车身结构轻量化—全铝车身

车身结构的组成

车身结构是指包括纵、横梁和支柱等主要承力元件以及与它们相连接的钣件共同组成的刚性空间结构，是所有车身部件的安装基础。车身结构的三大组成构件，按重要性由高到低排列为：汽车结构件、汽车加强件、汽车覆盖件

汽车结构件

汽车结构件示意图

结构件是指具有一定形状，并能够承受载荷的构件，比如支架、框架内部骨架和支撑定位等。汽车结构件指的是汽车承载重量的零部件，相当于车体的骨骼，是最重要的安全保障。具体包括（如图所示）：前纵梁、后纵梁、 ABC 三对立柱，前轮旋和后轮旋。

中间车身的立柱起着支撑风窗和车顶的作用，一般下部做得粗大，上部的截面尺寸需要考虑驾驶视野而缩小，立柱包括前柱（A 柱）、中柱（B 柱）与后柱（C 柱）三种。

为了使驾车室空间尽量不变形，车身结构件一般使用超高强度钢。

前纵梁由两根位于两边的纵梁组合而成，多用低合金钢板冲压成，具有特定的截面设计（槽形或工字形），当车辆发生正面碰撞时，前纵梁属于吸能区，负担了碰撞能量的60%左右。后纵梁吸能压力虽然比前纵梁要小，但在追尾事故中承担了碰撞能量的大部分。纵梁构件的设计思路是在发生碰撞事故时引导轴向压溃变形，同时控制弯曲变形量，从而实现理想的能量吸收效率

汽车加强件

汽车加强件示意图

汽车加强件指的是结构件一系列强化保护结构，例如：前防撞梁、后防撞梁和翼子板内缘。当车辆发生碰撞时，首先由加强件对碰撞力量进行缓冲吸能。

汽车覆盖件

汽车覆盖件指的是汽车表面的蒙皮，比如发动机盖、车门、翼子板、后备箱盖、前后保险杠等，相当于车体的表层皮肤。

汽车覆盖件示意图

发动机盖

发动机盖

发动机盖（又称发动机罩）一般由外板和内板组成， 中间夹以隔热材料，内板是骨架形式，起到增强刚性的作用。对发动机盖的选材要求是隔热隔音、刚性强、质量轻。

翼子板

前翼子板

后翼子板

翼子板是遮盖车轮的车身外板，形似鸟翼而得名，分为前翼子板和后翼子板。现在有的轿车翼子板与车壳设计成一个整体。但因为前翼子板碰撞机会比较多，独立装配容易整件更换，多数轿车的翼子板是独立的，尤其是前翼子板。发动机盖和翼子板等车前和尾部的材料，为了能够吸收撞击力，一般使用强度较低的材料。有些车的前翼子板用有一定弹性的塑性材料（例如塑料）做成。塑性材料具有缓冲性，在遇到碰撞时能提升安全性。

保险杠

前保险杠

后保险杠

汽车保险杠是缓冲吸收外界冲击力，保护车身前部和后部的安全构件。随着汽车工业的发展，现代汽车的保险杠除了原有的保护功能外，还要追求与车体造型的协调，和自身的轻量化。目前汽车的前后保险杠普遍使用了塑料，称为塑料保险杠。塑料保险杠可以分为由外板、缓冲材料和横梁等三部分。其中外板和缓冲材料用塑料制成，横梁用厚度为 1.5 毫米的冷轧钢板冲压成 U 型槽。

车顶盖

车顶盖

车顶盖是车厢顶部的盖板。对于车壳的总体刚度而言，车顶盖不是很重要，这也是为什么车顶盖上能够开设天窗。车顶盖可以分为固定式顶盖和敞篷式顶盖两种。固定式顶盖较为常见，主要由车顶板、车顶内衬、横梁组成，有的车型还备有车顶行李架和天窗或者换气窗。敞篷式顶盖一般用于高档轿车或跑车上，通过电动和机械传动实现部分

车门

车门是乘客上下的通道，其上还装有门锁、玻璃、玻璃升降器等附属设施，车门框架是车门的主要钢架，铰链、玻璃、把手等部件安装在门框架上。车门主要包括车门外板和内板、门窗框、门玻璃导槽、门铰链、门锁及门窗附件等组成。内板装有玻璃升降器、门锁等附件。

