汽车也减肥

有数据表明，如果汽车的整备质量每降低10%，那么燃油经济性便可以提高6%～8%，更直白的说，汽车的整备质量每减少100kg，那么每百公里油耗则可以降低0.3～0.6升。事实上，汽车整备质量降低还能提升车辆的行驶性能——同样动力的发动机，能带来更快的加速性能，同时还可以改善尾气排放。

一直以来，汽车厂商对于汽车轻量化的研究从未停止过。并非是出于对能源危机的思考，而是从根本上提升汽车的性能，推动汽车产业技术进步。就像人体一样，减脂以后整个人会更加精神，而且生活的品质会得到提升，生活半径也会扩大。在20世纪50年代的时候，德国Setra（原凯斯鲍尔）汽车公司借鉴飞机骨架的设计想法，在现代化的客车设计上首次采用全封闭的车身结构，将底盘和车身骨架融合在一起，这是世界客车界最早的全承载式大型客车。从性能上来看，全承载式车身具有安全性能高、舒适性好、整备质量轻、经济性好等特点。从此以后，德国的Neoplan、MAN纷纷效仿Setra，先后推出了全承载式车身客车。

承载式车身完全可以看作是早期的汽车轻量化，在商用车领域，客车（包括轻型Van）也是最早采用承载式车身的车型，像货车由于载重的需求，还必须保留沉重的大梁。在乘用车领域，轻量化的进程就要更早了。在1914年的时候，道奇就开始批量制造金属车身汽车，摆脱了木制车身结构，这也意味着汽车在随后百年的时间里开始了逐步的进化。到20世纪30年代的时候，雪铁龙的Traction Avant已经具备了前轮驱动、承载式车身和前独立悬挂等先进的技术特征。而在此后的几十年里，欧洲的汽车工业因为安全、环保等法规的不断完善，汽车厂商开始对轻量化越来越重视，像我们熟知的铝合金发动机、铝合金悬挂摆臂、铝合金车身、复合材料车身覆盖件、轻量化内饰甚至碳纤维轮圈，都是为应对轻量化而诞生的新事物。车子越轻，跑得就越快，经济性自然更好，现在这是人们最在意的事情。

减重从发动机开始

有一种说法是，“车头轻了，转向就灵活了”。这大概是汽车媒体从业人员长期测试试驾车总结出来的经验。但不可否认的是，在普通的家用轿车结构上，大约50%～60%的重量都集中在车身前部，所以制动系统的设定也是70：30的前后關系。而关系到车头重量的关键，就是发动机自身的整备质量了，汽车轻量化的实施应该从车头开始。

传统的铸铁缸体发动机因为重量大、经济性差，逐渐在汽车领域被铝合金材料制成的缸体所取代。在上世纪80年代末期的时候，铃木G、K系列（G13B、K14B）和本田D系列（D16）发动机就已经开始使用铝合金缸体了。虽然从物理学上来看，铝的质量小于铁，但铝材料本身很软，抗压能力较差，所以需要在做成成品时添加其他金属来增加强度——于是我们接触到的汽车发动机缸体，其实都是铝合金材料制造的。早期的发动机缸体和缸盖几乎都是由铸铁材料制造的，尽管铸铁缸体和缸盖具有较高的强度和耐用性，而且成本更容易控制，但在轻量化面前显然不具备优势。从铸铁到铝合金，再引入复合材料，发动机的缸盖、缸体、进气歧管甚至油底壳、活塞等部件无所不进行着“瘦身”运动。从重量上来看，铝合金发动机相比铸铁发动机，在相同排量和气缸数的前提下，可以减重10%～20%左右，这对提升经济性至关重要。

而另一种发动机轻量化的方式，就是小排量、涡轮增压化，尤其是最近几年非常流行的1.0T、1.2T发动机，其动力已经达到了1.8、2.0升自然进气发动机的水准，并且小型化的发动机还将三缸结构重新带回到市场来。实际上，三缸机“死灰复燃”是源于欧盟在2014年2月份发布的法令：到2020年欧盟范围内所销售的95%的新车，二氧化碳排放平均水平须达到每公里不超过95克。如果到时不达标，就要受到重罚。

三缸发动机的劣势大概读者朋友都知道，由于少了一个气缸，进气量减少了，因此三缸发动机的动力性能不如四缸发动机。尤其在低转速、涡轮还未完全介入前，发动机的扭矩较弱。此外，抖动问题也是消费者普遍所关注的性能指标之一。由于上世纪90年代遍布大街小巷的奥拓、夏利都采用了三缸发动机，所以许多人会把这种机器与低端车联系起来。不过当下的三缸机已经完全可以解决抖动问题了，双平衡轴、双质量飞轮等措施已经将震动降到最低了，再加上液压悬置机构，目前的Turbo三缸机的NVH可以和四缸机媲美。

