇幅限制，本文只针对车身轻量化展开，以掌握的相关资料及近年欧洲车身年会中的数据为基础，总结与分析。

演绎2015年奥迪汽车公司提出的车身材料轻量化分级的概念，图9将车身材料轻量化按从易到难分成两个部分，共5个级别，第1部分是几何设计的轻量化，第2部分是材料的轻量化设计。几何设计的轻量化只有1个级别，属于车身材料成分和性能都不变的设计，在车身材料轻量化的方向上，材料本身对降重没有贡献，所以定义为“0”级，主要是基于解决潜在的冲突，考虑造型、结构布置和生产制造（工艺性）等方面的矛盾问题。车身材料轻量化有4个级别，即1～4级。

a.1级，原材料的性能提高。材料种类没变，只是改变了材料的成分和组织，从而提高了材料的性能级别，比如，采用热成形钢（PHS）、先进高强钢（AHSS）、超高强钢（UHSS）等，通过钢的性能提升、强度提高，使材料厚度相对原材料减薄，达到了降重目的；通过强度、刚度及碰撞安全等方面的计算与优化，在关键部位用热成形钢替换，有10～15 kg的轻量化潜力。奥迪A3就是此级别的典型例子。在中通道、门槛梁、后横梁和B立柱等部位用了热成形钢。达到了可观的降重效果，如图10所示。

b.2级，活装件的材料替代。在车身上的活装件是指车身本体焊装完成后安装固定上的部件，主要指发动机罩、前翼子板、行李箱盖或后背门、两个前门和两个后门等后固定的、可折卸的部件。相比而言，对车身的主性能影响不大，用铝合金等轻质材料替代钢制件，实现活装件的材料轻量化，可降重10～18 kg。如2011年的奥迪A6就是其中的例子，如图11所示，整个车身总成降重30 kg，其中车身本体降14 kg，四门两盖等活装件降16 kg。

c.3级，大总成的材料替代。不仅限于2级中所提的车身活装件的材料代用，而是延伸到车身的本体结构上，轻质材料（铝等）的代用进一步体现到车身本体的大总成中，实现部分焊接总成或覆盖件的代用，车身本体中的材料代用是车身材料轻量化的技术突破；车身本体是车身的基础，刚度、碰撞安全和车身耐久等重要性能指标都隐含其中。2014年奥迪TT就是这样的例子，如图12所示，在上部车身、侧

围内外板、A柱和顶盖等用铝合金板替代。2014年款比2006年款整车总共降重50kg。

d.4级，车身整体的材料混合。在3级之上又有提高，用多种轻质材料恰当混合用在整个车身结构中，做到“合适的材料用在合适的部位”，达到全面合理的降重水平，在整车和车身的结构与性能方面进行全面考量，追求材料利用最佳化。

如图13和图14所示，2015年Q7基本达到了车身材料轻量化的4级位置，在Q7的车身结构中，首先在车身的结构交汇点淘汰钢板冲压的叠拼组合结构，而用铸铝件进行功能集成，同时加强了局部和整体刚度，整个车身有多个铸铝件分布在交点或交角处如图15所示。后门的加强脊如图16所示，整个加强脊上有第三座椅安全带固定用、天线固定用、气囊固定用等多项功能于一体，该铝合金的结构部件不进行热处理，靠自然硬化，所以没有热变形。在结构设计中，兼顾最大载荷和整体刚度，利用美学拓扑的状态模拟方法进行结构优化，与钢板冲压的叠焊结构相比，这个复合功能的铸件不但确保了整体和局部刚度，关键是减少了7个部件，减重7 kg。实现了在刚度、碰撞和吸能的3个相关结构中寻求综合平衡。承载式车身是乘用车的主流车身，承载式车身本身的性能是整车性能的基础，其车身刚度对高速下的操控性有重要影响，在刚度相关结构中，强化整体框架，以铝代钢时，在必要的位置加大断面模量，确保弯曲刚度和扭转刚度不降低，或有提高。在碰撞结构中，保证中厢（乘员舱）有足够的抗撞能力，不伤害到乘员。在车厢内的地板横纵梁、A柱和B柱，大量使用热成形钢板，在纵向或横向的撞击下，变形小，保护乘员舱。在机舱前纵梁和行李箱后纵梁上，碰撞后需要有很大变形，以吸收更多的碰撞能量，确保传到中厢的能量尽量少。在奥迪Q7中，选用了铝型材以便在碰撞变形中吸收更大的能量。

