傳統(tǒng)汽車面臨降低開發(fā)成本的需求，車身輕量化技術(shù)是汽車技術(shù)發(fā)展的一個大方向，即便是在新能源動力時代，輕量化技術(shù)也是新能源車車身設(shè)計所必須考慮的第一要務(wù)。

什么是汽車輕量化？

汽車輕量化是在滿足汽車使用要求、安全性和成本控制要求的條件下，將結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計技術(shù)與多種輕量化材料、輕量化制造技術(shù)集成應(yīng)用實現(xiàn)的產(chǎn)品減重但在實現(xiàn)汽車輕量化的同時，一個非常重要的前提是：不能以犧牲車輛安全性和NVH（噪音、振動、平順性）為代價，汽車輕量化必須在預(yù)定整車減重目標(biāo)、整車成本控制目標(biāo)、安全性目標(biāo)和NVH控制水平的全面約束下進(jìn)行。

為什么要汽車輕量化？

首先，車身輕量化是實現(xiàn)整車節(jié)能減排的有效舉措之一。據(jù)研究表明，在采用相同動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的前提下，乘用車的整備質(zhì)量每減少10%，燃油消耗就可降低6%-8%。巴斯夫公司統(tǒng)計結(jié)果表明，汽車每減重100公斤，百公里油耗可降低0.4升、二氧化碳排放可減少1公斤。相比于動力技術(shù)的提升所帶來的燃油消耗降低，車身輕量化技術(shù)的投入相對較少，成效也要更加顯著。要知道在過去的近十年時間里，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的提升所帶來的經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)的改善也就是在8%左右。

同時，汽車輕量化還有利于汽車安全性能的提升，從理論上說，汽車碰撞時的沖擊能量與汽車的質(zhì)量成正比。在同等條件下汽車越輕，碰撞時沖擊能量越小，車身結(jié)構(gòu)的變形、侵入量和乘員受到的沖擊加速度就越小，汽車對乘員的保護(hù)性能越好、越安全。另外，汽車制動時消耗的能量也與汽車質(zhì)量成正比，汽車越輕，在以相同初速度剎車時，制動器要消耗的能量就越小，制動減速度就越快，制動距離越短，制動性能就會有明顯改善，汽車主動安全性也會變好。

車用復(fù)合材料——CFRP

講到汽車輕量化，就離不開車身材料的輕量化，復(fù)合材料作為一種新型的輕量化材料，正日益成為汽車制造業(yè)中的新寵。特別在小批量車型應(yīng)用領(lǐng)域，它可謂一枝獨秀，成為歐美汽車制造商開發(fā)新車型的首選材料。

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料組成，其綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。其中， 碳纖維復(fù)合材料（CFRP）因其重量輕，以及具有高強度（是鋼鐵的5倍）、高模量和良好的耐熱、耐腐蝕性等特點，已成為一種非常理想的汽車輕量化材料。如果一輛乘用車采用10kg的復(fù)合材料，每年新車產(chǎn)量2300萬輛，預(yù)計車用復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)將形成千億元的市場規(guī)模。

由于碳纖維復(fù)合材料制造成本過高，碳纖維增強復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用有限，最初僅在一些F1 賽車、超級跑車、小批量車型上有所應(yīng)用，如蘭博基尼、柯尼塞格、雷克薩斯LFA、GT-R、保時捷911 GT3承載式車身等。但隨著碳纖維制造成本的下降、復(fù)合材料制造工藝的成熟，各大主機(jī)廠紛紛進(jìn)行碳纖維零部件的開發(fā)，如今被廣泛地應(yīng)用于高價值民用轎車上。當(dāng)寶馬i3系列的橫空出世，讓業(yè)界對復(fù)合材料刮目相看。寶馬i3電動車不僅在車身鑲板中使用了碳纖維復(fù)合材料，還打造了碳纖維材質(zhì)的車架。

寶馬i3采用的CFRP結(jié)構(gòu)

寶馬i3創(chuàng)新的車體架構(gòu)由兩部分構(gòu)成（圖1）：一個部分是由鋁合金材料制成、驅(qū)動車輛的Drive模塊，其中集成了驅(qū)動系統(tǒng)、底盤、蓄電池、結(jié)構(gòu)功能組件和防碰撞功能組件，另一個部分是碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)制成、構(gòu)成車廂主體的Life 模塊。Life -Drive體系是電動力系統(tǒng)的完美集成。

