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| 7月12日-13日，“2018中国汽车轻量化产业高峰论坛”在上海隆重举行，论坛以“新技术、新材料、新工艺“为主题，旨在降低汽车自身重量同时提高输出功率、降低噪声、提升操控性和安全性，并对汽车轻量化政策趋势发展、整车轻量化平台化设计方案、关键零部件轻量化技术开发及汽车轻量化多材料应用及成本控制分析等问题展开探讨。 贵州长江汽车有限公司汽车工程研究院首席工程师郁向东博士 贵州长江汽车有限公司汽车工程研究院首席工程师郁向东博士介绍了钢铝混合车身的有机选择，以下是演讲实录（有部分删减）： 谢谢各位参会的同仁，感谢盖世汽车给大家提供这么好的机会进行学习交流，我个人参加了这两天的会议，感觉收获很大。我们整车厂是直接面对客户的，我们需要对性能负责，对价格负责，性价比低的产品我们的客户是不会接受的。。 首先介绍一下贵州长江，大家都知道它主要是从事纯电动汽车设计制造，我们集团的杭州长江获得工信部和发改委两个资质生产纯电动的资质，不但有研发资质还有生产资质。贵州长江是由长江和贵州省政府在贵安国家级高新科技园建立的汽车有限公司，从事纯电动汽车的制造，我们制造车的范围包括客车、中巴还有物流车、卡车、乘用车。卡车和乘用车、物流车我们已经开始制造，因为我们有这方面的资质，乘用车我们还在研究开发过程中，应用杭州长江的资质进行生产。我们在贵安现在正在建立一个生产基地，有1800亩的规模，建成后可以生产20万辆纯电动客车、物流车、轿车，这是贵州长江简单的介绍。 为什么选择钢铝车身的有机选择这个题目呢？原因是这样的，在新能源汽车这个行业工作的人，因为现在电池技术的限制，项目管理部门往往首先给我们提出的轻量化任务，车身轻了多少，底盘轻了多少。 有时领导跟我们说你能不能做铝合金车身，或者说空间框架结构，或者钢结构。现在市场上有很多各种各样结构的车身，我们到底选择怎样的车身适合我们的产品？这两天大家都提到，轻量化就是适合的材料用在适合的部位应用适合的工艺。在整车厂，轻量化更多的是要适合我们的产品定位，适合我们产品战略，还有生产战略。轻量化要跟你现在设计的生产线要相结合，如果选择的技术路线在现有的产线上生产不出来也没有用。 首先我声明一下我在这个报告里面会对很多车辆的车身结构进行分析，有的是上市有的还没上市，我的选择这些车并不代表我喜欢或者不喜欢哪辆车，只是用来我们研究探讨用。这里讨论的提纲是钢铝材料性能，轻量化设计原则，钢铝车身材料和连接，典型燃油车钢铝车身的比较，典型钢铝纯电动车车身比较，典型框架铝合金车身比较，钢铝车身实用分析，铝合金在开闭件上的应用，最后给出一个结论。 首先我列出两个比较常规的铝合金和普通钢的材料，大家知道铝合金大概是普通钢密度的三分之一，杨氏模量也差不多是三分之一，屈服强度这两个材料差不多，一个是215兆帕，另外一个是235兆帕。抗拉强度就有很大的区别，铝合金是240兆帕，普通钢400兆帕，这个很重要特别是在我们考虑碰撞的时候，铝合金超过一定强度以后会断裂，普通钢有较高的强度和很大的伸长率。我想举例说明一下我们在应用不同材料的时候，特别在做轻量化的时候，怎么设计才能达到轻量化的效果。左边是一个截面，宽120，长度2540，高180，相当于模拟门槛的一个汽车结构，门口要求位移小于一毫米。在3335牛的工况状况下，代表一个人站在车门上上下跳动，这是一个实际的工况。我们从左边看到的应用钢板的参数钢板200，铝合金70，屈服强度钢板220，铝合金215，宽度120。用位移小于一毫米的强制条件，我们算出来厚度钢板1.95，铝合金5.58。如果把设计截面限制死了，这个截面只有这么大，重量钢板要23.9，铝合金要23.04，这个比值相对差不多。钢板是1，铝合金是0.96。右边这个状况是不限制宽度，高宽比不变，钢和铝随便变，只要满足位移小于1毫米，强度3335N。对钢板和铝合金来说，截面宽度不一样，高钢截面是145.6，铝截面宽度是183.9。厚度也是不一样的，钢板1.09，铝合金1.55，重量钢板15.87，铝合金10.13，比值钢板是1，铝合金是0.64。现实中，你不可能达到30%减重的效果，你只能达到15%-20%的效果，因为设计空间往往是受限制的。 