在奥迪Q7中，车身各种轻量化材料的质量占比如图17所示，分别为普通钢占38%，热成形钢占10%，铝板占36%，铝型材占4%，精密铸铝占12%，可以说

Q7设计结构精巧，是轻量化开发的典范之作。车身最终实现减重71kg，如图18所示。

汽车车身材料主体是钢板，通过冲压、焊接形成所谓的白车身，再通过涂装和总装形成整车。但随着技术进步和材料变更，生产工艺过程也发生变化，比如宝马的I3，车身结构以碳纤维复合材料为主，在工艺上已不需传统的焊接和涂装。因为节能减排和减重的需求，钢以外的材料应用越来越多，表1是现在车身的主要用材，从下到上是塑料（包括纤维增强复合材料、热固性塑料、热塑性塑料和弹性体4类）、镁合金、铝合金（包括铝合金板5、6和7系，铝型材的6和7系，高压和低压铸造铝）和钢板（通过不同成分和过程，形成不同组织后，诞生了不同性能和级别的钢种）。图19是不同钢种的机械性能，除普通钢（LSS）外，还有高强钢（含 HSIF、BH、HSLA）、先进高强钢（含 DP、TRIP）、超高强钢（含CP、MS）和热成形钢（PHS）等不同抗拉强度和屈服强度的材料，对于强度较高的钢种，传统的冷成形已不可用，需要加热后进行冲压，也称为热成形。还有一种是不锈钢，在个别车身上有用。

车身材料轻量化是车身降重的有效手段之一，从目前看，轻质材料没有大量使用的根本原因是材料成本高，售价低的品牌用不起。

汽车用钢的性能提升及轻质材料的发展，为汽车的轻量化开发与生产创造了有利条件，每年一次的欧洲车身年会已成为车身发展的风向标，也是汽车企业展示技术与轻量化的舞台，鉴于车身材料构成的详细数据资料所限，以车身年会的资料数据进行分析，虽有以偏代全的嫌疑，但也说明一定的问题，作为发展的大趋势应该还是对的，将近几年的数据按钢、铝和塑料三大类，进行统计分析如图20所示，出于节能减排、汽车轻量化的需要，得出的基本结论是：车身用钢在白车身中的占比变化趋势是每代车（5～8年为1代）以2.38%的大趋势下降，铝材（含铝板、铸铝和铝型材）以每代车2.26%的占比在上升，塑料则以每代车0.165%的趋势在增加。

对汽车车身用钢进行再细分，见图21可知，热成形钢（PHS）、先进高强钢（AHSS），和超高强钢（UHSS）在车身中的占比分别是每代车增加0.88%、0.63%和0.018%，普通钢和普通高强钢（HSS）在每代车中分别以1.44%和2.48%的速率在下降。在图22汽车用铝合金的细分中，也见到6系铝板的增速最快，每代车的增长速率为1.46%，主要用在车身表面覆盖件上；其次是精密铸造铝合金，代增长率也达到0.54%，5系铝板的代增长率是0.25%，铝型材的代增长率最低仅为0.005%。

从上述材料占比的趋势分析中可知，由于将车身总质量设成了100%，从全钢车身向混合材料车身转变进程中，钢的占比必然是下降的，把近几年的展示车身按材料占比进行排名，分析各种材料在车身中的具体应用情况。

8.1 热成形钢的占比排序

随着时间推移、制钢技术的提升和高强钢材料的快速发展，先进高强钢、热成形钢的占比上升，热成形钢在车身中占比见图23，前5名分别是2014年沃尔沃XC90、2016沃尔沃V90、2012年奥迪A3、2016斯柯达Kodiaq[柯迪亚克]和2015欧宝的Astra[雅特]。

