基于ECB的车身轻量化材料应用趋势

应用现状和应用趋势。研究结果表明，车身轻量化材料向多元化发展，多材料复合车身是未来车身的发展方向，高强钢和铝合金的应用随着市场波动呈现出一种此消彼长的交替变化关系，成本和产能是制约复合材料从高端车型向中低端车型扩展的主要因素。

关键词：轻量化;高强钢;铝合金;复合材料

中图分类号：U463.82  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）19-179-05

Abstract： In order to provide reference for the selection of body materials and better guide the lightweight design of body. On the basis of introducing the theory of body lightweight， the application status and trend of high strength steels， aluminium alloys and composite materials are analyzed by classifying and counting ECB body materials. The results show that the development of lightweight materials is diversified， and multi-material composite body is the future development direction of automobile body. The application of high strength steels and aluminium alloys shows an alternating changing relationship with the fluctuation of market. Cost and productivity are the main factors that restrict the expansion of composite materials from high-end models to low-end models.

Keywords： Lightweight; High strength steels; Aluminium alloys; Composite materials

CLC NO.： U463.82  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）19-179-05

前言

欧洲车身会议（EuroCarBody），简称ECB，每年10月在德国小镇巴特瑙海姆举行，至2018年已经举办20届。ECB以汽车轻量化为主题，是车身领域的顶级峰会，代表着全球汽车车身发展趋势。每年的ECB参展车身，展示了白车身最新设计理念和轻量化技术应用成果，反映了车身发展的最新水平，已成为车身发展的风向标[1]。通过对历年车身材料应用的统计分析，可以看出车身轻量化材料的应用趋势，从而为新开发车型车身材料选择提供参考依据。

1 轻量化理论介绍

1.1 车身轻量化系数

车身轻量化系数是目前被行业普遍接受的评价车身轻量化水平的一个重要指标。车身轻量化系数考虑了车身质量水平、车身扭转刚度、车身尺寸大小，对白车身结构优化设计及轻量化材料的合理选用有重要意义[2]。

车身轻量化系数的定义如下：

式中，L为轻量化系数;MBIW为白车身质量;CT为白车身静态扭转刚度;A为白车身正投影面积，由整车轴距与轮距相乘得到。

轻量化系数越小，说明轻量化技术水平越高。

2018年ECB车身的轻量化系数如图1所示。2009-2018年ECB车身轻量化系数变化曲线如图2所示。

1.2 车身轻量化途径

目前車身轻量化技术的主要思路是：在兼顾车身性能和成本的前提下，采用轻质材料、新工艺及结构优化设计，尽可能地降低车身重量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合指标[3]。车身轻量化途径包括：结构设计优化、轻质材料替代、先进制造工艺[4]。

结构设计优化是车身轻量化的重要途径，是车身轻量化基础和前提，通过轻量化设计使材料、最优的结构形状和尺寸用在车身结构合适的位置，使每部分材料都能发挥出最大的承载或吸能作用，可以提高材料利用率。

轻质材料是指可用来降低零部件重量的材料，主要包括两大类：一类是高强度材料，如先进高强钢、超高强钢、热成型钢等，一类是低密度的轻质材料，如铝合金、镁合金、碳纤维增强复合材料等。

先进制造工艺是指为了满足轻量化材料应用以及实现零件集成化设计所采用的工艺技术，包括先进成型工艺和先进连接工艺。先进成型工艺有热冲压成型、辊压成型、液压成型、微发泡成型、半固态成型、激光拼焊、柔性轧制等。先进连接工艺有：铝电阻点焊、自冲铆接、TOX无铆连接、结构胶粘接、搅拌摩擦焊、激光螺旋焊等。

2 ECB车身材料应用分析

2.1 ECB车身分类

根据车身材料构成，可以将ECB车身分为四类：钢制车身、铝制车身、钢铝混合车身、多材料复合车身。通过对2009-2018年108个ECB车身进行分类统计，各类车身数量统计结果如图3所示，各类车身数量的历年变化曲线如图4所示。

