2021车身大会 | 沈卫东：轻量化技术在车身研发中的应用

2021年3月23日-24日，由盖世汽车主办的“2021年中国车身大会”隆重召开。本次大会重点围绕整车轻量化、汽车安全法规、车身结构设计、车身先进材料、仿真技术、模块化架构车身等行业焦点话题展开探讨，为产业发展出谋划策。会议期间，上汽大众 产品管理高级总监, 教授级高级工程师 沈卫东发表了“轻量化技术在车身研发中的应用”的主题演讲。

上汽大众 产品管理高级总监, 教授级高级工程师 沈卫东

以下为演讲实录：

尊敬的各位来宾，尊敬的各位专家，大家上午好。非常感谢盖世汽车邀请，很高兴也很荣幸和大家做分享。我的题目是“轻量化技术在车身研发中的应用”。

今天汇报主要有三个方面的内容：首先会做技术背景的简述，其次和大家分享轻量化技术在汽车车身研发中的应用，最后是技术展望。

刚才盖世汽车研究院高级分析师 卢晏谈了很多未来中国汽车的发展，在软件定义汽车的时代，我突然想起在新员工迎新的时候，一个95后的新员工给我提出一个问题：在汽车新四化快速发展的时代，我们车身研发应该做什么？能做什么事情？按照习惯思维，我们的车身研发属于传统技术领域，而新四化是未来发展的技术领域，那么车身研发怎么去做好新兴和传统技术领域的交汇发展，这是我们面临的问题。

实际上车身研发有很多事情可以做，比如说轻量化技术。随着中国改革开放的发展，人们生活水平有了非常大的提高，人们对环境和安全，从来没有像现在这样关注过。大家都很清楚，我们国家对节能减排有非常高的要求，除了国家的安全法规，还有很多消费者的测试标准，有些标准实际上已经超过欧洲标准，正因为有这么多安全标准，所以在车身上会采取很多加强措施，而这些措施就会带来车身重量的增加。车身轻量化的任务也很艰巨，国家节能与新能源汽车技术路线图已明确目标，预计2035年燃油乘用车整车轻量化系数会降低25%，纯电动乘用车会降低35%。

从另外一方面来看，中国实行的是双积分政策，不但对新能源车有要求，对传统燃油车也有要求。整车重量降低10%，燃油效率可以提高6%-8%，汽车重量降低100公斤，二氧化碳排放可以减少约5克/公里。此外，我们现在已经进入全面拥抱新四化的时代，新能源车，纯电动车就在我们身边，新能源车普遍比传统燃油车重量要增加30%。如果把新能源汽车重量降低100公斤，续航里程就可以提高10%-11%，还可以减少20%电池成本以及其它日常损耗成本。同时，大家都很清楚，通过轻量化技术，还可以提升加速性能，操作性能，安全性能。因为车身在整车重量中占30%左右，所以，车身的轻量化是永恒的主题。

怎么实现车身轻量化，有什么技术路径？各位专家很清楚，首先，通过材料轻量化，通过替代材料达到轻量化的需求。第二，优化车身结构，减少零件的数量或者不必要部分减薄，这样可以达到优化结构，降低重量。第三，在制造工艺方面创新，达到轻量化的效果。

从轻量化技术路线图来看，目前是完善高强度钢作为体系的重点，中期形成轻质合金应用为方向，远期形成多材料混合应用体系为目标。下面我和大家分享一些轻量化技术案例：

最主要的一个技术路径就是热成型技术，该技术已存在多年，在上汽大众第一款MEB纯电动车ID.4 X上采用了大量屈服强度在1300Mpa到1500Mpa热成型钢，比重超过28%。另外77.7%采用高强铁钢板，座椅横梁还采用超高强度的热成型钢，屈服强度达到1900Mpa。

还有一个比较常用的路径是通过替代材料来达到轻量化的需求，铝已成为近来关键替代材料，因为铝具有良好强度和韧性，密度较小，从而达到车身轻量化需求。现在常用车用铝型号有6系、7系、5系，实际上铝合金材料运用是整体开发体系，它不单包括结构设计，还包括防腐性能、试验、各种制造和连接工艺。在铝合金车身应用方面主要有三种：铝冲压件、铝挤压件、铝压铸件，应用在车身地板件和四门两盖等车身零件以及电池包。

铝冲压件是常用技术，和传统钢相比，实际上流程是非常相似的，包括设计和拉伸模拟，最后成型。铝冲压原理基本上也和钢的冲压类似，设计完以后进行模拟，最后进行冲压，包括了下料、拉深、切边扥该工序。但是有两点跟传统钢不一样，一个是延伸率比钢低，成型更容易开裂，另外一个铝的杨氏模量只有钢的三分之一，成型过程中回弹更大，这两方面是需要分析考虑的。以铝车门为例，总成所有内板，加强板，外板等进行分解，可以得出一个结论：钢车门总成重量一般是70-80公斤，而采用铝的工艺进行制作，减重达到30-35%。