行李箱盖

行李箱盖又称后备箱盖，结构与发动机盖类似分为内板和外板，内板有加强筋。

什么是汽车轻量化？

汽车轻量化是指，在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整体质量，从而提升汽车动力，以及总体节能减排效果。汽汽车轻量化主要通过材料选择实现，主要使用的材料包括：高强度钢、铝合金、碳纤维等，三者相比，比强度依次升高，而价格也是依次攀升。相较而言，铝合金的比强度较高，价格适中，成为众多中高端车型的轻量化的主要材料。

全铝车身简介

所谓的“全铝车身”中的“车身”指的是车体承重的框架主体结构，即汽车的结构件，也叫做“白车身”。白车身内的一些影响碰撞安全的重要结构仍会使用高强度高或超高强度钢，也就是说“全铝车身”其实也属于钢铝混合车身。所以， 100%铝合金制造的“全铝车身”在量产车中是不存在的。全铝车身框架结构，创造性地将钢与铝两种材质合为一体，可确保更具动态的驱动能力，在提高稳定性的同时亦令加速能力大大加强。

代表车型

世界上第一辆宣称采用“全铝车身”的量产车是 1989 年本田的初代 NSX，而真正首次实现“全铝车身”大规模量产的是奥迪。在 1995 年首次在A8 上采用了“ASF 空间框架”车身技术，该技术在白车身与车身覆盖件上大量使用铝合金，并且该技术继续沿用在了 A2、 TT、 R8 等车型上。

铝合金应用车型代表

特斯拉 Model S 的铝合金结构件

特斯拉的车身铝合金板件是特斯拉购买北美最大的冲压线和定制模具在其弗里蒙特工厂自行冲压的。特斯拉 Model S 车型采用了全铝合金车身与高强度硼钢强化结构，而铝合金的比重也是达到了惊人的 97%。据特斯拉官 介绍，整车总长 4979 mm、轴距 2960 mm、宽度 2187 mm、高度 1435mm。接近 5m 的总长已经接近中大型车辆了，然而白车身的铝合金总重只有 190kg，不到同类型车辆的一半。特斯拉 Model S 整车重足有 2108kg，而 P85 系列的电池组就重达 900 公斤。这就需要在车身轻量化上做到极致，同时也带来高昂的成本。

悬挂系统是连接轮胎和车身的支持系统，主要功能是支持车身，改善乘坐的感觉。据爱卡汽车资料显示，位于电动机两侧的悬挂系统全部采用锻造铝合金材质打造，并且通过镂空工艺进行偷轻处理，不但拥有极致轻量化的重量，还具有出色的材料强度，悬挂系统采用了前双叉臂、后多连杆的设计形式。前悬挂塔顶部分采用极为粗壮的铝合金型材加固，大大提升了车体结构的抗扭性。得益于极为紧凑的电动机单元，动力系统可以被安臵于后悬挂上方的空间，驱动形式自然采用后臵后驱的形式，由于车头部分没有沉重的发动机系统，不但整车前后重心分配更为合理，而且整车重心高度也非常低。根据特斯拉官 数据， Model S 的重心高度仅有 44cm，前后配重比为 48:52 接近完美的50:50。

车架一般由纵梁和横梁组成。其形式主要有边梁式和中梁式两种，横梁用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷，还可以支撑汽车上的主要部件。据车讯 资料显示，特斯拉 Model S 的横梁采用了罕见的铸铝横梁。该部件重量轻、强度高、集成度（整体铸造并非由多个零件拼接而成）及精度较高，当然这些优点的存在并不意味着整体设计的完美。在发生碰撞事故后，此横梁几乎无法修复，只能是整体更换，需要拆解很多零部件，造成维修成本极高，维修时间较长。

一般轿车以及 SUV 钢制的四门两盖的重量大约在 90~120kg 左右。四门两盖以及上车体结构的外覆盖件采用铝合金是行业内公认做轻量化减重的最佳区域结构，因为这些结构都不是车体的承力结构，用铝合金的车型，轻量化减重可以达到 40%左右的比例，也就是 40kg 左右的重量。

Model S 的 19 英寸（48.26cm）铝合金轮毂是由铝矾土材质制造的。

奥迪 ASF 车身主要参数

铝合金车身框架结构（ASF）制造技术是奥迪公司的一项核心技术，目的通过优化车架结构，并在关键部位应用超高强度材质、 非承重部位应用轻量化材质，来达到整车轻量化的目的。在这一领域他们进行了长达 20 年的研究和开发。其车身框架由铸造和液压成形的铝合金部件组合而成。目前， 奥迪 A8 和奥迪 R8 代表着最纯粹的 ASF 车身技术，这两款车铝合金材料占比都在 58%以上。据铝信资料显示，奥迪 A8（D4）车身中，铝合金占比 92%，包括 35%的高精度铝合金铸造件、 22%的挤压成形铝合金件和35%的铝合金板材。