从统计结果可以看出，铝制车身应用较少，钢制车身应用呈现逐年下降趋势，钢铝混合车身及多材料复合车身呈现波动式增长趋势。

2.2 ECB车身材料应用现状

通过对ECB车身材料进行分类统计，钢材、铝合金及其他材料的应用比例如图5所示，从统计结果可以看出，钢材应用比例超过75%，是最主要的车身材料，铝合金应用比例接近20%，仅次于钢材，是第二大车身材料，其他材料应用比例不足5%。

车身材料历年应用比例曲线如图6所示，钢材与铝合金材料应用比例关系曲线是一种此消彼长的交替变化曲线，同一年份钢材应用比例的上升将导致铝合金应用比例下降，钢材应用比例下降则对应铝合金应用比例上升。钢材及铝合金应用比例的波动变化，说明了车身轻量化设计不再以单独追求减重为目标，反映了市场环境与车身性能、成本之间的动态平衡。

3 轻量化材料应用现状

3.1 高强钢应用现状

3.1.1 高强钢分类

根据强度等级对钢材进行分类，目前没有统一的分类标准。世界钢铁协会按屈服强度将钢材分为：普通钢、高强度钢、超高强度钢。屈服强度小于210MPa的称为普通钢;屈服强度在210～550MPa之间的称为高强度钢;屈服强度超过550MPa的称为超高强度钢。日系车型按钢的抗拉强度分类，将抗拉强度不低于340MPa的冷轧钢板和抗拉强度不低于490MPa的热轧钢板统称为高强度钢板。欧美系车型按钢的屈服强度分类：屈服强度高于180MPa（含180MPa），低于300MPa的为高强度钢;屈服强度高于300MPa（含300MPa），低于600MPa的为先进高强度钢;屈服强度高于600MPa（含600MPa）的为超高强度钢。欧洲车身会议将钢材分为软钢（LSS）、高强度钢（HSS）、先进高强度钢（AHSS）、超高强度钢（UHSS）和热成型钢（PHS）。国内一般将高强度钢分为传统高强度钢和先进高强度钢。

为了方便车身钢材的应用统计，结合国内分类及欧洲车身会议分类，将钢材分为软钢、普通高强钢和先进高强钢三类。软钢主要包括低碳钢（Mild）、无间隙原子钢（IF）等。普通高强钢主要包括烘烤硬化钢（BH）、各向同性钢（IS）、高扩孔钢（HE）、加磷高强钢（P）、高强度无间隙原子钢（HSIF）、低合金高强度钢（HSLA）、碳锰钢（CMn）等。先进高强钢主要包括双相钢（DP）、相变诱导塑性钢（TRIP）、马氏体钢（MS）、复相钢（CP）、孪晶诱导塑性钢（TWIP）、淬火延性钢（Q&P）、热成型钢（PHS）等。

3.1.2 高强钢在车身上的应用

高强钢主要应用在车身结构加强件上，包括前纵梁、后纵梁、门槛梁、A柱、B柱、前后防撞梁、车门防撞梁、前围横梁、地板横梁、顶盖横梁、中央通道等[5]。

Volvo V60（ECB2018）采用钢铝混合车身，高强钢应用比例高达63.8%，其中热成型钢应用比例为24.6%，热成型钢应用零件包含A柱、B柱、门槛、纵梁、横梁等，如图7所示。

3.2 铝合金应用现状

3.2.1 铝合金分类

按化学成分分类，铝合金可分为1-9系铝合金。铝合金命名一般由4位数字加上基础状态代号构成。首位数字代表主要合金元素代号。铝合金牌号含义如表1所示。

根据合金元素和加工工艺特性，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金包括板材、箔材、挤压材、锻件等，一般在汽车上主要用于制造车门、发动机罩、行李箱盖等车身覆盖件以及前后防撞梁、门槛、车身框架等结构件。铸造铝合金具备优良的铸造性能，可以根据使用目的、零件形状、尺寸精度、质量标准、机械性能、成本目标等要求选择适合的铝合金材料和铸造方法，主要用于制造发动机缸体、变速器壳体、离合器殼体、转向器壳体、车轮、减震塔座等。