图24 和图25是2016斯柯达Kodiaq[柯迪亚克]的用材和减重情况，通过大量使用热成型钢PHS（占比20.3%）、高强钢HSS（占比36.4%）、先进高强钢AHSS（占比7.9%）、超高强钢UHSS（占比2.1%）及优化等措施，实现降重23.1 kg。图26a是2016沃尔沃V90，在前一代V70基础上，提升性能及安全性增重44 kg、改善NVH增重33 kg、提高耐久性增重7 kg、尺寸加大增重9 kg，乘员舱的四周通过采用热成形钢及高强钢围成强大的笼式结构并优化，白车身总体减重达97 kg。高强钢、先进高强钢及热成形钢在整个白车身（带四门两盖等）的总占比为61.7%。沃尔沃的产品，主打安全牌，在S系轿车、V系MPV、XCT系SUV及C系跑车中，多通用结构，在车身用材上偏爱热成形钢，车身轻量化也做

得淋漓尽致，在历次年会展示中，车身的热成形钢用量逐年增加，图26b，是不同年度车身更新时，热成形钢占车身本体（不带四门两盖等）的重量百分比不断上涨的情况，比如XC90从2002年的占比7%，到2014年的34%，他们认为，如果强度及安全的性能不变，热成形钢的极限用量可达45%。

8.2 铝板的占比排序

铝合金、尤其是5系和6系铝合金板在车身中的应用呈上扬态势，前图22中已有所表。图27是历年展示的车型中，按6系铝合金占比的降序图，占比最大的是2015年福特F150，占比高达67.2%（由于是皮卡，所以本文按下不表），其次是2010年展示的奥迪A8铝6系，占比为47.6%，奥迪A8是最早展示铝车身技术的车型，在铝车身技术上奥迪公司是先驱，从发展看，高强铝不如高强钢发展的快，在车身乘员舱的保护上，乘员舱周边上下左右的横纵梁用热成形钢已成主流。但外表覆盖件在钢铝混合车身中，用铝也是必须的。铝车身的另一个代表是2013年展示的陆虎揽胜（Range Rover Sport），如图28所示，在车身材料中，6系和5系的铝合金板占比相同，都是37%，铸铝件占15%，铝型材是6%，还有热成形钢和高强钢分别是1%和4%，车身质量是本体结构275 kg，整个白车身（含四门两盖）353 kg，静态扭转刚度是22.6 kNm/（°），达到了很好的水平。

8.3 铸铝的占比排序

铸铝在车身上的使用也在不断增加，薄壁铝精密铸造技术为车身轻量化助力，主要用在比较复杂的地方和较多搭接的部位。目前在各种车型上用的最多当属前减振器支座(也称减振塔)，铸铝在车身中的占比排名如图29所示，如跑车不算在内，前5名依次是2010年的奥迪A8、2015年的卡迪拉克CT6、2012年的陆虎、2013年的陆虎揽胜和2015年展出的奥迪Q7。卡迪拉克（Cadillac）CT6铸铝件用量的详细情况如图30a所示。在前后减振器支座、中通道、后纵梁、车身前铰柱体（A柱、前门立柱与前围板的搭接）等结构和几何交结处，都选择了铸铝件。通过

铸铝的集成，零件重量轻了，零件数量也少了，见图30b，前减振器支座铸铝集成后由16件变为2件，其它依次是车身前铰柱体70变12、后减振器支座28变2、扭转盒26变4、中通道43变1、后纵梁44变10、总体上是272钢板冲压焊接件件，通过铸铝集成后，减少到31件。

8.4 纤维增强塑料占比排序

纤维增强塑料在车身中的占比如图31所示。德国宝马公司2013年在欧洲车身年会中展示了其量产车I3，在生产上突破了传统的工艺与材料，采用非承载式车身结构，车架用铝材，乘员舱结构用碳纤维复合材料制成，外覆盖及后背门由塑料制成，如图32所示，可以说匠心独具，一举成为碳纤维复合材料车身的典范。在接下来的2015年宝马7系中（图33），以碳核（Carbon Core）为理念的新设计，在部分结构内部添加纤维增强塑料，是又一创举。碳纤维复合材料在跑车或赛车的大量应用不是新鲜事，排序在前的跑车类不再表述。

