2021車身大會 | 沈衛東：輕量化技術在車身研發中的應用

2021年3月23 -24日，由加斯帕主辦的“2021中國體大會”隆重舉行。本次會議圍繞車輛輕量化、車輛安全法規、車身結構設計、先進車身材料、仿真技術、模塊化車身結構等行業焦點話題展開。并對產業發展提出建議。會議期間，上汽大眾產品管理高級總監、教授級高級工程師沈衛東發表了《輕量化技術在車身研發中的應用》主題演講。

上汽大眾產品管理高級總監、教授級高級工程師沈衛東。

以下為演講實錄:

尊敬的來賓和專家們，早上好。非常感謝邀請，很高興也很榮幸能和大家分享。我的題目是“輕量化技術在車身研發中的應用”。

今天的報告主要有三個內容:首先簡單介紹一下技術背景，其次和大家分享一下輕量化技術在汽車車身研發中的應用，最后是技術展望。

剛才，蓋世汽車研究院高級分析師顏路談了很多關于中國汽車未來發展的問題。軟件定義汽車時代，突然想到在新員工迎新年的時候，一個95后的員工問了我一個問題:在汽車現代化飛速發展的時代，汽車車身研發應該怎么做？我能怎么做呢？按照習慣思維，我們的車身研發屬于傳統技術領域，新四化是未來發展的技術領域。那么如何做好車身研發中新興和傳統技術領域的交叉和發展，是我們面臨的問題。

其實車身研發有很多事情可以做，比如輕量化技術。隨著中國改革開放的發展，人們的生活水平有了很大的提高，人們從來沒有如此關注環境和安全。眾所周知，我們國家對節能減排的要求非常高。除了國家安全規定，還有很多消費者測試標準，其中一些標準實際上已經超過了歐洲標準。因為安全標準那么多，車身上會采取很多加強措施，而這些措施會帶來車身重量的增加。車身輕量化的任務也很艱巨。國家節能與新能源汽車技術路線圖已經明確了目標。預計2035年燃油乘用車輕量化系數降低25%，純電動乘用車輕量化系數降低35%。

另一方面，我國實行雙積分政策，不僅要求新能源車，還要求傳統燃油車。車重減輕10%，燃油效率可提高6%-8%，車重減輕100 kg，二氧化碳排放量可減少5 g/km左右。此外，我們現在已經進入了全面擁抱新四化的時代。新能源汽車和純電動汽車就在我們身邊，新能源汽車的重量一般比傳統燃油汽車高30%。新能源汽車如果減重100 kg，續航里程可以提高10%-11%，電池成本和其他日常損耗成本可以降低20%。同時，大家都很清楚，加速性能、操作性能、安全性能都可以通過輕量化技術來提升。由于車身占整車重量的30%左右，車身的輕量化是一個永恒的主題。

如何實現車身輕量化，有哪些技術路徑？所有專家都清楚，首先，使用輕質材料是為了滿足對輕質材料的需求。第二，優化車身結構，減少零件數量或把不必要的零件做薄，從而優化結構，減輕重量。第三，創新制造技術，達到輕量化的效果。

從輕量化技術路線圖來看，目前提高高強度鋼是重點，中期形成輕量化合金應用的方向，以及……目標是長期形成多材料混合應用系統。我來和大家分享一些輕量級的技術案例:

最重要的技術路徑是熱成型技術，已經存在很多年了。上汽大眾首款MEB純電動汽車ID.4 X大量使用屈服強度為1300Mpa至1500Mpa的熱成型鋼梁，比重超過28%。此外，77.7%采用高強度鐵鋼板，座梁也采用超高強度熱成型鋼，屈服強度1900Mpa。

