深度回顾：车身轻量化与车辆强度如何选择？

【深度回顾】“每过节我都会胖三斤。

”春节这个中国最重要的传统节日，我恐怕会胖三斤多。

春节过后，减肥成了人们频繁谈论的话题。

同样的“减重”话题在汽车行业也存在。

近年来，随着新能源汽车的蓬勃发展，汽车减重势在必行，因为减重不仅可以节省开发成本，还能有效降低油耗、减少排放、增加操控稳定性。

测试表明，汽车每减轻10%的重量，油耗可减少6%-8%，排放可减少10%左右。

同时对于减少制动距离、转向力和加速时间、增加轮胎寿命有显着效果。

益处。

●《深评问道》是什么？ 《深评问道》是第一个为行业最终用户创建的程序。

由汽车行业资深从业者专门撰写，独家分析/揭示行业重大事件。

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本期行业领军人物——康变猫，多年来一直从事主机厂研发工作。

对驾驶技术、汽车原理、车型推荐等有着深入的了解，擅长以通俗易懂的方式解读汽车行业。

30秒快速阅读：1、新能源汽车的快速崛起，对汽车轻量化产生了更强劲的需求。

减轻重量有助于控制成本、提高车辆性能并降低能耗。

2、车身减重：材料选择是基础，设计开发是枢纽，先进制造技术和连接技术是纽带。

三者相辅相成，缺一不可。

3、轻量化并不是简单地减轻车身重量，也不是“减少装备”。

如何平衡成本与减重，是每个主机厂需要深入研究的方向。

汽车车身轻量化是指在不降低汽车原有的安全性、耐撞性、抗冲击性和舒适性性能、不增加研发成本的情况下，有针对性地减轻车身重量。

学术上有一个词叫车身轻量化系数。

轻量化系数考虑了车身的扭转刚度、车身尺寸和质量水平。

同时，这个系数引入了扭转刚度的概念，让开发者可以通过轻量化系数初步了解一辆汽车。

NVH 性能和操控性。

目前减轻车身重量的途径主要有三个：材料选择、结构优化和先进制造技术。

当然，这只是一个想法。

如何将理念运用到实践中，并完美地融入到具体的模型中，需要研发人员的工作立足于此。

不同的项目使用不同的方法。

1、选材是基础。

为什么说是材料的选用，而不是简单的轻质材料呢？在整车的开发过程中，通常会有性能要求。

例如，在中国有小型正面重叠碰撞试验，简称小型重叠碰撞，还有侧面碰撞、顶部碰撞、后部碰撞和头部保护等。

为了满足不同的碰撞要求，车身局部区域需要强度要求较高的零部件，如翼子板内板、风挡立柱、B柱加强板等，如果单纯在这些区域选择轻量化，如果材质采用优质材料，必然需要大幅增加材料的厚度，这会导致车身重量的增加。