铝压铸件，压铸是液态成型工艺，其工艺比较适合于形状比较复杂、薄壁深腔零件。举一个例子，比如说上汽大众过得辉昂前轮罩就是采用该工艺，该工艺如果用传统钢做会非常重，而采用铝压铸件其重量只有4.2公斤，不仅大大减轻重量，而且同时提高强度。此外，电池包壳体采用铝压铸件重量只有17公斤。

比较常见的还有铝挤压件，以ID.4 X挤压型材铝合金门槛为例，通过这样一个零件，在纯电动车的应用，可以在侧面柱碰时，把碰撞能量主要消耗在门槛中，可以保护电池包受冲击的变形影响。

铝挤压基本的流程是挤压成型是一种固态成型，实际上是用固态的型材，通过模具来实现挤压，最后完成一个零件，挤压工艺适用于截面形状是一致的零件，比如门槛、纵梁前部和保险杠等零件。

在车身轻量化方面还有一部分就是电池包壳体怎么做到轻量化，主要也是采用铝型材，通过各种工艺来达到减重的要求。

铝合金件需要特殊的连接技术，这里罗列了很多，在座都是专家，所以我就不再重复了。

以铝车门总成为例，对比钢件来说，铝件的连接的方式有很大的改变。通过激光焊和铝点焊和SPR来完成这样一个连接。对防腐也有新的要求，因为铝跟铝的连接、铝跟钢连接、铝跟各种其他材料连接，这些对于防腐都有比较高的要求。我们不但是通过零部件层面的防腐实验，还通过整车的防腐试验来满足严苛的设计和试验标准。比如说整车动态各种路面的防腐蚀试验，还有路面动态的试验和环境舱试验达到零部件和整车的防腐要求。

轻量化技术中还有碳纤维技术，这个大家都非常熟知，比如宝马i3车身重量只有139公斤，两个人就可以抬起侧框，如果采用钢件是不可想象的。

最后是轻量化技术的展望。

看一下车身轻量化发展的路径，90年代是钢密集型的车身，到了2000年开始铝密集型的车身，包括现在有几家初创公司用全铝的车身。在2015年全铝车身和碳纤维得到了非常迅猛的发展，在这段时间全铝车身和碳纤维是一种潮流。在2020年之后进入了多材料车身发展路径的时代。

首先，看一下碳纤维，因为比重不到钢的1/4，而且它的强度远远超过了钢，所以在赛车上首先用的都比较多。目前国外公司在某些零部件方面用的比较多，在内饰门板，前后盖，也许是前盖上面用的相当多，包括电池包壳体等。但是在国内车企里面，因为成本的问题实际上整车的碳纤维应用相对来说比较少。

那么，是否全铝车身就是未来的技术趋势？我们可以看到奥迪A8，其铝合金占比从92%降到了58%，这是为什么呢？大家都知道，铝合金件有明显的缺点，比如说制造工艺比较复杂，材料成本比较高，维修成本也比较高。如果奥迪A8门板发生碰擦可能就直接更换铝门，不会用传统的刮腻子再喷漆这种方式去解决。另外，国产材料性能和进口材料还有差距。

总得来说，不管是制造成本，还是维修成本，相对来说都比较高，这些都给全铝车身带来一定的劣势。怎么去攻克材料成本难关呢？或许大力发展国产铝型材，通过完善工艺、完善制造流程等，通过这些环节把铝合金材料成本降下来，从而更广泛的应用，这可能是未来的一个趋势。

最后是车身一体化铸造技术，特斯拉在Model Y 后轮罩从Model S 原有的70个冲压零件，现在通过一体化压铸技术变成了2个零件。这是一个颠覆性的制造工艺，为什么呢？因为一般的OEM公司在方圆30公里左右都集中了很多冲压厂，还有车身分总成供应商。另外在传统车企的工厂都有四大制造车间，如果采用像特斯拉现在这样的工艺，可能改变了传统车身制造的方式或者车身结构的设计。这就意味着方圆30公里周围这些供应商可能要重新思考未来的产品，而传统车企可能也不再有冲压和车身两大车间了。

再看一下，特斯拉已经发布了一个汽车车架多向单体铸造机的专利，可以从它的图片上发现，它是整个车身，我们第一印象就是“不可能”，为什么呢？因为用传统的思维来说，这里面有很多技术问题，比如说圆角缝隙、平整度面差、车身尺寸精度控制以及外观表面质量，所有这些都是问题。但是特斯拉前面已经做了一个案例，可以把70个零件变成2个零件，后一步可能把一个车身变成现实，这些可能都是未来的趋势。

对于中国汽车人或者对于中国的车身人来说，我们的使命是，在中国是不是能够实现像特斯拉这种车身一体化铸造的技术？这样可以把车身轻量化做到极致，这可能是我们未来的使命。

以上就是我的汇报，谢谢大家。