還有一種常見的途徑是通過替代材料來實現輕量化需求。鋁最近成為一種關鍵的替代材料，因為鋁具有良好的強度和韌性，密度低，從而實現了車身的輕量化需求。目前汽車常用的鋁合金車型有6系、7系和5系。鋁合金材料的應用其實是一個整體的開發體系，不僅包括結構設計，還包括耐腐蝕、測試、各種制造和連接工藝。鋁合金車身應用主要有三種:鋁沖壓件、鋁擠壓件、鋁壓鑄件，應用于車身地板件、四門二蓋、電池組等車身部件。

鋁沖壓是一種常見的技術。和傳統鋼材相比，其實工藝很像，包括設計和圖紙模擬，最后成型。鋁沖壓的原理和鋼沖壓的原理基本相似。設計完成后進行模擬，最后沖壓，包括落料、拉延、切邊。但是，與傳統鋼材有兩點不同。一個是延伸率比鋼低，成型時更容易開裂。另一個是鋁的楊氏模量只有鋼的三分之一，這使得它在成型過程中更有彈性。這兩個方面都需要分析和考慮。以鋁制車門為例，將總成的內板、加強板、外板全部分解，可以得出一個結論:鋼制車門總成的重量一般為70-80 kg，采用鋁制工藝，減重可達30-35%。

鋁壓鑄，壓鑄是液態成型工藝，其工藝更適合形狀復雜、壁薄、型腔深的零件。比如SAIC-大眾的輝昂前輪罩就采用了這種工藝，如果用傳統鋼材的話會很重，而鋁壓鑄的重量只有4.2 kg，不僅大大減輕了重量，還提高了強度。此外，電池組外殼采用鋁壓鑄而成，重量僅為17 kg。

還有常見的鋁型材。以ID.4 X擠壓鋁合金門檻為例。有了這樣的零件，在純電動汽車的應用中，側柱碰撞時碰撞能量可以主要消耗在門檻處，可以保護電池組免受沖擊變形。

鋁擠壓的基本過程是擠壓成型是一種實體成型。它實際上是利用實體型材通過模具實現擠壓，最終完成一個零件。擠壓工藝適用于截面形狀一致的零件，如門檻、縱梁前部、保險杠等。

在車身輕量化方面，也有一部分是如何讓電池組外殼輕量化，主要是使用鋁型材，通過各種工藝達到減重的要求。

鋁合金零件需要特殊的連接技術，這里列舉了很多。你們都是專家，我就不贅述了。

以鋁制車門為例，與鋼制件相比，鋁制件的連接方式發生了很大的變化。這種連接通過激光焊接、鋁點焊和SPR實現。對防腐也有了新的要求，因為鋁與鋁、鋁與鋼、鋁與各種其他材料的連接對防腐的要求更高。我們不僅通過部件級的防腐實驗，還通過整車的防腐實驗，達到嚴格的設計和測試標準。比如整車各種路面的動態防腐試驗，以及路面的動態試驗和環境艙試驗，滿足零部件和整車的防腐要求。

輕量化技術中還有碳纖維技術，這很好……每個人都知道。比如寶馬i3的重量只有139 kg，兩個人就能抬起側架。使用鋼制零件是不可想象的。

最后，輕量化技術的前景。

我們來看看輕量化車身發展的路徑。90年代是鋼密集型車身，2000年開始是鋁密集型車身，包括現在幾家初創公司用的全鋁車身。2015年全鋁車身和碳纖維發展非常迅速，全鋁車身和碳纖維是這個時期的一個趨勢。2020年后，進入多材料體發展路徑時代。

首先看碳纖維，因為它的比重不到鋼的1/4，強度遠遠超過鋼，所以在賽車中首先使用的比較多。現在國外公司用的零件很多，比如內門板，前后蓋，也許還有前蓋，包括電池組外殼。但是在國內車企，因為成本問題，碳纖維在整車上的應用比較少。

