輕量化技術(shù)取得突破 行業(yè)發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn)

作為汽車產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向之一，國(guó)內(nèi)外各大汽車企業(yè)從未停止過(guò)對(duì)輕量化技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。BMW i3作為第一款進(jìn)入量產(chǎn)的碳纖維車身設(shè)計(jì)的車輛，成為碳纖維應(yīng)用于汽車的里程碑項(xiàng)目。但由于目前碳纖維復(fù)合材料成本較高，一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的推廣應(yīng)用。日前，中國(guó)首款鋁制車身的新能源車型——奇瑞小螞蟻(eQ1)的上市帶來(lái)了全新的汽車輕量化生產(chǎn)思路及理念，再一次引發(fā)了業(yè)內(nèi)對(duì)電動(dòng)汽車輕量化技術(shù)的高度關(guān)注。由于通過(guò)超級(jí)輕量化技術(shù)平臺(tái)打造的“全鋁空間架構(gòu)+全復(fù)合材料外覆蓋件”，使整車重量比傳統(tǒng)車減少了30%到40%，在當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料成本居高不下的情況下，給我國(guó)電動(dòng)汽車輕量化的發(fā)展開辟了新的途徑。
    目前，國(guó)內(nèi)外在輕量化材料、整車設(shè)計(jì)、制造工藝等方面的研究和應(yīng)用已取得突破性進(jìn)展。然而，輕量化技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)汽車的制造工藝，帶來(lái)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的變革，使行業(yè)的發(fā)展仍面臨一系列新問(wèn)題，如輕量化評(píng)價(jià)及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)尚未完善、產(chǎn)業(yè)間缺乏融合、新型材料成本較高、固有開發(fā)模式尚未突破等。因此，亟需企業(yè)調(diào)整思路，面臨行業(yè)變革所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。
    輕量化技術(shù)取得突破 行業(yè)發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn)
    電動(dòng)汽車輕量化技術(shù)取得突破性進(jìn)展
    實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑有三種：一是使用輕量化材料；二是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三是采用先進(jìn)的制造工藝。國(guó)內(nèi)外車企紛紛從這幾方面入手，推動(dòng)電動(dòng)汽車輕量化發(fā)展，并取得了一定成績(jī)。
    1. 應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料減重顯著
    高強(qiáng)度鋼和鋁合金都可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)車身減重，而汽車用工程塑料和復(fù)合材料則對(duì)車體的減重最為明顯，由此成為汽車輕量化的首選用材。發(fā)達(dá)國(guó)家已將汽車用塑料量的多少作為衡量汽車設(shè)計(jì)和制造水平的一個(gè)重要標(biāo)志。2015年，我國(guó)車用塑料的用量已經(jīng)達(dá)到1046萬(wàn)噸，而且呈逐年上升的趨勢(shì)。
    復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等特點(diǎn)。在復(fù)合材料中，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用一直備受矚目。選用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作結(jié)構(gòu)件、覆蓋件，可減輕質(zhì)量達(dá)30%左右，對(duì)于比燃油車更需要輕量化的新能源汽車，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有更大的應(yīng)用潛力，在未來(lái)汽車輕量化中將會(huì)起到舉足輕重的作用。寶馬i3在碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用方面取得了令人矚目的成績(jī)，是第一款實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的采用碳纖維車身設(shè)計(jì)的車輛，其整備質(zhì)量?jī)H為1224kg，比設(shè)計(jì)之初減輕了250-350kg，很大程度上彌補(bǔ)了電池增加的重量。