●合金材料 在材料选择方面，铝合金和镁合金最受汽车制造商关注。

毕竟这两种材料可以替代钢板，减轻重量，提高强度，性价比也比较高。

其中，目前应用最广泛的是铝合金。

由于铝密度低，质量仅为钢的1/3左右，因此铝合金表面生成的氧化铝保护层比钢更耐腐蚀，成形性更高。

而且回收率高。

车内80%以上的铝材可以回收利用；当然，铝合金也有它的缺点：容易回弹，冲压碎屑多，焊接性和强度不如钢。

最重要的是成本。

比钢高。

《合金在汽车上的应用》 ●碳纤维材料 当然，最理想的材料是碳纤维材料。

碳纤维材料是以化学纤维和石油为原料，通过特殊工艺制成的纤维。

碳纤维的密度不到钢的1/4，但它的耐磨性虽然更轻，但可以达到钢的8倍左右。

它除了具有耐高温、耐摩擦、导电、导热等性能外，强度更高、重量更轻。

尤其是在极端气候条件下，碳纤维材料表现非常出色。

，当然成本是比较高的。

《碳纤维材料在汽车上的应用》 ●高强度钢（HSS） 屈服强度在 MPa 之间、抗拉强度在 MPa 之间的钢材通常称为高强度钢。

碳锰钢（C-Mn）、烘烤硬化钢（BH）；屈服强度在 MPa 以上、抗拉强度在 MPa 以上的称为超高强度钢，如热成型钢（HF）。

高强度钢的优点是强度优异，焊接可行性良好。

缺点是密度高、质量重、塑性一般。

通常用在车身的部位，比如上面提到的对碰撞性能有要求的区域。

选择高强度钢材可以替代大量轻量化材料，是车身减重的不错选择。

《高强钢在汽车上的应用》2.结构设计是枢纽。

通过先进的设计方法和技术手段，可以在车身设计阶段对结构进行优化，同时满足车身强度、模态、刚度、碰撞等多方面的性能要求。

、提高材料利用率。

在项目设计阶段，可以利用CAD/CAE技术精确实现车身结构的设计和布局，分析计算覆盖件材料的刚度和强度等参数，计算出精确的力传递路径。

对于设计师来说，可以判断哪些区域需要使用高强度材料，哪些区域需要增加材料厚度，以最大限度地提高材料的利用率。

值得注意的是，对于车身来说，力的传递路径不是唯一的，也不是静态的。

，随着设计和连接方式的改变，力的传递路径也会发生变化。

因此，设计师在设计阶段也要学会“随机应变”。

对于轻质材料制成的零件，还可以进行运动干涉等分析，使轻质材料能够满足车身设计的不同要求。

3、技术是纽带 ●先进的制造技术 对于上述翼子板内板等对碰撞敏感的区域，通常采用高强度钢材。

如果此时仍采用普通冷成型技术，板材很容易出现裂纹。

，对车身的性能影响很大，因此通常采用热成型技术来解决，如TWB（拼缝冲焊）或TRB（拼缝滚焊），即先焊接后成型的热成型技术。

●先进的连接技术无论是钢材之间、铝材之间，还是钢材与铝材之间，合适的连接方式不仅可以保证车体的各种性能要求，还可以为汽车的轻量化做出巨大的贡献。

车身。

这里列出几种对减轻重量非常有帮助的连接方法（包括但不限于）： 无铆钉连接（老生常谈）：最快、最经济的连接方法，因为不需要外部连接器；拼焊（TWB）：通常用于高强度钢材之间的连接；搅拌摩擦焊（FSW）：铝材之间的最佳选择，如铝型材与电池箱之间的连接；铝点焊：大批量生产机型的最佳选择，更适合机械化作业；粘接：是需要密封或减震和导电的区域的最佳选择，同时具有与焊点相当的强度。

《汽车连接技术》 车身轻量化不是简单地使用轻质材料，也不是“偷工减料”，而是从材料到结构的综合考虑。

目前，各大主机厂都掌握了各自的轻量化技术，以应对车身轻量化这一重要课题。

1.福特蜂窝结构MuCell微发泡注塑技术。

这种成型技术以热塑性材料为基材，采用特殊的加工技术，使产品的中间层密布有尺寸从几十到几十微米的封闭微孔。

，显然蜂窝结构有利于轻量化和缩短成型周期。

“福特新福克斯在发动机盖上采用了蜂窝状结构的MuCell微发泡注塑技术” 福特已在新福克斯、C-Max、蒙迪欧等车型的发动机盖上应用了蜂窝状结构的MuCell微发泡技术。