那么，全鋁機身是未來的技術趨勢嗎？我們可以看到奧迪A8的鋁合金比例從92%下降到了58%。為什么？眾所周知，鋁合金零件有明顯的缺點，制造工藝復雜，材料成本高，維護成本高。如果奧迪A8門板發生碰撞，可能會直接更換鋁門，而不是傳統的刮膩子噴漆的方式。此外，國產材料的性能與進口材料還有差距。

總的來說，無論是制造成本還是維護成本都比較高，給全鋁機身帶來了一定的劣勢。如何克服材料成本的困難？大力發展國產鋁型材，通過改進工藝和制造工藝來降低鋁合金材料的成本，使其得到更廣泛的應用，可能是未來的一個趨勢。

最后是車身一體化鑄造技術，特斯拉在Model Y的后輪罩由原來Model S的70個沖壓件，現在通過一體化壓鑄技術變成了兩個部分。這是一個顛覆性的制造過程。為什么？因為一般的OEM公司都在方圓30公里左右集中了很多沖壓廠，也有車身分總成的供應商。此外，傳統車企的工廠里還有四個制造車間。如果現在采用類似特斯拉的技術，可能會改變傳統的車身制造方式，或者車身結構的設計。這意味著方圓30公里周圍的這些供應商可能不得不重新思考他們未來的產品，傳統汽車公司可能不再有兩個車間:沖壓和車身。

我們再來看看。特斯拉發布了一項汽車車架多向單鑄機專利。從它的圖片可以發現，它是全身，我們的第一印象是“不可能”。為什么？因為在傳統思維中，有很多技術問題，比如圓角間隙，平面度差，車身尺寸精度控制，外觀表面質量，都是問題。不過特斯拉之前做過一個案例，可以把70個零件變成2個零件，下一步可能會把一個車身變成現實。這些可能是未來的趨勢。

對于中國的汽車人或者說中國的車身人來說，我們的使命是，我們能否在中國實現像特斯拉一樣的一體化車身鑄造技術？這樣可以把車身輕量化做到極致，這可能是我們未來的使命。

那是我的報告。謝謝你。2021年3月23 -24日，由加斯帕主辦的“2021中國體大會”隆重舉行。本次會議圍繞車輛輕量化、車輛安全法規、車身結構設計、先進車身材料、仿真技術、模塊化車身結構等行業焦點話題展開。并對產業發展提出建議。會議期間，上汽大眾產品管理高級總監、教授級高級工程師沈衛東發表了《輕量化技術在車身研發中的應用》主題演講。

上汽大眾產品管理高級總監、教授級高級工程師沈衛東。

以下為演講實錄:

尊敬的來賓和專家們，早上好。非常感謝邀請，很高興也很榮幸能和大家分享。我的題目是“輕量化技術在車身研發中的應用”。

T……在今天的報告中有三個主要內容:首先，簡要介紹技術背景，其次，與您分享輕量化技術在汽車車身研發中的應用，最后，技術展望。

剛才，蓋世汽車研究院高級分析師顏路談了很多關于中國汽車未來發展的問題。軟件定義汽車時代，突然想到在新員工迎新年的時候，一個95后的員工問了我一個問題:在汽車現代化飛速發展的時代，汽車車身研發應該怎么做？我能怎么做呢？按照習慣思維，我們的車身研發屬于傳統技術領域，新四化是未來發展的技術領域。那么如何做好車身研發中新興和傳統技術領域的交叉和發展，是我們面臨的問題。

其實車身研發有很多事情可以做，比如輕量化技術。隨著中國改革開放的發展，人們的生活水平有了很大的提高，人們從來沒有如此關注環境和安全。眾所周知，我們國家對節能減排的要求非常高。除了國家安全規定，還有很多消費者測試標準，其中一些標準實際上已經超過了歐洲標準。因為安全標準那么多，車身上會采取很多加強措施，而這些措施會帶來車身重量的增加。車身輕量化的任務也很艱巨。國家節能與新能源汽車技術路線圖已經明確了目標。預計2035年燃油乘用車輕量化系數降低25%，純電動乘用車輕量化系數降低35%。

