一、轻量化起源和背景

这是世界上第一则汽车广告，广告词说该车保养容易，开1英里只需要0.5美分，又轻又结实。今天我们做车也一样，首先要便宜，这样才会有人买单，第二，整备质量轻，第三，加速性能好。为了降低油耗或者电能消耗, 不论是传统燃油车还是新能源汽车, 整车的轻量化设计目前是一个势在必行的趋势。

当前汽车市场销量下滑、竞争激烈，在增加整车成本的基础上轻量化已经不是多数车企的可选科目了，尤其是新能源汽车，虽然电动机代替了内燃机、减速器代替了变速箱，重量有所下降，但是也增加了电池包以及高压线束、逆变器、功率分配器、车载充电器等较重的子系统，导致新能源汽车的轻量化压力剧增！

各个国家、地方政府、州政府、交通部都有一系列关于排放量的法规。根据北美法规要求的减重目标规划，从2015年到2019年，某车型整备重量要从1853公斤降到1664公斤，整整减少200公斤。随着燃油消耗量限制法规、汽车排放法规的要求日益提高，汽车轻量化技术是未来汽车设计的核心技术。

其实这些年我们可以看到，车的重量是略微上升的，因为我们对配置和安全性能的要求提高了。2018年新的碰撞法规提出了更高的要求，在满足功能的前提下，还要减重。

铝板有一个最大的特点，铝的疲劳寿命是特别差的。对客户来说，车要天天开，疲劳标准是要优于安全标准的。但是对于主机厂来说安全性能是要大于疲劳标准的。奥迪A8最新的车型，从原来98%的铝合金，降低到现在58%的铝合金，剩下全都是用钢。仅仅是因为铝合金贵吗？其实很大一部分原因，不是材料的问题，而是工程制造的问题。

现在行业内主流的车身技术路线有这么几种：

第一，传统全钢车身，仍旧是目前采用最广泛的技术。

第二，铝合金车身，比如蔚来ES8。

第三，钢铝混合车身，就是现在很多新车说的“下钢上铝”。

第四，碳纤维车身，如宝马i3。

每一种车身都有优点也有缺点。轻量化的目的，是在不影响功能性、安全性、耐久性的情况下，尽可能做得越轻越好。随着我们国家的发展，未来对车的加速性要求会越来越大。

轻量化设计的核心

第一，结构变化。打个比方，可口可乐的瓶子，软的跟纸似的，但是它做到了极致，放桌上很稳，拧盖子的时候能打开，因为在头部和尾部加了很多筋，这个就是结构设计。

第二，连接技术。很多人说，铝合金很简单，我也会做，但是铝合金工程化很差，只要不是自动化线，因为工人不同的操作，导致一致性很差。

第三，CAE仿真技术。金属是规律排布，我们可以预测它的破坏、失效模式。但复合材料比较复杂，汽车行业对复合材料的掌握还没有金属材料那么成熟，CAE的仿真计算发展得非常快。

第四，材料发展。我们的材料发生了翻天覆地的变化，10到15年间有了很大的发展。

轻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，这个时候客户的价值才能最大化。轻量化的途径一定是更好的材料、更好的结构、更好的工艺。

材料、结构、工艺互相联系。我们国家的高铁是挤压型材，而且是非常大的挤压型材，用的什么工艺呢？每节车厢其实是一个件，地板从头到尾是一块料，窗户也是同一块，稍微折一下把车送过去，中间地板一焊，所以材料出来了，选择结构和工艺，都是相辅相成的过程。

每家公司都有自己的战略目标和总体定位，比方说比亚迪就认为它做轻量化主要的目标是钢、铝，还有一点点镁、塑料，碳纤维不是他考虑的重点。又比如宝马，他们都做了很多投入，未来他会用大量的，他可能会用到碳纤维、镁合金、铝合金，同时会把钢的比重降低。再来看特斯拉，特斯拉用钢量非常少，未来他会把碳纤维和镁合金大大增加。

从整个做车来说，我们知道第一是安全。但安全性是会增重的，比方说改变耐久性，满足美标的NVH碰撞法规，满足C-NCAP碰撞法规，还有NVH模态、刚度、风阻各方面，都会增加重量。再就是功能，比方说全方位360度骨架、自巡航，都会增加重量。因此我们要把它减掉，第一个方式就是材料，材料完了以后才是结构优化，优化是什么呢？比如传递路径、截面。安全性、NVH、功能这三个方面的增重，我们目前希望通过材料、结构优化、工艺制造降下来。