车身用铝合金一般分为铝合金板材、挤压铝合金和铸造铝合金三类。铝合金板材主要用于车身外覆盖件。挤压铝合金主要用于前后防撞梁、门槛梁、纵梁、横梁等断面规则的简单结构件。铸造铝合金主要用于功能集成的复杂结构件。

Jaguar I-PACE（ECB2018）采用多材料复合车身，铝合金应用比例高达84%，其中铝合金板材54.3%，挤压铝合金14.1%，铸造铝合金15.6%。铝合金应用范围如图8所示，其中铝合金板材应用零件有发动机罩、后背门、前后车门、前翼子板等;挤压铝合金应用零件有前防撞梁、门槛梁、后防撞梁吸能盒等;铸造铝合金应用零件有前后减震塔座等。

3.3 复合材料应用现状

3.3.1 复合材料分类

复合材料分为热固性树脂基复合材料、热塑性树脂基复合材料、碳纤维增强复合材料、天然纤维增强复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等[6]。其中热固性树脂基复合材料、热塑性树脂基复合材料和碳纤维增强复合材料在车身结构中应用较多。

热固性树脂基复合材料是以热固性树脂为基体，以玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等为增强材料制成的复合材料。按成型工艺，可分为片状模塑料（SMC）、团状模塑料（BMC）、树脂传递模塑（RTM）、增强反应注射成型（RRIM）、结构反应注射成型（SRIM）等。热塑性树脂基复合材料是以热塑性树脂为基体，以玻璃纤维、织物纤维及其他充填物为增强材料的复合材料。主要有玻璃纤维毡增强热塑性复合材料（GMT）、长纤维增强热塑性复合材料（LFT）等。碳纤维增强复合材料（CFRP）是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料。

3.3.2 复合材料在车身上的应用

车身中应用的复合材料主要有SMC、GMT、LFT、CFRP等。SMC是一种干法制造不饱和聚酯玻璃钢制品的模塑料，主要原料由专用纱、不饱和树脂、低收缩添加剂，填料及各种助剂组成。SMC主要用于翼子板、发动机罩、后背门、顶盖、备胎仓等。GMT是一种以热塑性树脂为基体，以玻璃纤维毡为增强骨架的复合材料[7]。由于GMT材料具有冲击韧性好、重量轻、生产效率高、加工成本低、可再生利用等优点，能够取代部分钢材和铝材。主要应用于前端模块、后防撞梁、车门内板等零件。LFT即长纤维增强热塑性复合材料，主要应用于前端模块、备胎仓、车身地板等。CFRP即碳纤维增强复合材料，具有较高的比强度、比刚性，减重效果明显，在高端及小批量生产车身结构中的应用较多[8]。BMW 7 Series（ECB2015）采用碳纤维内核车身结构，应用了16个碳纤维增强复合材料零件，如图9所示。

4 车身轻量化材料应用趋势

4.1 高强钢应用趋势

车身的轻量化，要求车身所采用的钢材等材料必须自重轻、强度高。高强钢的应用是汽车轻量化及节能减排的必然趋势。通过统计2009-2018年ECB车身材料应用情况，可以看出钢材特别是高强钢在相当长的时间内仍将是车身最主要的原材料。2009-2018年ECB车身钢材应用变化曲线如图10所示，软钢及普通高强钢应用比例呈现波动下降趋势，先进高强钢的应用比例呈现波动上升趋势。

由于整车成本和研发效率等因素的限制，同时考虑高强钢长期积累的制造技术优势、成熟的成形经验和优异的性价比，决定当前阶段车身轻量化技术的主要方向是先进高强钢的开发和应用[9]。

