輕量化材料的案例
汽車輕量化材料及連接技術現狀分析
摘要：汽車輕量化技術是汽車節能減排的有效手段，文章結合歐洲車身會議信息，對車用輕量化材料及其連接方式作簡要介紹，以供汽車行業技術人員參考。
前言
近年來，隨著汽車保有量和產銷量的不斷增加，汽車工業與能源、環境之間的矛盾愈演愈烈，同時國家對節能減排的需求越來越迫切，國家環保政策也逐漸加嚴，因此，汽車行業的節能減排也是迫在眉睫的事情。降低汽車燃油消耗、減少尾氣排放最直接的途徑就是輕量化，是指在保證零部件使用性能和行駛安全性的前提下，實現整車減重。實驗證明，汽車減重 10%，油耗將減少 6-8%，排放減少 6%，制動距離減少 5%，加速時間減少 8%，轉向力減少 6%，輪胎壽命提高 7%，材料疲勞壽命提高 10%。因此，輕量化已經成為世界各國汽車制造商提高自身競爭力的重要手段。汽車輕量化技術是結構設計、材料、工藝的集成應用，主要途徑有：（1）新材料的應用，主要是采用輕質高強材料及其成型技術，以達到減輕零部件重量的目的。（2）結構優化設計，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復合化以及對車身零部件進行結構和工藝的改進等。其中輕量化材料及其連接技術是關鍵問題，本文針對目前輕量化材料及連接技術做簡單分析，供汽車輕量化技術工作者參考。
1 輕量化材料
目前，汽車車身輕量化材料主要有高強度鋼、鋁合金、碳纖維復合材料等輕質高強材料，其中，高強度鋼是性價比最好、最具吸引力的材質。
展開 汽車輕量化的“三駕材料馬車”
輕量化作為汽車節能減排的重要途徑，如何讓汽車更輕，跑得更快，更省油，已是現代轎車不可逆轉的趨勢。
雪佛蘭 Volt
為達到輕量化效果，整車制造商通常采用結構輕量化、制造工藝輕量化以及材料輕量化等技術及材料來實現。而其中，尤以材料輕量化帶來的減重效果立竿見影！
BMW i3因大量采用碳纖維增強復合材料，有效實現減重。
比如，雪佛蘭 Volt 整備質量為 1700kg，比亞迪 e6 為 2295kg，而尺寸相當的 BMW i3，由碳纖維增強復合材料（CFRP）打造，整備質量 僅為 1224kg，減重顯著。
材料輕量化的“三駕馬車”
基于結構和制造工藝的積累與進步，新材料的使用呈現出多元化的發展，綜合來看，可以將其形象化為“三駕馬車”。
汽車輕量化材料的“三駕馬車”
超高強度鋼
在低碳鋼鋼板基礎上，采用不同強化機制得到高強度鋼板，并利用高強度特性，在保證車身 機械性能的前提下，減薄厚度，進而降低汽車質量。有研究表明: 當鋼板厚度分別減小 0. 05、0.1、0.15 mm 時，車身質量可分別減少 6%、12%、18%。
以沃爾沃為例，S60 長軸版在車輛 A、B、C 柱、側面防撞梁、底盤加強梁、后保險杠等這些 關鍵部位，使用了超高強度硼鋼（一種比普通鋼材強度高 4 倍，卻比普通鋼材更輕的材質），使用率為 37.6%，白車身重量僅為 321Kg，而在同尺寸車型中，白車身重量一般在 350~400Kg。
沃爾沃S60長軸版。
展開 輕量化技術和材料在汽車工程中的應用
引言
汽車輕量化是在保證汽車安全性能前提下，降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，實現節能減排的目的。尤其是“碳達峰”和“碳中和”被提出后，對汽車節能減排的需求更為迫切。對于燃油車，汽車質量每減少10%，汽車燃油效率將會增加6%~8%；而新能源汽車每減重10%，續航里程可提升5%~6%，由此可見，無論是在提高汽車性能，還是在實現汽車節能、降耗、增加續航里程方面，輕量化都是汽車的重要技術路徑之一。