据爱卡汽车资料显示，新一代（第五代） 奥迪 A8 车身技术在之前车身技术基础上进行了升级和改进，车身材质种类更多、车身连接技术更加先进、车身框架安全性能也更好。 表中列出了 A8 系列车重，可以看出在追求轻量化的同时，保证车辆的安全性极为重要。所以第五代车身重量虽然有所增加，但相比之前的车型，车身刚度提升了 24%。

同时车身材料种类得到了增加，达到 4 种。首次应用了碳纤维复合材料，这摆明了是向着自家旗舰超跑 R8 靠近。车身的整体框架由铝型材搭建，关键部位采用铝制铸件进行联接，保证结构强度，车身表面采用铝制钣金件。为了进一步降低车身重量，车厢后部采用了碳纤维材料。车厢部分采用高强度合金钢。

全铝车身优势

首先，节能减排的大趋势已经在全球范围内趋于明朗。 根据 Ricardo 的研究，汽车每减重10%，可提升 4%-6%的燃油效率，每百公里降低 0.3-0.6L 油耗，同时减排 0.5kgCO2。目前国内外已相继出台了相关减排政策。国外方面，美国、欧盟、日本到 2020 年的百公里油耗目标分别降低至 6L、 3.8L、 4.9L（对比 2015 年的 6.9L、 5.2L、 5.9L）；国内方面，中国 2020年的乘用车百公里油耗目标降低至 5L，对比 2017 年的 6L，降低幅度较大。 同时《节能与新能源汽车技术路线图》对国内汽车市场也提出了明确的中期轻量化目标。未来轻量化发展的方向主要在于轿车车身、传动系统与底盘系统的轻量化，通过轻量化材料的应用与结构优化进行汽车减重，对比 2015 年的车重数据，我国提出了 2020 年、 2025 年、 2030 年分别减重 10％、20％与 35％的目标。

各国中期油耗目标

其次，汽车电动化也给轻量化带来了另一波助力。 随着国家补贴政策的趋严以及消费者品质需求的提升，新能源汽车的续航里程要求也正逐步提升。 从数据上看，电动车每减重 100kg，其续航里程可提升 6%-11%。 而在补贴政策方面也是不断趋严，2015 年，新能源汽车续航 80 公里以上即可获得补贴，2016 年门槛上升至 100 公里，2018 年门槛再次上调为 150 公里，提升幅度明显。 不断提升的里程要求给汽车轻量化提出了更大的需求。

最后，汽车的高端化趋势也带来了轻量化领域的需求。 减重除了为汽车带来节能减排、提升续航里程等优势外，也带来了其他性能指标的提升，这一点与高端化乘用车的趋势吻合。 根据美国交通部数据，汽车质量每减少 100kg，其加速性能最高可提升 10%，制动距离缩短 7m，提升汽车驾驶性能；同时，铝合金、高强度钢等轻量化材料的比强度较高，也带来了车身强度与车辆稳定性的提升。因此，更加追求性能和驾驶体验的中高端车型比较青睐轻量化材料，如捷豹 XJ 使用的全铝车身，宝马 B 系的纯铝发动机，以及特斯拉的铝合金电池包等等。 而从整体趋势上看，中高端车型增长迅速，2017 年中国乘用车销量同比增长 2.4%，而同期豪华汽车同比增速高达 13.7%。高端车型销量的强势表现将为轻量化材料带来持续的需求。

中国汽车用铝量

全铝车身不足之处

目前来看欧洲车企也只是在高利润率的车型中扩大了铝材料的应用。原因很简单，全铝车身的成本太高。首先是钢材和铝材巨大的成本差异；其次加工成本较高。铝合金由于熔点较低很难进行常规的焊接工艺，如特斯拉 Model S 采用 CMT 冷焊技术、奥迪的 ASF 空间框架全铝车身使用 MIG 激光焊接技术，且铝的铸造性能不及钢材，需要真空压力铸造或挤压铸造等避免吸气现象；三是维修困难，车辆一旦发生碰撞，金属变形扭曲，由于加工工艺特殊性，维修成本也要比传统材料高出许多。同时由于修复工艺也十分复杂， 4S 店基本不可能完成大规模修复，往往令全铝车身不经修复就直接 废。综上如此悬殊的成本差异，使很多企业对全铝车身望而却步。