圖1 Life模塊和Drive模塊

并且，在Life模塊（圖2），我們可以明顯地看到CFRP在整個車身結(jié)構(gòu)件中占到了接近50%。

圖2 Life模塊重量分布圖

寶馬i3在復(fù)合材料的創(chuàng)新應(yīng)用方面，不論是汽車界還是材料屆，都對其贊不絕口。國內(nèi)很多人都去參觀過寶馬i3的工廠，看到其整個生產(chǎn)線與傳統(tǒng)汽車的生產(chǎn)線很不一樣，車身和車架都是采用碳纖維一次成型。整個生產(chǎn)流程相比以前大大地提高了生產(chǎn)效率，在車身制備中心，相比以前減少了50%的生產(chǎn)前置時間，生產(chǎn)周期小于10分鐘，僅有130個部件，膠結(jié)總長為173m，100%的全自動化，100%質(zhì)量控制，100%標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人，100%自動化過程，且具備靈活的擴(kuò)充結(jié)構(gòu)。與相似大小和驅(qū)動性能的車輛相比，由于整合了一個電子的動力總成，獲得了100%的重量差點補償。

我國CFRP在汽車輕量化應(yīng)用上遇到的難題

然而，我國在復(fù)合材料的創(chuàng)新應(yīng)用上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美日國家，想在汽車上推廣應(yīng)用還面臨諸多挑戰(zhàn)，主要難題有：

設(shè)計能力：碳纖維復(fù)合材料可設(shè)計性強，零部件集成設(shè)計、碳纖維復(fù)合材料鋪層設(shè)計能力（包括鋪層層數(shù)、角度、方式）等都需要大量的經(jīng)驗積累，才能最大限度的發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢；

材料選擇：根據(jù)編織方式的不同（如平紋，斜紋，多軸向），每個牌號的碳纖維織物性能各有差異，因此，在滿足安全性能的前提下，選用何種牌號何種編織方式的碳纖維織物都是需要我們進(jìn)行大量實驗來決定的；

價格降低：相對于傳統(tǒng)的鋁材，復(fù)合材料的成本較高，需通過碳纖維規(guī)模化的生產(chǎn)及應(yīng)用，來降低碳纖維價格。隨著各碳纖維廠家紛紛擴(kuò)產(chǎn)，相信碳纖維價格降低指日可待；

零件加工工序：碳纖維通常經(jīng)過編織-鋪貼-與樹脂浸潤-高溫成型，耗費大量勞力且生產(chǎn)效率較低，還需進(jìn)一步優(yōu)化工藝或研究新的工藝，縮短加工周期；

材料連接：碳纖維復(fù)合材料屬于脆性材料，機(jī)械連接會產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成多種形式的失效，需要充分考慮復(fù)合材料連接部位的力學(xué)分布情況，設(shè)計連接位置及強度，另外碳纖維具有導(dǎo)電性能，與金屬部件連接會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，造成結(jié)構(gòu)失效，需要研究合適的膠接或機(jī)械連接材料，達(dá)到最好的裝配性能；

材料回收：碳纖維復(fù)合材料不溶不熔，以前只能靠填埋或粉碎進(jìn)行回收，不環(huán)保而且資源浪費，需要在回收熱固性樹脂的同時，最大限度的保持纖維強度，將碳纖維進(jìn)行回收利用；

產(chǎn)業(yè)銜接：產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合不夠緊密，沒有明確定位、合理分工，基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)研究的有機(jī)銜接不夠.企業(yè)規(guī)模小而分散，輕量化技術(shù)開發(fā)能力薄弱，研發(fā)人才短缺.工藝水平落后。

目前在我國汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

但值得慶幸的是，現(xiàn)在國內(nèi)很多汽車主機(jī)廠及研發(fā)單位都在加快汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步。由中國汽車工程學(xué)會牽頭的國家汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，把汽車產(chǎn)業(yè)和學(xué)校、科研院所以及上下游集中起來，投資6億，最終研發(fā)出5款輕量化的車型，而且已經(jīng)上市了。

幾款上市的車型，包括一汽的奔騰X80 它整個減重了6%的重量，集成了高強度鋼、鋁合金、以及復(fù)合材料等等的一些先進(jìn)的技術(shù)。北汽非常重視汽車輕量化發(fā)展，并成立了董事長帶頭的輕量化領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)，也成立了一批專家隊伍，共同成立了北汽輕量化的工作。 具體的行動計劃就是定了“十三五”期間的一個585的計劃，圍繞5款車型，單車減重不少于80公斤。長安、奇瑞汽車等代表的部分企業(yè)也也已開始聯(lián)手零部件供應(yīng)商、輕質(zhì)化材料商以及車企三方都積極投入于汽車輕量化的進(jìn)程中。

隨著汽車領(lǐng)域?qū)μ祭w維復(fù)合材料的不斷研究和應(yīng)用，輕質(zhì)、高強的碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用成本下降，碳纖維復(fù)合材料零部件的應(yīng)用將會越來越廣泛。我們期待這種革命性的變化，相信復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用會是未來的發(fā)展方向。