    2. 全新制造工藝減少零部件數(shù)量
    碳纖維的應(yīng)用將會(huì)帶來(lái)一場(chǎng)革命，其原因在于碳纖維在汽車上的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)汽車的設(shè)計(jì)思想、開發(fā)流程及制造工藝。碳纖維材料是可設(shè)計(jì)的，其零件工藝是多樣化的，未來(lái)碳纖維應(yīng)用于汽車沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的材料，整個(gè)車和零件的開發(fā)過(guò)程就是材料開發(fā)過(guò)程，也是工藝開發(fā)過(guò)程。
    鋁型材的三維彎曲、鋼鋁焊接以及碳纖維零件的成型是目前面臨的全新工藝。采用新工藝可大大減少零部件使用數(shù)量，實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)。其中，碳纖維總成的方式已取得突破性進(jìn)展。在蘭博基尼Sesto Elemento的項(xiàng)目中，將前圍、地板、后圍集成為一個(gè)整體式座艙，取代了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的48個(gè)零件，把零件分為4—6大片，成型之后直接粘接，工藝簡(jiǎn)單，減重效果突出。整備質(zhì)量在加注燃料和其它液體之前只有960 公斤。
    3. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高材料利用率
    汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可以在保證車身結(jié)構(gòu)性能要求的前提下，提高材料的利用率，減少冗余的材料，而達(dá)到車身結(jié)構(gòu)輕量化的目的，結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。
    拓?fù)鋬?yōu)化作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種，不同于車輛構(gòu)件的尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化，是對(duì)布局和節(jié)點(diǎn)聯(lián)接關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)的某種性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)化。汽車廠在新車開發(fā)時(shí)，公司決策層會(huì)給出一個(gè)整車定義，包括車多大多重，涉及到成本控制，同時(shí)希望車達(dá)到什么性能。拓?fù)鋬?yōu)化能夠在給定設(shè)計(jì)空間，給定設(shè)計(jì)重量、設(shè)計(jì)性能的約束下，迅速得到一個(gè)布局和節(jié)點(diǎn)聯(lián)接基本判斷，為設(shè)計(jì)人員提供結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕、性能最優(yōu)的力學(xué)傳遞路徑方案。
    目前，湖南大學(xué)已經(jīng)用拓?fù)鋬?yōu)化的辦法對(duì)電動(dòng)汽車的骨架進(jìn)行優(yōu)化?；谕?fù)鋬?yōu)化方法的輕量化策略相比常規(guī)輕量化方法可節(jié)約30天左右的開發(fā)時(shí)間、多減重22.4kg，同時(shí)還可以不同程度的提升整車性能。拓?fù)鋬?yōu)化的方法已在電動(dòng)汽車全鋁車身的輕量化上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了成功的探索。湖南大學(xué)研制的第二代樣車實(shí)現(xiàn)了比第一代純電動(dòng)汽車整備質(zhì)量減重18.5%，白車身骨架質(zhì)量(不包括門蓋)由120kg減為90kg，減超過(guò)20%，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)車身減重來(lái)降低電池成本的目標(biāo)。此外，湖南大學(xué)利用拓?fù)鋬?yōu)化的方法通過(guò)五輪迭代，將電池包的結(jié)構(gòu)和整車結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，可將電池直接裝在車體本身。