注塑技术。

福特一直致力于实现年度小型车减重公斤、大型车减重公斤的目标。

这种成型技术可以使车身重量减轻近20%，同时保证零部件的耐用性，优化燃油效率并减少排放。

2、宝马的“碳芯”和奥迪的“RTM工艺”。

与福特独特的成型方式相比，宝马的轻量化更注重复合材料的应用。

例如，A柱区域是宝马独特的“碳芯”，在钢板制成的封闭截面内部插入由CFRP（碳纤维增强树脂）制成的芯材，不仅减轻了重量，还提高了稳定性机动车。

比如宝马7系，虽然车身的基本框架仍然是钢制的，但在某些区域使用了CFRP。

与上一代车型相比，新7系车身重量减轻了40kg。

使用碳纤维实现轻量化目标的同时，还提高了车辆的抗弯、抗扭性能。

“宝马7系”奥迪在第一代R8车型中使用了铝材，但在第二代R8中，以MSS为工具，将碳纤维复合材料应用到车身上，大大提高了扭转刚度和车身重量。

度，同时实现车身轻量化。

奥迪的RTM（树脂传递模塑）工艺将环氧树脂注入碳纤维包裹的泡沫材料中。

该技术不仅材料成型效率高，而且减少了原材料的使用。

同时，奥迪工程师还将碳纤维织物与快速硫化环氧树脂系统相结合，使用泡沫夹层来减少结构件、增强材料和填料的用量。

奥迪A8也采用了RTM工艺，并将其应用在其后壁和后窗台上。

碳纤维复合材料。

这些工艺和技术为奥迪的轻量化做出了巨大的贡献，而奥迪在全球汽车市场的强大竞争力也与此密不可分。

《奥迪A8》 3、蔚来的全铝车身和先进的连接技术 作为新造车厂商的代表，蔚来ES8采用了全铝车身。

2016年，一位蔚来ES8用户不小心迎头撞到路边。

灯杆，大多数人关心的是ES8的损坏情况，进而对这辆“中国特斯拉”的被动安全性能进行初步评估，但笔者更关心的是裸露的7系铝制防撞梁、铝制防撞梁-防撞梁 防撞梁对于减轻车身重量的作用是毋庸置疑的，而且有些7系铝材可以通过热处理进行强化，正面碰撞时的塌陷量比这还要大采用钢材制成，吸能效果更好，从而更好地保护乘客安全。

蔚来作为全铝车身的先行者，自然拥有更加成熟的铝连接技术。

目前ES8车型上使用的连接技术有很多，从FDS（热熔自攻铆接）到RSW（铝点焊）到CMT（冷金属过渡电弧焊）再到SPR（自冲铆接）都有应用。

“蔚来ES8” 4、通用汽车对复合材料的应用 通用汽车一直致力于轻量化材料的合理运用，并将其应用在自主品牌车型上。

低成本但耐疲劳的低碳钢一度成为通用客车和轻型卡车的标准。

低碳钢不仅经济，而且具有良好的成形性和焊接性。

当然，低碳钢也有其自身的缺点：耐腐蚀性差，且比铝合金、镁合金等重，这在车身减重方面存在重大劣势。

在雪佛兰C7 Corvette和MALIBU的制造过程中，通用汽车使用了大量的铝板来制作车身钣金件，并大量使用挤压铝来制作车架滑轨。

新款 CT6 甚至使用铝代替低碳钢。

为此，通用汽车还采用了比较先进的焊接技术，使得两种不同体积点的材料可以焊接在一起。

这也使得这款凯迪拉克在重量上比大多数同配置的其他车型都要轻。

通用汽车在镁合金和碳纤维材料的应用方面也做了足够的研究工作。

早在2017年，通用汽车就在开发碳纤维增强热塑性塑料的应用。

“雪佛兰科尔维特” 5. PSA对高强度钢材的合理应用。

作为欧洲第二大汽车制造商，标致雪铁龙对于轻量化技术的研究并不弱于竞争对手，在某些方面甚至优于其他主机厂。

标致的轻量化技术是全面的，涵盖了从材料到结构到设计的方方面面。

车身各部件的重量均经过严格计算和优化。

这里我们重点关注一下标致对于高强钢的应用。

由于标致的全球化布局，轻量化后更加注重性能和安全性，对整车的性能和碰撞要求非常严格。

，同时满足侧面碰撞、正面碰撞、头部保护和后部碰撞的实验要求。

从其全新2号平台EMP2到整个白色车身，高强度钢材的应用非常精细。

标致、标致以及今年表现出色的即将上市的标致L，在车身上都下了很大的功夫，包括翼子板区域热成型高强度钢的TWB技术、B柱区域的TRB技术以及挡风玻璃立柱和纵梁区域，熟悉碰撞测试的专业人士应该了解高强钢在横梁区域的应用。

这些都是对性能非常重要的领域。

在这些领域使用高强钢不仅可以满足安全性能的需要，而且可以大大减少材料的使用。

在完美应用轻量化、结构材料和工艺的产品上，不得不说标致用心良苦。

[标志] ● 总结 显而易见，未来汽车市场的竞争将更加多元化、更加激烈。

无论是传统燃油汽车还是新能源汽车，车身减重都不能成为回避的话题。

毕竟，从车辆本身的性能到消费者的切身利益而言，车身减重可以做出巨大的贡献。

当然，车辆轻量化并不是简单地减轻重量，而是轻量化的真正含义是成功减轻重量的同时还提高了整个车辆的性能。

那么对于很多汽车制造商来说，如何在保证静态扭转刚度和动态扭转刚度的同时减轻车身重量，从而保证车身的扭转性能和整车的NVH性能；如何在减轻整车重量的同时，保证配置不减少甚至升级；如何在减轻重量的同时，保证新的碰撞功能具有更好的主被动安全性以及平衡成本，将是各大主机厂未来的研究方向。

如何同时在选材、优化设计、先进技术三个方面进行改进和提高，是每个主机厂都应该认真研究的课题。

可以说，谁真正掌握了轻量化技术，谁就能在激烈的竞争中立于不败之地。