輕量化技術涉及結構設計、計算仿真、材料技術、制造工藝、連接技術及試驗評價等多方面內容，結構質量的降低是多因素協同作用的結果，超高強鋼、鋁合金、鎂合金和碳纖維復合材料等輕量化材料的使用是關鍵因素。本文從設計、材料、工藝3個角度對輕量化技術進行介紹，并著重對主要輕量化材料的性能特點及應用現狀進行總結。
1 結構輕量化的技術路徑
1.1 結構優化技術
結構優化技術是指在原經驗設計的基礎上，利用計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）的方法，對材料的承載狀態、工藝特性進行仿真，進一步指導對原結構的設計優化，主要包括拓撲優化、尺寸優化、形狀優化、形貌優化等。引入CAE仿真方法，對零部件及整車進行結構優化，可明顯提高車輛的輕量化設計水平。
整車開發流程中一般會對初始設計進行多輪的結構優化。拓撲優化是在零部件概念設計階段，基于零部件的主要載荷狀態，使材料在設計空間內進行優化分布，以獲得最優的拓撲結構。
展開 都在標榜輕量化，那汽車輕量化是否大勢所趨？
所以，使用輕量化技術對汽車市場的發展有重大意義。
怎樣實現輕量化
在現今的汽車市場上，輕量化材料是車企實現汽車輕量化的常用方法。眾所周知，碳纖維、鋁合金熱成型鋼在質量上都比傳統的普通鋼要輕，而且強度與韌度性都顯優勢，以碳纖維為例，其強度是鋼的7-9倍，而且比鋼輕50%。因此，近年來，車企會在汽車的承載白車身、發動機蓋、懸掛等地方換用這些輕量化材質。
新一代寶馬7系的白車身就是采用了鋼、鋁合金以及碳纖維復合材料三種材質來打造車身，相對于上一代車型，車身重量減少了130公斤。此外，在懸掛系統、制動系統的配件上換用鋁合金材質。以全新BMW 740 Li為例，相比上一代車型，百公里綜合油耗降低16.7%。
雖然輕量化材料是車企實現汽車輕量化的常用方法，但并不是唯一。除此之外，在不影響性能和耐用性為前提下，利用輕量化結構也能實現汽車輕量化。
以全新科魯茲為例，借助CAE軟件的計算與實車測試，在設計時去掉那些不起作用反而增重的材料，如在發動機蓋上、車架上等運用減重孔、短凸緣、圓齒凸緣等技術減重，使科魯茲較上代減重120公斤，百公里油耗降至5.7L。
除此之外，先進的工藝也能達到輕量化的效果。就拿常見的輪轂和懸架擺臂來說，其制造工藝對重量有著極大影響。例如鍛造輪圈由于其材料更加致密的原因，輪輻結構更細更薄，重量自然就減下來了。
另外，車身和其他部件的連接工藝也會對車重產生影響。現今大部分車輛都會采用激光焊接的工藝來焊接車身，減少車身上柳丁的使用。這樣，沒有柳丁的外加重量，一體化的車身既美觀又能做到輕量化，而且是自動化的焊接，提高生產效益，車企何樂而不為。
除了以上幾種主流的輕量化方式，汽車工程師為了實現汽車輕量化還在其他方面進行專研。
大勢所趨
在過往，這些輕量化技術只用于F1、勒芒耐力賽等大型比賽的車型上，為應對賽車協會的要求。
展開 
CAE技術在輕量化結構設計和多材料應用方面取得的最新進展
學習輕量化材料應用經驗，從典型案例中，了解輕量化材料的制造和加工技術，加快輕量化材料的產業化應用。
相關新材料、新裝備和新產品的制造商和采購商匯集與此，有助于企業或個人進行零距離的貿易洽談，直接了解市場的需求、戰略以及最新動態。
汽車“瘦身” | 新材料助推汽車輕量化
此外，高性能塑料、生物材料等新材料仍將是汽車零部件輕量化的不錯選擇。