车身减重的目的也是为了实现更低的油耗、更好的燃油经济性，尤其对于大车身尺寸的豪华车来说，这就显得更有必要了

当然免不了解答为什么三缸机会大规模出现的问题。一方面是用三缸机做出自然进气四缸机的动力，另一方面是因为三缸机轻巧、结构紧凑，少了一个气缸，少了一个活塞和连杆，少了一组配气机构，凸轮轴和曲轴的长度也相应地缩短了，发动机本体的长度有效缩短，在整备质量上能减重10%以上，这样就使得汽车的车头减轻了负担，转向更灵活，车辆的经济性更好。

伴随着发动机结构的优化，更加紧凑的排气机构也成为当下的流行趋势，这也能减轻发动机重量，尤其是与涡轮增压器集成在一起的新式排气歧管。其实这种紧凑的排气机构也是根据排放法规而做出的结构升级，在国五甚至国六（欧五、欧六）排放要求里，对于冷启动排放有严格限制，缸盖集成排气歧管可以充分利用排气热量迅速提高水温和机体温度，降低启动时的尾气浓度并缩短冬季暖機时间，这也是降低油耗、排放和整备质量的有效方法。总体来说，将排气歧管和涡轮增压器集成在一起的好处显而易见：发动机减重约3～5kg、催化器起燃时间缩短至少5秒、大负荷排温降低50℃、提升缸盖NVH、增加可靠性、机舱温度降低等等。所以一时间，众多新推出的涡轮增压发动机都采用了这一新设计。

车身“偷轻”的方式多种多样

其实和发动机“减脂”的套路一样，车身减重的目的也是为了实现更低的油耗、更好的燃油经济性，尤其对于大车身尺寸的豪华车来说，这就显得更有必要了。所谓车身轻量化并非是用薄钢板，而是采用重量更轻、强度更好的材料，比如碳纤维或者铝合金，甚至是复合焊接工艺的材料。在文章开头我们就说过，若整车重量降低10%，燃油经济性就可以提高6%～8%；汽车整备质量每降低100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6升。可以说，众多工程师呕心沥血就为了这零点几升的油耗。

奥迪是最早提出全铝车身概念的品牌，不仅之前的旗舰产品A8采用，在1999年推出的A2也采用了铝合金车身，但因为在当时受制于成本因素，A2的售价并不便宜，所以导致这台车的市场表现并不好。不过奥迪全新一代旗舰A8并没有完全采用全铝车身，而是转而采用复合材料焊接工艺的车身，也就是说车身不只有铝合金，还有其他材料，分别用在不同的车身部位。另一家以铝合金车身为卖点的品牌就是捷豹，其XFL采用全铝车身之后减重效果十分明显，整备质量仅有1590kg，和一台中型车相当，它的竞争对手宝马5系、奔驰E级以及奥迪A6L车重都在1750kg以上。这就是铝合金车身的优势，省下来的重量也让XFL动态表现更加灵活、轻巧。

实际上，为了获得更好的动态表现，凯迪拉克在“偷轻”这件事上做出了另一种尝试——将铝合金材料和钢制车身相结合，也实现了降低整备质量的目的。比如凯迪拉克目前的旗舰产品CT6，其车头、车顶和车尾多处主要结构都采用了铝合金材料，整车占比高达64%，相比传统钢制车身降低了99kg，相当于两位女性乘客的重量了。当然，铝合金材料虽然轻巧，但是制造成本仍然比钢制材料高，更重要的是在发生车损事故后，铝合金材料的钣金难度很高，通常只能更换损坏的部件，所以也给售后维修提出了更高的考验。

相较于铝合金的轻，汽车厂商似乎找到了另一种可能性——CFRP碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer）。这种材料的密度通常在1.7g/cm3，意味着比钢材要轻，甚至比铝合金更轻。在高达2200℃的温度下，CFPR依然能够保留正常室温时的强度，并且断裂韧性、抗疲劳性、抗蠕变性拉伸强度和弹性模量都高于一般的碳素材料。在波音梦想客机787上就大量使用了CFRP，F-35战斗机也是这种材料的受益者。

在BMW i3亮相前，大概常见的、大量使用碳纤维材料的车型就是迈凯伦了，他们家独树一帜的单体壳碳纤维车体具有更高的强度，可以将驾驶员和乘客牢牢地包覆住，在发生碰撞时不至于受到伤害。2017年初发布的720S车型就采用了第二代单体壳车身，Coupe版车型的整备质量只有1283kg，比650S轻了18kg。在全新4.0T V8发动机的加持下，官方公布的0-200km/h加速时间为7.8秒，而上一代650S需要8.4秒。