另一方面，我國實行雙積分政策，不僅要求新能源車，還要求傳統燃油車。車重減輕10%，燃油效率可提高6%-8%，車重減輕100 kg，二氧化碳排放量可減少5 g/km左右。此外，我們現在已經進入了全面擁抱新四化的時代。新能源汽車和純電動汽車就在我們身邊，新能源汽車的重量一般比傳統燃油汽車高30%。新能源汽車如果減重100 kg，續航里程可以提高10%-11%，電池成本和其他日常損耗成本可以降低20%。同時，大家都很清楚，加速性能、操作性能、安全性能都可以通過輕量化技術來提升。由于車身占整車重量的30%左右，車身的輕量化是一個永恒的主題。

如何實現車身輕量化，有哪些技術路徑？所有專家都清楚，首先，使用輕質材料是為了滿足對輕質材料的需求。第二，優化車身結構，減少零件數量或把不必要的零件做薄，從而優化結構，減輕重量。第三，創新制造技術，達到輕量化的效果。

從輕量化技術路線圖來看，提高高強度鋼是目前的重點，中期形成輕量化合金應用的方向，遠期形成多材料混合應用體系的目標。我來和大家分享一些輕量級的技術案例:

最重要的技術路徑是熱成型技術，已經存在很多年了。上汽大眾首款MEB純電動汽車ID.4 X大量使用屈服強度為1300Mpa至1500Mpa的熱成型鋼梁，比重超過28%。此外，77.7%采用高強度鐵鋼板，座梁也采用超高強度熱成型鋼，屈服強度1900Mpa。

還有一種常見的途徑是通過替代材料來實現輕量化需求。鋁最近成為一種關鍵的替代材料，因為鋁具有良好的強度和韌性，密度低，從而實現了車身的輕量化需求。目前汽車常用的鋁合金車型有6系、7系和5系。事實上，鋁合金材料的應用是一個全面的發展系統，它不僅包括結構……標志，還要耐腐蝕，測試，各種制造和連接工藝。鋁合金車身應用主要有三種:鋁沖壓件、鋁擠壓件、鋁壓鑄件，應用于車身地板件、四門二蓋、電池組等車身部件。

鋁沖壓是一種常見的技術。和傳統鋼材相比，其實工藝很像，包括設計和圖紙模擬，最后成型。鋁沖壓的原理和鋼沖壓的原理基本相似。設計完成后進行模擬，最后沖壓，包括落料、拉延、切邊。但是，與傳統鋼材有兩點不同。一個是延伸率比鋼低，成型時更容易開裂。另一個是鋁的楊氏模量只有鋼的三分之一，這使得它在成型過程中更有彈性。這兩個方面都需要分析和考慮。以鋁制車門為例，將總成的內板、加強板、外板全部分解，可以得出一個結論:鋼制車門總成的重量一般為70-80 kg，采用鋁制工藝，減重可達30-35%。

鋁壓鑄，壓鑄是液態成型工藝，其工藝更適合形狀復雜、壁薄、型腔深的零件。比如SAIC-大眾的輝昂前輪罩就采用了這種工藝，如果用傳統鋼材的話會很重，而鋁壓鑄的重量只有4.2 kg，不僅大大減輕了重量，還提高了強度。此外，電池組外殼采用鋁壓鑄而成，重量僅為17 kg。

還有常見的鋁型材。以ID.4 X擠壓鋁合金門檻為例。有了這樣的零件，在純電動汽車的應用中，側柱碰撞時碰撞能量可以主要消耗在門檻處，可以保護電池組免受沖擊變形。

鋁擠壓的基本過程是擠壓成型是一種實體成型。它實際上是利用實體型材通過模具實現擠壓，最終完成一個零件。擠壓工藝適用于截面形狀一致的零件，如門檻、縱梁前部、保險杠等。