【技術帖】新能源汽車結構優化輕量化關鍵工藝分析
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新能源汽車結構優化輕量化存在問題
2.1 汽車制造復雜
新能源汽車制造零件、車身、發動機等需要多種材料。但是汽車的各項零件性能隨著食用年限增加，會出現損耗，導致汽車不能充分發揮各項性能，進而影響汽車正常行駛。但是在我國，并未對零件性能做明確規定。當零件運行受阻時，汽車耗能將增大，無法實現新能源汽車低耗能目標。
2.2 輕量化材料應用
隨著人們對環保意識的增強，在汽車制造業中輕量化材料應用較廣。盡管在汽車發展進程中，明確指出輕量化材料在實現汽車輕量化的重要性，但是由于我國使用輕量化材料技術尚不成熟，還處在實制階段。其主要原因是，還未對所有輕量化材料進行準確判斷，不明確哪種材料最適合生產汽車哪個部件。并且我國并沒有出臺關于輕量化材料使用標準，所以在汽車制造過程中使用的輕量化材料還處在摸索階段[6]。
2.3 沒有汽車輕量化標準體系
雖然有相關文件指出汽車輕量化是汽車行業未來發展趨勢，但是由于沒有完整的汽車輕量化標準體系，導致汽車輕量化發展的實現受到阻礙。我國應積極響應汽車輕量化發展，根據汽車行業發展制定標準體系，促進汽車輕量化發展，提升汽車安全、舒適性能。
2.4 使用輕量化材料較少
目前，在汽車制造行業中，鋼強度鋼和低碳鋼是汽車制造主要使用材料。由此可見，在汽車制造中使用輕量化材料較少。這將阻礙汽車輕量化發展，不利于實現節能減排目標。
2.5 汽車設計方式
現階段，在汽車設計階段，大部分汽車還是采用傳統設計理念。并未引進先進設計理念，導致輕量化材料無法真正應用到汽車實際生產中，進而阻礙汽車輕量化發展。
展開 汽車輕量化材料進程路線及CNF材料技術發展
所謂的輕量化并不是為了減少車重而“不擇手段”，它的意義是在保障乘員安全、不改變車身剛度、強度的前提下，盡可能減少車重，而我們常見的合金材料的使用就是很好的例子。
汽車上常見的合金材料大多為鋁合金、鎂合金。
其中鋁合金是現階段應用最廣、最為常見的汽車輕量化材料，曾有研究表明鋁合金在整車中最多可以使用540kg，這樣的情況下汽車將減重40%，奧迪、豐田等的全鋁車身就是很好的例子。
鋁合金是僅次于鋼材的汽車用金屬材料，以加工形式分為壓鑄、擠壓和壓延三種形態，其中壓鑄件在汽車領域的用量占比最高，達到80%左右，擠壓件和壓延件在汽車上的應用占比各約10%左右。
如奧迪:1982年，奧迪就開始“高度鋁制轎車”項目，開始研發鋁制車身。該項目當時由奧迪輕量化設計中心主任Heinrich Timm主導，并得到了當時大眾集團主席皮耶希的支持。
兩年之后，1985年漢諾威交易會上，奧迪首次展示了鋁制外殼車身的奧迪100，兩名女子不需要任何幫助就可以輕松舉起整個車身。
隨后在1987年，奧迪將全鋁車身技術應用到奧迪V8車型上，1988年奧迪對該車型進行了量產，奧迪V8也就成為了奧迪首款應用全鋁車身技術的量產車型。
第一代奧迪A8的推出也意味著奧迪ASF全鋁車身技術逐漸成熟。目前，奧迪A8和奧迪R8代表著最純粹的ASF車身技術，這兩款車鋁合金材料占比都在58%以上。奧迪TT、奧迪A7
和A4等車型則緊隨其后，未來隨著成本降低，該技術將逐漸覆蓋奧迪大部分車型。
展開 新能源汽車電池包箱體的輕量化發展
作者： 司福建 時紅海 吳中旺 劉暢 賴興華
清華大學蘇州汽車研究院