    電動(dòng)汽車的輕量化不能僅僅追求材料、制造工藝或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的某一方面，而是需要三者互相結(jié)合、互相制約，需要根據(jù)實(shí)際情況平衡各方面的關(guān)系，以便最大程度的實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化。如奇瑞新能源汽車eQ1在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，采用了更加適應(yīng)電動(dòng)車的全新的架構(gòu)設(shè)計(jì)、平臺(tái)化的整車及系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及高安全性設(shè)計(jì)。生產(chǎn)工藝及制造方面將傳統(tǒng)的汽車制造四大工藝過(guò)程簡(jiǎn)化為焊接和總裝并大量采用了線下分裝和模塊化供貨，縮短了流水線的長(zhǎng)度。創(chuàng)造性的提出了全鋁骨架車身平臺(tái)的共享理念。
    我國(guó)電動(dòng)汽車輕量化道路仍面臨阻礙
    我國(guó)輕量化技術(shù)的發(fā)展起步較晚，缺乏經(jīng)驗(yàn)，與國(guó)外先進(jìn)水平有較大差距，發(fā)展電動(dòng)汽車輕量化仍面臨阻礙。
    1. 輕量化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系缺失，發(fā)展目標(biāo)尚不明確
    目前，我國(guó)還沒(méi)有完整的汽車塑料零部件技術(shù)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，包括技術(shù)方面的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)以及輕量化技術(shù)的完整評(píng)價(jià)系統(tǒng)尚未完善，需要經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)積累來(lái)形成指導(dǎo)行業(yè)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
     從國(guó)際上看，美、日、歐都有輕量化明確的發(fā)展指標(biāo)和路線。以美國(guó)整車輕量化的發(fā)展目標(biāo)為例：2020年要在2013年的基礎(chǔ)上降重20%，2025年降重30%，該目標(biāo)還對(duì)整個(gè)組成系統(tǒng)各部分的減重指標(biāo)提出了要求，要求整個(gè)車身系統(tǒng)減重35%，底盤減重25%，動(dòng)力總承減重15%。說(shuō)明該目標(biāo)非常細(xì)致的研究了輕量化實(shí)現(xiàn)的路徑，對(duì)我國(guó)汽車輕量化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定有一定的借鑒作用。
     2. 產(chǎn)業(yè)融合缺乏，產(chǎn)業(yè)鏈尚未建立
     輕量化技術(shù)需要運(yùn)用多學(xué)科交叉融合所形成的的綜合性、系統(tǒng)性知識(shí)，實(shí)現(xiàn)跨產(chǎn)業(yè)協(xié)同，但我國(guó)汽車企業(yè)與材料企業(yè)的融合仍十分缺乏。目前，國(guó)外主要車企均與材料企業(yè)形成緊密的戰(zhàn)略合作關(guān)系，跨國(guó)公司也已形成“碳纖維復(fù)合材料+零部件供應(yīng)商+主機(jī)廠”的產(chǎn)業(yè)化布局。
     碳纖維和新能源汽車的融合將帶來(lái)新一輪的革命，如果自主品牌不提早進(jìn)行布局很可能在這一輪新的革命中被甩開。各跨國(guó)汽車集團(tuán)的材料標(biāo)準(zhǔn)和制品性能標(biāo)準(zhǔn)自成體系，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商實(shí)質(zhì)上很難進(jìn)入跨國(guó)汽車集團(tuán)的供應(yīng)鏈。目前，鋁合金、碳纖維等材料供應(yīng)鏈在國(guó)內(nèi)也較為稀缺。對(duì)于汽車輕量化而言,加快建立起涉及“先進(jìn)材料研發(fā)-原材料生產(chǎn)-零部件制造-整車集成應(yīng)用-回收再利用”等全產(chǎn)業(yè)鏈的需求迫在眉睫。
     3. 材料和加工成本高，新型材料應(yīng)用有限
     目前車用輕量化新材料的成本普遍都偏高，國(guó)內(nèi)每噸鋁合金的材料成本達(dá)4.5萬(wàn)左右，碳纖維的材料成本則每噸高達(dá)80萬(wàn)左右，讓很多中低端車型在碳纖維的使用上望而卻步。此外，材料的加工成本控制難度大，特別是碳纖維復(fù)合材料，由于目前國(guó)內(nèi)技術(shù)尚未達(dá)到一定水平，加工效率低，導(dǎo)致成本進(jìn)一步增加。對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，采用新型輕量化材料意味著傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備的改造，四大工藝中沖壓、焊接、涂裝生產(chǎn)線基本都需要面臨著大幅改造或者重建，需要投入大量人力及財(cái)力，增加了輕量化材料的推廣難度。
