1.3.2 汽车轻量化系统工程

一辆汽车的制造涉及许多材料，如钢铁、铝、镁、铜、塑料、玻璃等。在过去的几十年，有相当多的材料已经被用于实现汽车的轻量化。一般说来，车重减少10%，其燃油经济性可以提高6%~8%。在轻量化设计中，在不牺牲结构整体性和其他性能的前提下，既要考虑材料“轻”的特点，还要考虑材料的安全性、可加工性、可回收性和经济性。如图1-12所示，汽车轻量化应当是一个设计体系，这个体系包括材料的研究、零部件制造工艺的开发、汽车整车性能的测试，以及这三方面产生的成本。材料的研究主要是通过金属的合金化和组织结构来达到最佳的材料性能。零部件制造工艺的开发集中在工艺的有效性和效率，以及与其相关的连接技术上。整车性能测试要验证新材料零部件对整车安全性、噪声、振动、耐久性等产生的影响。如果只研究材料，不从系统全面考虑，那么一个新的轻量化部件将很难得到应用。尤其是这一系统的三方面都需要资源和资金，使得一个新的汽车轻量化产品被接受和采用的关键在于其综合成本是否有竞争力。

汽车公司通常最终比较轻量化产品和被替代产品的综合成本。在过去二三十年，轻量化产品有明显成本优势的很快就被采用，有相当数量是在成本相当的前提下被应用的。由于材料成本和技术难度的增大，新材料的轻量化产品的综合成本要高于被替代产品的成本。即使在生命周期成本的基础上，有些新材料轻量化产品的成本也要高出很多。一般说来，超强钢的轻量化部件成本增加最少，其次是铝部件；工程塑料的复合材料，特别是碳纤维复合材料成本增加很多。随着相关法规的不断严格，汽车轻量化产品综合成本增高会逐渐成为“新常态”。图1-13所示是汽车轻量化零部件应用前景示意图。在单位减重1磅的前提下，成本增加1美元以下时，铝发动机和先进高强钢车身就可以投入大批量使用；镁铸件和工程塑料结构件处于新兴应用阶段。当成本增加2美元时，铝车身板件和增强塑料车身板件有可能批量应用；铝合金车身结构件可能进入新兴应用阶段。碳纤维复合材料车身件成本会增加5美元，仍然处于研发阶段。

不同的轻型材料都有自己的优点和局限性，很难有哪一种轻型材料能“包打天下”。汽车轻量化是多种轻量化材料并存的未来。轻量化成功的策略应当是“正确的材料用到正确的地方”，也就是说把不同材料的优点用到最需要的地方，同时又能避免它的缺点。近期内，实现汽车进一步轻量化的最主要材料仍然是超强钢，紧接着是铝，再后面才是碳纤维复合材料等其他材料。考虑不同车型轻量化的时候，对豪华车、越野车、皮卡车使用较多的铝部件更合理，因为大型车减重的潜力更大一些，对增加成本的承受力也大一些；而小型车轻量化材料的主要选择对象是超强钢，因为其减重的“潜力”比较小一些，对增加成本的承受力也小一些。处于中间的车型就需要对多种轻量化材料进行全方位的考虑，充分体现“正确的材料用到正确的地方”的策略。图1-14所示为一辆福特蒙迪欧样车，这辆车在2013年款蒙迪欧的基础上，对白车身、覆盖件、底盘、动力系统、内饰系统、电子系统进行了全面的轻量化设计。通过使用各种先进超强钢、铝板、铸铝、铸镁、强化玻璃、碳纤维复合材料等轻型材料，使整车质量从1559kg降低到1195kg，减重23.5%。这是一个汽车轻量化成功使用“正确的材料用到正确的地方”的案例。