专属于911 Turbo S Exclusive Series的20英寸轮圈，采用全碳纤维复合材质CFRP打造，重量仅为8.5kg，较同尺寸的铝合金轮圈轻了20%，而刚性表现上则多出20%。

现在BMW i3电动车推出以后，则成为了“最便宜”的碳纤维车身车型——42.28万元起。它的车身轻到什么程度？两个成年人就可以抬起来。据说在设计之初，BMW的工程师打算使用铝合金材料，但最后为了突出科技感，还是使用了CFRP，使得整备质量比原始设计减轻了250～350kg，加上电池也仅有1224kg。而全新7系在材料选择上要谨慎许多，并未全部使用CFRP，而是有的放矢。透过钢材和CFRP材料的结合，新7系整备质量较上一代减轻了130kg，车体骨架减轻约40kg，强化了车身的抗扭刚性，变相提升了动力性和经济性。

现在已经有越来越多的厂商投入到新材料的研究上来，显而易见的是，以后的汽车不仅会越来越智能，也会越来越轻。而且不仅是表面看到的车身在减重，底盘部分的零件也在同步减重。比如德国ZF采埃孚采用玻璃纤维增强塑料制成的，能引导车轮的横向叶片弹簧就装备在了沃尔沃新一代XC90和S90上，同樣起到了车身轻量化的目的。与传统的多连杆后桥相比，ZF的这个方案能减轻13%的重量（6kg）。如果不是看官方图片或者趴在地上观察，或许我们永远不知道车身结构已经在悄无声息的发生变化，这个轻量化的时代一切都变得很快。

车轮也正在走向轻量化

记得曾经有日本BBS轮圈品牌的工程师说过，在非簧载质量下，如果轮圈的重量减轻哪怕1kg，就相当于整车质量降低了15kg。其言论中所透露的道理很简单，如果能减轻弹簧下部的重量——轮圈的重量，那么动力性能将极大得到改善。早年间就有宝马、福特等汽车厂商致力于碳纤维轮圈的研发，最后因为强度、成本、量产等因素而被迫放弃。不过在2017年8月18日，保时捷发表了量产版本的碳纤维轮圈，官方消息显示从2018年开始，碳纤维轮圈将作为911 Turbo S Exclusive Series的选装配件，目前仅有20英寸可供选择，德国选配价格为15232欧元，已经贵得要起飞了。

实际上早在2008年的时候，一款名为DYMAG CARBON的半碳纤维轮圈就在市面上出现过，它采用碳纤制作轮圆，而轮辐则保留金属材质，不过选用了质量更轻的镁铝合金。根据资料显示，这款20英寸的复合材料轮圈重量比普通铝合金轮圈轻了2kg，四个轮圈总共轻了8kg，理论上非簧载质量轻了120kg，这对于操控以及动力性能都大有提升。后来在2009年的时候，日本的Weds Sport品牌又发布了一款采用全碳纤维制造的轮圈。这款型号为Weds Sport TC105N的轮圈单体重量为2.76kg，在当时的售价为8～10万元人民币之间，已经是非常昂贵的配件了。

现如今，CFRP材料已经从车身骨架蔓延到了车轮上，汽车轻量化这条路真是越走越深，前方是什么样子，谁也说不清楚。不过以现在的技术追求轻量化，碳纤维无疑是最合适的材料，它具有轻便、强度高等优势，但就是制造工艺复杂，成本居高不下。碳纤维成品是由众多如丝般的纤维编织在一起的，其制作过程有点类似于织布，然后经过高温压制才形成最终的高硬度成品。来自保时捷的资料显示，这款专属于911 Turbo S Exclusive Series的20英寸轮圈，采用全碳纤维复合材质CFRP打造，重量仅为8.5kg，较同尺寸的铝合金轮圈轻了20%，而刚性表现上则多出20%。更加令人吃惊的是，打造这样一款轮圈，需要长达18公里的碳纤维来编织。

保时捷表示，采用轻量化材料的轮圈可使悬挂更好地贴紧道路，并更好地吸收纵向和横向的应力。而较低的旋转质量也意味着在加速和制动方面更加轻盈，能创造更好的驾驶乐趣。保时捷还透露，车轮的中心采用交织性的碳纤维织物生产，通过200多个单独的部件切割、组装而成。为了生产这套轮圈，保时捷为此还投资了全球最大的碳纤维编织机。由碳纤维织物组装而成的车轮中心（轮辐结构），然后再被编织到轮辋上去。在高压和高温下进行树脂填充和固化前，编织机还要将轮辋和轮辐部件整合在一起。

轻量化课题在汽车上无处不在，从发动机到车身，从悬挂到车轮几乎随处可见，更轻盈的汽车必然也会带来更低的排放和更多的乐趣。

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