4.2 铝合金应用趋势

2009-2018年ECB车身铝合金材料应用变化曲线如图11所示。铝合金目前已成为仅次于钢材的第二大车身材料。应用铝合金的目的是为了降低新能源应用带来的整车重量的增加。与钢材相比，铝合金具有密度小、耐腐蚀性好、加工成形性好、比强度和比刚度较高、回收利用率高等优点，可以降低产品能耗、减少污染、提高燃料的经济性[10]。

1994年第一代奥迪A8和2002年第二代奥迪A8均采用全铝车身，2010年第三代奥迪A8铝合金比例为93.1%，2017年最新一代奥迪A8铝合金比例则降低至65.3%。2009-2018年的ECB车身中仅有一款全铝车身，全铝车身不是车身材料应用的主流方向。

在钢铝混合车身和多材料复合车身中，铝合金应用比例从1.2%-95%不等。中低端车型，铝合金应用比例较少，随着车型价位的升高，铝合金应用比例逐步增加。从车身应用部位分析，铝合金板材从发动机罩开始，逐步扩展到车身覆盖件;挤压铝合金从前后防撞梁开始，逐步扩展到车身架构件;铸造铝合金从前后减震塔座开始，逐步扩展到集成式结构。

4.3 复合材料应用趋势

ECB车身中多材料复合车身数量最多，占比最大，说明多材料复合车身是未来车身发展的方向。ECB车身中复合材料总体占比不足5%，应用比例偏低，说明复合材料在车身中的应用仍有很大的发展潜力。复合材料应用比例大于10%的ECB车身全部是高端及小批量生产车型，如图12所示，说明成本和产能是制约复合材料应用的主要因素。复合材料的应用主要由新能源汽车产业的发展和车身轻量化需求驱动，随着复合材料技术水平的提高、大批量供货能力的提升和成本的降低，复合材料在车身上的应用将从高端车型向中低端车型扩展。

5 结论

通过对ECB车身材料进行分类统计，当前车身轻量化材

料以高強钢、铝合金和复合材料为主。多材料复合车身是未来车身的发展方向，车身轻量化材料向多元化发展，材料选择更加强调合适的材料用在合适的部位。高强钢和铝合金在车身轻量化材料中占比最大，是目前最主要的轻量化材料解决方案，两者的关系随着市场波动呈现出一种此消彼长的交替变化关系。复合材料在高端小批量车型中应用较多，在中低端和大批量生产车型中应用较少，成本和产能是制约复合材料从高端车型向中低端车型扩展的主要因素。随着技术水平的提高，复合材料在车身中的应用有很大的发展潜力。

参考文献

[1] 董学锋.车身材料与车身轻量化[J].汽车工艺与材料， 2017（7）：1-18.

[2] 郎勇.汽车轻量化评价方法[J].汽车实用技术，2018， No.263（08）： 130-134+166.

[3] 高阳.汽车轻量化技术方案及应用实例[J].汽车工程学报，2018，8 （1）：1-9.

[4] 武万斌，年雪山.汽车轻量化技术发展趋势[J].汽车工程师， 2017（1）： 15-17.

[5] 郎勇.车身轻量化技术[J].汽车实用技术， 2018（5）：104-108.

[6] 韩维建，等.汽车材料及轻量化趋势[M].北京：机械工业出版社， 2017.

[7] 贺光玉，向宇.先进复合材料在汽车工业中的应用[J].汽车零部件， 2013（5）：86-92.

[8] 俞瑷权，卢朕.碳纤维复合材料在汽车行业的应用[J].上海汽车， 2013（7）：48-52.

[9] 赵一鸣，郑德兵，柳一凡.基于车身轻量化技术的高强钢应用趋势[J].汽车与配件， 2016（46）.

[10] 张胜俊，李辉.汽车车身铝合金板材的应用及发展趋势[J].汽车工程师， 2015（3）：16-18.

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