9.1 奥迪公司

奥迪公司一直以“突破科技，启迪未来”为理念，在德国三大汽车公司中，轻量化方面表现突出，整理汇总一下其车身轻量化的发展与现状，如图34所示，从目前看，奥迪公司的乘用车品牌，车辆级别从小到大用铝量增加。以A6为分界点，A5（包括A5）以下的轿车车身，基本上是钢制车身。其中A3是全钢板车身（虽然在2012年展示用了铝发罩和翼子板，但实车中没用）；A4、A5是钢板车身，配以精铸铝制的前减振器支座和前后保险杠横梁及其吸能盒；在A6车型中不但前减振器支座和前后保险杠横梁及其吸能盒是铝合金，其四门两盖，也是铝制的。早期的A8基本上是全铝制作，只是为了提高横向耐撞性，在B柱上选用先进高强钢和超高强钢，其它基本上是铝合金板、拉拔铝型材和铸铝件构成的空间框架式车身（AFS）结构，但近日的相关资料显示（图35），A8已经从全铝车身向钢铝混合车身的转变，从关注铝型材的比例，到关心多种材料的正确混合使用，铝合金占比

从过去的93.3%降至现在的58%。据说车身本体增加到282 kg，如以2010年A8车身本体质量231 kg为基准，则车身增重近51 kg，据讲在乘员舱的笼形结构中，新奥迪A8大量采用热成形超高强度合金钢，乘员舱骨架由热成形钢构造，包括车身前围下部、门槛梁、B柱以及车顶前骨架。机舱内连接悬架顶端的三角支架由镁合金材料制作，用铝合金螺栓固定；车厢后部隔板采用碳纤维复合材料（CFRP），按力学需要由6～19层不等纵横交织，据说在提高车身抗扭方面的贡献达33%。将奥迪公司曾展示过的产品按车型级别排列并比较车身用材的不同，如图36所示，与其它公司不同，之前奥迪公司的白车身没用过塑料类，这次在A8车型上开始用碳纤维复合材料。在2012年展示的A3中，热成形钢的比例已高达21.7%，也是当年车身展的综合评比第一名。在后来的A6和A5中，热成形钢是也是其关键材料之一，用量占比达28.2%和28.7%。现在A8同样用热成形钢也是其两条技术路线之一的选择。

9.2 宝马公司

将宝马公司展示过的车身按车辆级别排列如图37所示，对比所用材料的比例随车辆级别的变化，不难看出，3系以下是钢制车身，5系以上是混合车身。在宝马车身中，有所列材料之外的其它材料，这是其与奥迪和奔驰公司的不同之处。7系是目前混合车身最好的一例，混合材料品种多，尤其是推广了碳纤维复合材料在跑车之外应用，7系轿车整车降重95 kg如图38所示。图38a表达了不同铝材用在车身上的不同位置，6系铝是铝硅合金占比7%，用在前后门外板、发罩外板、行李箱外板和车顶外板；5系铝是铝镁合金占比6%，用在前后门内板、发罩内板和行李箱内板；铸铝占10%，用在前后悬架固定座和后纵梁等；铝型材占3%，用于前纵梁。图38a表达了不同钢材用在车身上的不同位置，如热成形钢占15%，用在门槛梁，B立柱和车顶纵梁等；高强钢占30%，用在前围、中通道、后地板和后包裹架板等处。

9.3 奔驰公司

按车辆级别所列的奔驰公司车身材料对比如图39，奔驰公司各级别中都有铝合金材料，在中型以上轿车中，碳纤维复合材料都有一席之地。近年展示的2013年奔驰S和2014年奔驰C都用了大量的铝合金、高强钢和其它多种轻质材料，进入了材料轻量化的第4级。在历年展示过的车身中，奔驰S的性能参数最好，扭转刚度高达40.6（kNm/°）车身焊点数最多，当量焊接点数为13093个，单位面积的焊点数也最多。图40是2009年展示的奔驰E级（相当于中国的C级）中，为满足当时新的侧碰要求（IIHS Side Crash），如果还用前一代的材料与工艺，则B立柱及门槛梁合计增重16.2 kg，用热成形钢后，相对减重8.6 kg，增重7.6 kg，有效控制了增长。图41是奔驰C级（相当于中国的B级）轻量化材料的应用情况，在奔驰C级车中也是将大量的热成形钢及超高强钢用于各梁和各立柱上铸铝的前减振器支座、铝材支撑、铝板外覆盖等说是比过去传统的车身轻70 kg。