     4. 固有開發(fā)思維難突破
     汽車輕量化給國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)帶來(lái)四大方面的挑戰(zhàn)：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、新材料應(yīng)用、新工藝的創(chuàng)新以及整個(gè)開發(fā)流程的變革。特別是碳纖維的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)汽車的設(shè)計(jì)，開發(fā)流程、設(shè)計(jì)思想以及制造工藝。在實(shí)踐過(guò)程中，大多數(shù)企業(yè)難以突破固有思維模式，甚至以鈑金車體的思維來(lái)套用碳纖維的應(yīng)用。此外，輕量化要求更多的創(chuàng)新思維，例如傳統(tǒng)的副車駕有八到十個(gè)零件，如果將包邊兒的概念用到副車駕上，零件數(shù)量則大大減少，焊接越少則強(qiáng)度越高。這不僅是新工藝的問(wèn)題，而需要通過(guò)工藝創(chuàng)新的思維來(lái)解決。
     5. 人才短缺，技術(shù)研發(fā)能力不足
     輕量化技術(shù)的發(fā)展需要既懂材料又懂汽車的跨學(xué)科人才，目前由于缺乏交叉學(xué)科人才，材料、工藝、整車廠之間互不了解，廠商與科研團(tuán)隊(duì)之間溝通不暢，產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合程度不緊密，沒(méi)有合理分工，基礎(chǔ)性研究和技術(shù)開發(fā)研究有機(jī)銜接不夠，嚴(yán)重阻礙了輕量化進(jìn)程。
     對(duì)我國(guó)發(fā)展電動(dòng)汽車輕量化的建議
     1.建立標(biāo)準(zhǔn)體系
     零部件生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的缺失會(huì)導(dǎo)致企業(yè)沒(méi)有明確的研發(fā)、生產(chǎn)目標(biāo)及規(guī)范，不利于行業(yè)持久健康的發(fā)展。目前應(yīng)盡快建立我國(guó)自身的材料認(rèn)證體系，進(jìn)行材料的性能檢測(cè)、應(yīng)用驗(yàn)證、技術(shù)穩(wěn)定性與安全可靠性評(píng)價(jià)等。
     2.加強(qiáng)各領(lǐng)域結(jié)合，盡快建立產(chǎn)業(yè)鏈
     輕量化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)是各相關(guān)領(lǐng)域相互協(xié)調(diào)、相互配合，要鼓勵(lì)產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作，組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，支持汽車工業(yè)與國(guó)內(nèi)材料行業(yè)之間深入交流，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，讓一部分性能穩(wěn)定、品質(zhì)過(guò)硬的國(guó)產(chǎn)材料優(yōu)先進(jìn)入汽車產(chǎn)業(yè)鏈。
     3. 調(diào)整固有模式，廣泛利用資源
     汽車電動(dòng)化顛覆了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，而輕量化則又顛覆了整個(gè)車身，由此帶來(lái)設(shè)計(jì)、工藝、裝備的變革，原有的技術(shù)存量將逐漸被淘汰。企業(yè)當(dāng)前應(yīng)直面科技革命和產(chǎn)業(yè)重構(gòu)帶來(lái)的影響，調(diào)整生產(chǎn)平臺(tái)及開發(fā)模式，利用廣泛的國(guó)際資源來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，建立新興組織結(jié)構(gòu)模式。在新的變革中，原料供應(yīng)商將變成部件供應(yīng)商，隨之而來(lái)的還有回收再利用的問(wèn)題，以及零部件成本降低帶來(lái)的整車廠建設(shè)投資等一系列的改變。
     4. 培養(yǎng)跨行業(yè)人才，提高創(chuàng)新意識(shí)
     目前我國(guó)汽車輕量化領(lǐng)域跨學(xué)科人才缺乏，導(dǎo)致技術(shù)研發(fā)能力薄弱，應(yīng)加強(qiáng)跨學(xué)科人才的培養(yǎng)，建立“外培項(xiàng)目”，提前儲(chǔ)備交叉學(xué)科人才。此外，面對(duì)產(chǎn)業(yè)的變革，研發(fā)人員需突破舊有的思維模式和研發(fā)思路，提高創(chuàng)新意識(shí)，以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)變革的需要。