隨著世界能源危機和環境污染問題日益嚴重，汽車輕量化越來越受到人們的重視。輕量化對汽車節能減排的效果直接而顯著，試驗證明，對于傳統燃油汽車，汽車整備質量每減輕10%，可降低油耗6%～8%，排放下降3%～4%；對于新能源純電動汽車，汽車整備質量每減少10%，電耗下降5.5%，續航里程增加5.5%。同時汽車質量的降低可減小汽車制動距離，提高安全性能。所以，無論是對傳統燃油汽車，還是對新能源汽車，汽車輕量化研究均具有重要意義。
輕量化并非簡單地將整備質量減輕，而是在保證強度和安全性能的前提下盡可能地降低整備質量并保證制造成本在合理范圍內，以實現安全性和經濟性的兼顧統一。電池包箱體作為動力電池的承載和防護機構，在電池包系統中占據重要位置，而且其整備質量目前偏大，具有較大的輕量化空間，同時政策對于電池包能量密度的要求逐步提高，使得電池包箱體輕量化發展具有很強的緊迫性。
針對輕量化過程中引入的新材料和新結構連接需求，本文對電池包箱體輕量化的發展及新型連接技術的應用進行綜述，旨在對輕量化設計和制造提供有益借鑒。
電池包箱體的輕量化發展
傳統電池包箱體一般采用低碳鋼鈑金和焊接工藝加工而成，成本較低但箱體質量較大，嚴重影響電池包系統能量密度的提高和新能源汽車的輕量化，不符合發展趨勢，需要進行輕量化改進。目前針對電池包箱體輕量化的主要手段為輕量化材料應用和輕量化結構設計。
輕量化材料的應用
電池箱輕量化材料應用主要包括鋁合金材料、高強鋼材料和復合材料的應用等，目前鋁合金替代傳統低碳鋼在電池箱上得到了大范圍的應用，鋁合金箱體成為電池箱體發展的一個重要方向。
鋁是最常用的金屬材料之一，同時也是地殼中分布最廣、儲存量最多的元素之一，占地殼質量的8.13%。
展開 【技術文章】基于Inspire軟件的汽車踩踏板材料及結構輕量化設計
2.材料選擇
汽車零部件材料輕量化和結構輕量化兩者相輔相成，在選用合適材料輕量化基礎下，借助結構輕量化最大限度地實現踩踏板輕量化。所選材料既要保證零部件強度要求，又要實現減輕車身自重的目標。目前汽車常用輕量化材料有高強鋼、鋁合金和復合材料。
2.1高強鋼
高強鋼在汽車制造中應用非常廣泛，主要用于防撞桿、骨架、立柱等汽車零部件，是汽車應用最多的材料之一，強度遠超傳統鋼制材料，是汽車輕量化常用材料。高強鋼輕量化手段是提高強度、減薄厚度，以實現輕量化。但在實際使用過程中會面臨諸多難題，例如：隨著鋼板強度的提高，高強度鋼韌性、成形性、焊接性會隨之下降。
2.2鋁合金
鋁合金具有與鋼制材料相同等級的強度，其密度僅為鋼材的1/3，比強度較高，是汽車零部件較為常用的輕質材料。鋁合金型材具有較好的抗沖擊能力，是鋼材的2倍，可顯著提升汽車的碰撞強度。鋁合金型材在汽車制造過程中已表現出舉足輕重的作用，主要用于殼體、內外板等汽車零部件，將來在汽車輕量化進程中的應用會越來越廣泛。
2.3復合材料
隨著人們對汽車防腐、美觀和舒適等方面需求的不斷增加，非金屬材料在汽車制造過程備受關注，復合材料則是汽車輕量化過程中具有代表性的非金屬材料。復合材料具有質量小、易設計、耐腐蝕等特點，主要用于儀表盤、翼子板等汽車零部件，但由于復合材料成本較高，限制了其應用范圍。
2.4材料對比
表1對高強鋼、鋁合金和復合材料特點進行了對比，踩踏板輕量化過程需要考慮減重效果、安全性和成本等綜合因素，根據3種材料的對比可知，鋁合金材料最適合作為踩踏板輕量化材料。
展開 汽車輕量化-鋁合金材料的技術應用及加工工藝整合
鋁合金材料在汽車輕量化中的典型應用
車身輕量化材料
轎車車身輕量化技術主要包括輕量化材料的使用、結構的輕量化設計以及先進的成形工藝應用。輕量化材料使用是車身輕量化的主流，主要分兩類：一類是采用高強度材料，如高強度鋼及高強度不銹鋼；另一類是輕質材料，如鋁/鎂合金、工程塑料、碳纖維、新型玻璃、陶瓷以及多種復合材料等。