10.1 车身刚度及重心

现在乘用车承载式车身是主流，非承载式车身极少，非承载式车身主要在较大的硬派SUV等车型中存在，多数是与皮卡车型共平台，或衍生而来。承载式车身因成本低、质量轻等因素而受青睐。承载式车身作为底盘及动力的固定基础，其刚度及变形对操控性的影响极其重要，尤其在高速行驶下的左右转弯时，在离心力作用下，车身前后左右减振器支座的垂直力不同、悬架控制臂对副车架的横向力不同，形成对车身的转矩和横向力作用，如果车身的刚度不足，其变形对转向及车轮行向的叠加影响是不唯一的，增加了高速左右摆行的控制难度，车身刚度对操控性能的影响简图如图42所示。

车身刚度是车身性能中的关键数据，因此在每次欧洲车身年会及相应资料文件中，车身刚度都会作为重要的技术性能参数展示，统计汇总车身扭转刚度、并关联与最高车速、0～100 km/h加速时间的关系，如图43和图44所示，显然最高车速越

大、对车身的刚度要求越大，同样，0～100 km/h的加速时间越短，对车身的刚度要求越大。从而印证了高速度车辆需高刚度车身。图中分别给出了车身扭转刚度与最高车速、与加速时间的平均趋势线（1.0线）及其计算公式，并定义为中庸级（平均级）。以中庸值为标尺，分别乘以1.6、1.4、1.2、0.8、0.6，定义为卓越、优秀、良好、庸下、及格的各级线，形成一个基于统计的车身刚度性能评价标尺，让性能开发评价更有章可循。

质量轻、刚度大是车身开发的性能追求，总结近年欧洲车身年会中的刚度数据，进行年度平均值变化分析如图45所示，得出车身扭转刚度的年度增量为0.68

kNm/(°)，即全球换代车身的平均扭转刚度增量为 0.68 kNm/(°)。

10.2 车身质量及评价

轻量化的本质是减重，减重的目的是节能，研究分析车身质量与车辆级别（大小）之间的相互关系可以得到图46，两图的横坐标都是LW+WH+LH，L、W、H分别是车长、车宽和车高，横坐标是名义外表面积的一半，图46的纵坐标是车身质量，包括白车身总成（带四门两盖，无涂漆）、白车身本体（不带四门两盖，无涂漆）。用质量数据作趋势分析，得到图中两者与表面积相关的平均质量[重量]线及公式，图48、图49是对车身轻量化程度的分级。定义为“车身轻量化度”，共分为6级，车身轻量化度 0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2，其中 1.0是平均线。把平均线当作评价的基准标尺，根据所要评价车辆的外形尺寸，用图中公式算出平均线值，再用车身的实际质量值除以平均线值，得到其轻量化度值。图47是车辆焊点数与车辆级别（名义表面积之半）的统计关系，图中给出了焊点数量平均值与车身名义表面积的关系，同样定义了0.6、0.8、1.0、1.2、1.4的5个级别，1.2代表焊点数量是平均数量水平的1.2倍，其它类推。通常，焊点多的车身刚度大，在使用中开焊的几率小，车身整体性强。

将质量与车型尺寸进行密度计算并按年分析，可得出每年车身年会中的车身平均面

密度和体密度，如图50和图51所示。由于车身年会展示的基本为各公司的换代产品，故在图50和图51中质量密度逐年降低，本质上是各公司车型换代的代降，由此得出全球乘用车的白车身密度代降为0.78 kg/m3，如果用中国的车辆级别定义，中国的A0、A、B和C级车车身换代的减重平均值分别为8.58、9.36、10.14、10.92 kg（车身轻量化措施的减重减去性能提高带来的增重）。