在車身輕量化方面，也有一部分是如何讓電池組外殼輕量化，主要是使用鋁型材，通過各種工藝達到減重的要求。

鋁合金零件需要特殊的連接技術，這里列舉了很多。你們都是專家，我就不贅述了。

以鋁制車門為例，與鋼制件相比，鋁制件的連接方式發生了很大的變化。這種連接通過激光焊接、鋁點焊和SPR實現。對防腐也有了新的要求，因為鋁與鋁、鋁與鋼、鋁與各種其他材料的連接對防腐的要求更高。我們不僅通過部件級的防腐實驗，還通過整車的防腐實驗，達到嚴格的設計和測試標準。比如整車各種路面的動態防腐試驗，以及路面的動態試驗和環境艙試驗，滿足零部件和整車的防腐要求。

輕量化技術中還有碳纖維技術，大家都很熟悉。比如寶馬i3的重量只有139 kg，兩個人就能抬起側架。使用鋼制零件是不可想象的。

最后，輕量化技術的前景。

我們來看看輕量化車身發展的路徑。90年代是鋼密集型車身，2000年開始是鋁密集型車身，包括現在幾家初創公司用的全鋁車身。2015年全鋁車身和碳纖維發展非常迅速，全鋁車身和碳纖維是這個時期的一個趨勢。2020年后，進入多材料體發展路徑時代。

首先看碳纖維，因為它的比重不到鋼的1/4，強度遠遠超過鋼，所以在賽車中首先使用的比較多。現在國外公司用的零件很多，比如內門板，前后蓋，也許還有前蓋，包括電池組外殼。但是，在國內車企，因為成本問題，carbo的應用……全車纖維比較少。

那么，全鋁機身是未來的技術趨勢嗎？我們可以看到奧迪A8的鋁合金比例從92%下降到了58%。為什么？眾所周知，鋁合金零件有明顯的缺點，制造工藝復雜，材料成本高，維護成本高。如果奧迪A8門板發生碰撞，可能會直接更換鋁門，而不是傳統的刮膩子噴漆的方式。此外，國產材料的性能與進口材料還有差距。

總的來說，無論是制造成本還是維護成本都比較高，給全鋁機身帶來了一定的劣勢。如何克服材料成本的困難？大力發展國產鋁型材，通過改進工藝和制造工藝來降低鋁合金材料的成本，使其得到更廣泛的應用，可能是未來的一個趨勢。

最后是車身一體化鑄造技術，特斯拉在Model Y的后輪罩由原來Model S的70個沖壓件，現在通過一體化壓鑄技術變成了兩個部分。這是一個顛覆性的制造過程。為什么？因為一般的OEM公司都在方圓30公里左右集中了很多沖壓廠，也有車身分總成的供應商。此外，傳統車企的工廠里還有四個制造車間。如果現在采用類似特斯拉的技術，可能會改變傳統的車身制造方式，或者車身結構的設計。這意味著方圓30公里周圍的這些供應商可能不得不重新思考他們未來的產品，傳統汽車公司可能不再有兩個車間:沖壓和車身。

我們再來看看。特斯拉發布了一項汽車車架多向單鑄機專利。從它的圖片可以發現，它是全身，我們的第一印象是“不可能”。為什么？因為在傳統思維中，有很多技術問題，比如圓角間隙，平面度差，車身尺寸精度控制，外觀表面質量，都是問題。不過特斯拉之前做過一個案例，可以把70個零件變成2個零件，下一步可能會把一個車身變成現實。這些可能是未來的趨勢。

對于中國的汽車人或者說中國的車身人來說，我們的使命是，我們能否在中國實現像特斯拉一樣的一體化車身鑄造技術？這樣可以把車身輕量化做到極致，這可能是我們未來的使命。

那是我的報告。謝謝你。

標簽：特斯拉大眾奧迪奧迪A8寶馬

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