表1 江淮部分車身用鋁合金板件
圖1 鋁合金頂蓋充液成形工藝示意
鋁合金具有密度小（鋁的密度約為鋼的1/3）、質量輕、加工成形性好及可重復回收利用等特點。研究表明：與傳統鋼鐵相比，在達到同樣力學性能指標情況下，使用的鋁合金質量比鋼少60%；在承受同樣沖擊情況下，鋁合金板比鋼板多吸收50%的沖擊能量。基于鋁合金材料在汽車輕量化推進過程中的重要角色，其在汽車中的應用范圍也越來越廣，已經從最初的發動機缸體、變速器殼體和輪轂等擴展到了車體的各個重要零部件中。自然而然，這也就促使各汽車企業增強了對新型變形鋁合金材料的研發投入。安徽江淮汽車股份有限公司（以下簡稱“江淮”）部分車身用鋁合金板件見表1。
鋁合金材料技術特點
鋁合金具有質量輕、抗腐蝕能力強、耐用性好及減少行人撞擊傷害等顯著的優點。用于汽車車身板的鋁合金主要有2000系、5000系、6000系和7000系合金。其中，5系列、6系列最適合代替鋼板：5系是熱處理不可強化合金，成形性能良好，可用于形狀復雜的車身零件，主要用于內覆蓋件；6系是熱處理可強化合金，適用于外板等強度、剛度要求高的部位，主要用于汽車外覆蓋件。
展開 
眾泰汽車輕量化技術取得新突破
隨著汽車消費的日益普及和環保壓力的逐漸加大，輕量化已經成為當今新車研發的焦點和大勢所趨，而要達到預期的輕量化目標，輕量化材料以及工藝技術帶來的效果最為顯著。以碳纖維復合材料為代表的輕量化材料及工藝技術，將大力推動汽車輕量化進程，成為汽車輕量化路上的得力助手。
技術研發：布局輕量化時代
在業內，碳纖維復合材料一直有著汽車輕量化殺手锏之美譽，但由于碳纖維復合材料設計和工程開發難度大，我國在各種碳纖維復合材料鋪層設計、連接點CAE設計及驗證等方面的數據積累較少，導致碳纖維復合材料的應用成為業內普遍公認的難點。
眾泰汽車自成立以來，便非常重視碳纖維復合材料等輕量化材料及零部件研發，并相繼開展了以 “碳纖維復合材料混合車身”為主，包括全鋁底盤、輕量化座椅等在內的SUV輕量化平臺研發項目。截止目前為止，在碳纖維復合材料車身件、大型鋁合金前后縱梁的材料、工藝及連接技術方面，眾泰汽車已擁有多項自主研發的核心技術，并已申請了20余項專利，其中發明專利占70%，已獲得4項授權，碩果累累。
技術突破：開發碳纖維復合材料混合車身
碳纖維復合材料密度通常在1.7g每立方厘米左右，遠遠低于制造業常用的鋼材，其斷裂韌性、抗疲勞性、抗蠕變性都高于汽車常用的金屬材料，眾泰汽車目前研發的SUV平臺碳纖維復合材料混合車身，便是一種擁有碳纖維復合材料、鋁合金、塑料及鋼等多材料混合技術以及先進連接工藝的新型車身。
該車身包含有十余種碳纖維復合材料零部件（翼子板、四門等車身覆蓋件以及9種碳纖維復合材料結構件），最大尺寸達1820*1180mm。其中，研發的B柱總成由超高強鋼及碳纖維復合材料混合而成，使B柱上部的強度提高，又使下部具有韌性。此外，諸如頂蓋前頂梁、中央通道加強板等碳纖維復合材料結構件采用一體化成型設計，減少了零件的數量，使安全性和NVH性能提升。
展開 汽車輕量化關鍵技術的發展現狀及前景
尺寸形狀優化是在確定了車身結構參數和材料分布的前提下展開的，主要對各個桁架結構進行橫截面積、幾何尺寸以及節點位置尋求最優解，在達到保證基本剛度要求的前提下車身重量最小。尺寸優化是建立在數學模型之上得到的最優解，可作為拓撲優化的進一步完善和提高。
輕量化材料的使用