10.3 车身轻量化指数

车身轻量化指数是已被业界接受的，是反映车身轻量化水平的评价指标，是车身质量与车身的扭转刚度和胎印面积的比值。质量越小，扭转刚度越大，其轻量化指数越小（越好），虽然也与胎印面积（也称脚印面积）成反比，但轮距和轴距，在车辆大小级别中，是整车定义好的，在车身开发中不能随便变更，轻量化指数公式为：

式中，L为轻量化指数；M为白车身质量，本文统一用车身本体（不带四门两盖的质量）；Ct为车身扭转刚度；A为胎印面积=0.5（前轮距+后轮距）×轴距。

车身扭转刚度各公司的测试条件略有差异，包括有无副车架，是否带保险杠横梁，带不带玻璃，有没有仪表板横梁等，不尽相同，但作为设计参考，还是有意义的，将车身的轻量化指数，按车身表面积为横轴进行展开和趋势分析，以平均趋势线（图中表达式及1.0线）的倍数关系向上下各拓展3级，形成7级曲线族，作为轻量化指数（水平）的评价刻度，如图52所示，其中0.4线（1.0线的0.4倍），定义为卓越线；0.6线（1.0线的0.6倍），定义为优秀线，依次类推得到评价标线，方便评价技术水平。

如图53所示，欧洲车身年会展示的是换代产品，各公司是以各自的前一代为参照自我对比，欧洲车身年会展示的车身轻量化指数平均值逐年降低，本质上代表着车身的代降，平均每代降幅为0.16。

10.4 轻量化的成本限制

与钢相比，轻量化材料较贵，是影响汽车轻量化的关键因素。借用欧洲的相关研究，

见

图54，与航天、航空相比，汽车行业可接受的成本上升空间很小，汽车行业为2～10欧元/kg，即降1 kg质量的成本增加在2～10欧元之间或以下，载重汽车和轨道交通在1～3欧元之间或以下。不同部位可接受的成本不同，其分布可见图55，其意义在于汽车的重心越低越好，汽车重心越高，侧倾力臂越大，侧倾力矩也越大，需要大的悬架横向角刚度和车身扭转刚度去抗衡，因此高处减重意义更大，成本可以相对高一点；同样，一般汽车发动机、变速器、车身纵梁、前端框架和冷却水箱等在前边，前轴载荷较大，希望前后均衡，所以发动机等前端部件减重成本可以高一点。中国的汽车品牌与国外相比，价格低廉，挤压了汽车轻量化的成本空间，在中国经济上可行的轻量化额外成本大概是每降重1 kg成本增加在20～25元以内。

10.5 车身轻量化材料的成本

不断满足越来越严的油耗法规和排放法规是车企必须的，在节能的路线上，有电动车、混合动力和发动机的节能技术、有降风阻减滚阻的措施、也有轻量化的方案，重要的是各个技术方案与措施的成本和技术成熟度中寻求综合平衡。但不论如何，其附加成本（或者说是成本的增加）是最被关注的，因为国有品牌汽车的成本容升能力有限。

目前轻质材料的高成本是汽车轻量化的最大障碍，材料成本的降低和性能的提升至关重要，通过外部资料图56可知，虽然碳纤维材料有降重40%～60%的潜力，但目前换成碳纤维材料的附加制造成本为9美元/kg以上，换成镁合金的附加制造成本不低于6美元，高强钢附加制造成本在2美元/kg以下，可见高强钢是最适用的材料。用欧元的材料价格表如表2所列，中国与国外的资源不同，价格也不会相同，因此图表中数据只是作为参考。

图57a，是对铝合金材料性能及成本的预测，大致是到2050年，性能提高200%，

部件的成本降低40%，在车身上应用的难点是与其它材料的联接技术。图57b，是镁合金材料性能预测，要解决镁合金的难点是镁合金的腐蚀性、能耗高、成本和环境问题。

美国能源部门预测结果表明（图57c），碳纤维和碳纤维复合材料成本2010年分别为9和12美元/磅,预测是到2025年时可降到3和5美元/磅，2050年碳纤维复合材料可降到2.5美元/磅，制作周期可由2020年的5 min，2030年的2 min，到2050年的1 min。