1.  轻量化在整车开发中的三个阶段

轻量化在不同的开发阶段有不同的开发手段，根据整车开发的特点，主要有如下三个阶段：

概念设计阶段。要把市场语言转化为工厂语言。概念阶段会把技术路线确定了，因此这个阶段决定了项目难易程度和成功概率。

方案设计阶段。一旦定了技术路线就进入方案设计了，需要测算技术路线的可实施性。通过方案设计可以预计销量的多少，销量少的话这个时候就要找替代路线，重新制定切实的方案。

详细设计阶段。不仅需要考虑材料断面的形状，而且壁厚的类型是什么等等一系列的细节，对我们来说都需要经过紧密详细的设计。

2.  轻量化设计手段

材料：概念设计结束后我们就开始选择材料，材料选择涉及到车身、内饰、外饰、底盘、三电等。

结构：

1）车身骨架轻量化

车身骨架最好是一个闭合的截面，形成封闭式，也就是所谓的“环状”路径。车的结构分为两大类：承载式车身和非承载式车身。承载式车身就是每个件承担一定的载荷，非承载式车身主要靠车架承担。

2）车身断面轻量化

第一，优化零件断面结构，增加断面刚度与强度。不同的铝合金，自然失效、人工失效，得到的效果和性能是不一样的。

第二，改变零件承力力矩，缩小关键部位变形。

第三，增加吸能结构，改变材料强度搭配，是溃缩区域远离乘员，保护乘员安全。

3）零件搭接结构优化

零件的连接越来越重要，越是新的材料，对于连接的要求越高。所以零件的结构优化，

第一，增加传力结构搭接面接触面积，减小应力集中的现象。

第二，缩小搭接边，配合先进连接工艺，实现减重。

工艺制造：先进的材料、优化的结构需要相应的制造工艺。比如现在新能源车有很多铝合金型材的，前机舱没有电机了，电池跑到后面去，电机里有一样东西是要存在的，加制动液的时候需要人机这一块，包括挤压、辗压、铸造、冷冲压、液压、热成型等工艺，还有一些改善性能的工艺设计，比如辊压实际上是一个提升性能的工艺，辊压充分利用加工硬化材料的原理，用工艺来改变它。

3.  轻量化优化手段

材料优化：从材料角度上来说有几个，材料模型、弹性。我们的工程师、产品设计工程师都需要熟悉。如果要做拉杆，要算刚度、强度。怎么做这些事，用哪些指标评价，怎么来选择材料，从这个角度上需要了解基础的数据。冲击载荷这些的计算很简单，把基本的材料参数输进去，计算出来，做一个对比，就可以知道哪种材料是最优化的，再把工程制造性加进去，选材就完成了。

结构优化：结构优化的设计方法包括：尺寸优化、形状优化，拓补优化、形貌优化。铝合金型材的优点在哪儿呢？它可以把结构做的非常复杂，而做这个很重要一点，接头。我们车也一样，一定会满足几个性能，我们通常讲的，弯曲刚度，车过坑的时候会扭转，所以它的弯曲刚度，刚度是抵抗变形的能力，所有这些东西取决于我们的接头，接头很重要。

工艺优化：热成型工艺原理非常简单，就是把钢板加热到一定温度，快速的胀火即快速冷却，快速冷却以后就会形成了非常细小的片状马氏体，然后再处理出来，还有高压铸造。

接头优化：所有的机械式的连接有一个优点，并不是它的强度有多么高，而是它的一致性比较好。

现今最热门的新能源汽车的轻量化势在必行，怎样做到减轻重量的同时，又降低成本。新能源汽车如果要增加10%的续航里程，就有几种办法。第一，放更多的电池，所以比亚迪的车离地间隙都非常低，因为他要保证全系车型续航里程500公里以上，怎么办呢？只能增加电池，一个不行放两个，两个不行放三个。但是增加电池就意味着成本增加。第二，减重。第三，改变风阻系数。第四，改变滚阻，这个代价是非常高的，意味着所有的连接件都要改变。

对于水氢机来说，可以轻松实现减重，而且是在不降低续航里程的基础上。那么它是如何做到的呢？

水氢机是采用汽化催化重整及纯化多项技术从醇水中获得高纯氢，通过质子膜系统产生电、热等多种能源的装置。

化学公式如下，制氢：CH3OH + H2O → CO2 + 3H2 发电：2H2 + O2 → 2H2O + 电

水氢机的原料甲醇的优势非常明显，常温常压下是液体，能量密度高。若基于水氢机357转换效率(3公斤甲醇制备5立方米氢气发7度电），那么，一公斤甲醇相当于15.5公斤锂电池的能量密度（锂电池200W/kg），如水氢机的转换效率达到369(3公斤甲醇制备6立方米氢气发9度电），那么一公斤甲醇相当于20公斤锂电池的能量密度。因此，水氢机对于整车的轻量化具有重大意义。

文章来源：未来出行学院 未来出行学院  作者 熊飞

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