輕質新材料的應用是汽車實現輕量化的關鍵。為實現輕量化，世界各大汽車生產商和材料生產廠家一直致力于輕量化材料的研發，輕量化材料應用的多少已經成為衡量汽車生產技術和新材料開發水平的重要標準之一。目前用于汽車輕量化的新材料主要分為金屬材料和非金屬材料。
金屬材料
金屬材料主要是高強度鋼和輕質合金。使用高強鋼、鋁合金、鎂合金，車體重量可分別減輕15%～25%、40%～50%和55%～60%。目前，高強度鋼主要被應用于汽車結構件、安全件、前后保險杠等部位；鋁合金主要應用在車身結構材料的替換上；鎂合金主要應用在零部件上，其中包括殼體類與支架類零部件。
高強度鋼具有強度高、質量輕、成本低等特點，有助于汽車的輕量化，而且能夠提高安全性。所以，汽車用高強度鋼已成為頗具競爭性的輕量化材料。就目前的工業發展狀況來看，車輛的主要部分如懸架、底盤和車身結構需要高強度鋼的應用較多。這些部位的高強度鋼，大多是在原有材料的基礎上，添加不同成分的合金，從而提高了合金鋼的強度和韌性。
鋁及鋁合金是目前應用較為成熟的輕量化金屬材料，其優勢為低密度、高輕度、高彈性、高抗沖擊性能、易著色等。在當前汽車制造中，已大量的使用在汽車輪轂、動力系統及懸架系統等零部件中，近年來奧迪、捷豹路虎、福特等都使用了全鋁式的車身結構，鋁合金已經成為了一種比較理想的輕量化材料，未來隨著成形技術和連接技術的發展，鋁合金的使用會越來越廣泛。
展開 汽車車身輕量化的關鍵工藝制造技術
總結
目前，我國在汽車車身輕量化的材料上，已經出現了明顯的多元化應用趨勢，單一的車身材料已無法滿足當前車身所需的強度及剛度，因此，在汽車車身的未來發展中，其輕量化材料會實現多種材料的組合制造，并在車身工藝制造技術上，會主要控制工藝材料的使用量，并開發可回收材料，使汽車車身達到輕量化要求的同時也具備低耗能的優勢，有效提高材料的利用率，利用各項技術提高車身的安全系數，完善傳統工藝的不足之處，以此實現汽車車身輕量化的生產目標。
展開 AUTO TECH China 2026 廣州國際汽車輕量化技術及車用材料展覽會
AUTO TECH China 2026 第十三屆廣州國際汽車輕量化技術及車用材料展覽會
The 13th International Automotive Materials and Lightweight Technology Expo
AUTO TECH China 第十三屆國際汽車輕量化技術及車用材料展覽會是關于各種先進汽車材料及汽車輕量化的解決方案，如金屬材料、工程塑料、發泡材料、復合材料、輕量化部件、設計、車身連接技術等，全球的汽車主機廠和一級零部件供應商將匯集到該展會上參觀采購！
第十三屆廣州國際汽車輕量化技術及車用材料展覽會是 AUTO TECH China 2026 主要專題展之一，將于2026年11月27日-30日在廣州中國進出口商品交易會展館D區盛大舉辦，與汽車內外飾技術展、新能源汽車技術展、汽車電子技術展、汽車底盤系統技術展、汽車測試測量技術展等聯袂呈現；屆時將匯集全球500多家領先參展商向廣大汽車工程師展示先進的輕量化技術及汽車材料產品；同時組委會邀請諸如廣汽、日產、豐田、本田、比亞迪、特斯拉、小鵬、蔚來、理想、東風、長安、上汽、吉利、長城、奇瑞、通用、奔馳、寶馬 、大眾、一汽、博世、大陸、寧德時代、電裝、延鋒等汽車OEM廠商及Tier 1 供應商的上萬名采購、技術工程師匯聚一堂，參加展會。
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