预测轻质材料的未来，必是成本下降和性能提升，尤其是碳纤维材料的成本会大幅度下降，根据麦肯锡的预测数据（表3），描述为：汽车用的轻量化材料，由2010年占比为29%（15+5+9）增长到2030年的67%（38+12+5+0.5+11.5），增长了38%的份额。主要由高强钢、铝、镁、碳纤维及其它非金属材料材料构成。从大的概念上说，如果将钢的质量定义为100%，那么换成高强钢则质量约为80%，换成铝合金则质量约为60%，换成碳纤维复合材料则质量约为50%，成本如按每年6万算，现在的成本大致是，如果将钢的成本定义为100%，换成高强钢则成本约为115%，换成铝合金则成本约为130%，换成碳纤维复合材料则成本约为570%，目前碳纤维复合材料与钢材相比，质量是1/2，但价格约是5倍。预计碳纤维材料与制造的总成本到2030年降为钢的1.9倍，铝是钢的1.4倍；到2030年碳纤维材料与制造的总成本将大幅下降，碳纤维原材料将由2010年的18欧元/kg降到2030年的5～10欧元/kg，部件制作成本将由2010年的24欧元/kg降到2030年的9～13欧元/kg，2030年的总成本相当于2010年的45%～67%。

白车身的生产成本模型如表4所示，从模型中知道，模具成本Ct是主要因素，批量n是重要变量，一般车身模具寿命可以生产50万件，采用同一个车身的不同配置车型如果年销量达10～12万辆，4～5年下来接近50万辆，模具基本到寿命，

车身成本摊销达到理想的最低或接近最低。这时需要更新的车身实现换代。在车身的全生命周期内，生产10万辆和生产50万辆，仅模具成本一项就是5倍的关系。因此，如何实现用一个模具生产更多的冲压件，将是轻量化的一个重要解点。相同级别的不同车身（三厢轿车、两厢轿车、旅行车、SUV、MPV），不同级别相同型式车身，除影响外观的覆盖件外，进行趋同设计，实现系列化、通用化、标准化，将为轻量化拓宽更大的成本空间。图58是来自欧洲文献中，表征轻量化潜力与附加成本的增加的关系，反映的是2011年的成本水平，钢质轻量化（如AHSS、UHSS、PHS）的附加成本是5欧元/kg，铝合金覆盖件8欧元/kg，铝合金结构件15欧元/kg，对碳纤维复合材料，图中显示每降低1 kg质量，需付出的附加成本超过了50欧元。这不一定可信，宝马I3的碳纤维复合材料车身早已量产，其成本问题的解决批量可能对其影响很大。

分析汽车不同类型、不同级别车辆的典型部件的结构与工艺特征，建立汽车专用铝型材并系列化，供给不同的汽车生产厂及不同级别的车型。完善辊压成形技术，根据汽车不同的部件，辊压型材标准化、系列化，以实现大批量生产和降低成本，也是可行之路。

本文主要是基于2007年-2016年欧洲车身年会资料中的相关素材和数据，对车身轻量化材料、轻量化技术与发展进行了分析与综述[6]；如果数据量足够，最好是按车型类别（跑车、三厢轿车、两厢轿车、旅行车、SUV、MPV和小客车分别进行统计分析，得出各自的轻量化度、扭转刚度、轻量化指数等性能等级的划分与趋势线，这将消除车外形态对车表面积和车体积的影响。但作为轻量化的比较标尺，目前的划分还是很有意义的，对完善面向主结构、主参数和主性能的开发，针对不同的用途，设定不同的目标都会有一定的指导作用。受篇幅的限制，车身模态刚度，轻量化的联接技术等，没有展开，以后再述。本文主要是在梳理总结欧洲车身年会

相关数据及图片，按自己的理解进行二次加而成。

【相关文献】

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[2]Herrmann,H.G.:Daimler AG(2005).r Kraftfahrzeuge(2005).

[3]Sch?pf,H.J.:Daimler AG,Vorlesungsskript Kriterien zukünftige.

[4]SAE Design and Manufacturing Challenges of High?Strength Steel in Automotive Light

Weighting 2013-01-2901 Published 11/27/2013

[5]Mattheus,H.-W.:Daimler AG,Würzburger Automobilgip?fel 2010.

[6]EuroCarBody(2007-2016)9th-18thGlobal car body bench?marking conference.