钢结构车身常用材料的形式，一般是像A柱外板、内板、加热板用的热成形特别高强度的钢材，前纵梁还有左翼前横梁、后横梁。铝合金车身材料除了冲压的形式还有挤压的形式，前纵梁是两个椭圆口构成的，门槛梁都跟传统的不太一样，这时候更多的用结构的形式达到我们所需要的力学性能，同时又可以减重，就是我们刚才讲的原理，一定要改结构，不改结构可能得不到这个效果。特斯拉用了很多压铸铝，特斯拉上面用的减震塔，前纵梁接口的地方，后纵梁接口的地方，用不同的结构达到减重的效果。 用铝合金做车身的时候特别需要了解连接方式。氩弧焊，一般用在前纵梁、型材和型材之间。氩弧焊应用起来不是问题，氩弧焊会带来非常大的不一致性问题， 有些公司公司在铝合金车身上用了很多氩弧焊，结果会造成车型的变形，我们是建议用的越少越好。还有一个是自冲铆，因为铝合金焊接的问题，自冲铆用的比较多一点，比较成熟一点，价格比较贵，3-4毛钱，钢板焊接的话是1.5毛就可以了，这些成本也都要考虑进去。 流钻螺钉是一个比较新的技术，常用在盲孔连接的地方，压铸铝和钣金连接的地方，这个连接工艺不太好用人工操作，因为工作力量比较大，要100多公斤，需要用机器人，如果设计中用了FDS这个连接方式，但是你没有设计这个制造方式的话，你用人工的话，你就吃大亏了，这个很不好用，它也比较贵，但有时也不得不用，5、6毛钱一个，这个成本对我们来说是非常重要的，我们都要算到成本中去的。结构胶接，我们一般的钢板车身用的比较少，但是铝合金这个结构胶接是非常重要，而且它往往对连接的强度是起到主要的作用，像SPR是起到辅助的作用，它也比较贵，3块钱一米，如果你用七八十米就200多块钱。还有拉铆螺钉传统的用的比较多，这个就不多说了，这个相对来说比较普通一点。虽然说铝合金不能焊接，其实铝电阻焊也可以焊，但是比较贵一点，焊的方式有两种，一种是焊接头在上面，有特殊处理，因为大家知道铝的电阻比较小，不可能加上大电流的时候就有很好的发热性。铝焊接在焊接的地方性能降22%，一般很少用，但是也可以焊，特斯拉用的比较多，你要有特殊方法，一个是焊接头要采用一些处理，第二个是焊接条，还有一种连接方式是凸焊螺钉，我们装内饰件都需要这个定位一下地毯等等东西。 一般的说来， 我们只有一条涂装线。 在使用钢板和铝合金混合车身有什么需要注意的地方？一个是电化学腐蚀，钢板和铝板之间会发生变化的电化学反应，我们尽量选择双面的涂型钢板。复合材料替代金属材料，避免钢铝直接接触，可以用避风胶隔离。如果铝材表面接触表面比较大的话，需要增加一套钝化设备。 如果铝合金接触表面比较小的话，需要增加F离子。 下面我们来看一下传统钢铝车身结构在不断的发展过程中车身材料应用状况。首先看一个大家可能比较清楚的奥迪A8车身结构的演变，我们来分析一下它变化的过程，另外它为什么这么变，希望我们可以从中找出一些规律来。第一代是90年代的时候D2，车身以型材为主，那时候是以手工生产，他的重量减到249公斤，手工生产过程中变形很大，一致性差。下一代的时候D3的时候车身型材减少，用了很多压铸铝件和少量铝板，它允许有很多复杂的结构设计，这时候重量是达到了最佳的状态，车身重215公斤，但成本可能会比较高一点。下一代肯定需要考虑到成本，D4车身型材又减少了，又减少了压铸件，增加了铝板材件，少量的热成形钢，这个时候重量增加到231公斤了，为什么会增加上去呢？很简单，你用板材多的时候达不到用型材或者用压铸件这样好的减重效果，重量就上去了，另外加了热成形钢重量就上去了。到了去年又爆出一个大冷门，车身重量一下子增加到282公斤，大家很纳闷，为什么这样子？从D4到D5增加了热成形钢板、钢材、碳纤维、镁合金、铝合金增加刚度，这个时候车身性能会得到改善，NVH得到改善，作为奥迪这样一个高档的车型碰撞性能要改善，因为它要和沃尔沃竞争。D5用了很多热成形钢，我们刚才说了铝合金它最终的拉伸强度远远小于钢材，当然OEM不敢说了，只是宣传轻量化，但是它的安全性能可能比较差了。特别是现在欧洲碰撞安全要求越来越高的情况下，它也是不得不采用多种的混合材料来形成新一代的车身。从性价比来说它还是最轻的，但是为了达到最好的安全性和NVH性能不得不增加一些重量，达到282公斤，还有一些其他的技术措施，像宝马用很多碳纤维，这个时候重量不会增加这么多。D5相对来说它自己选择车身重了一点，但成本会降低，车身性能和安全性能会增加很多， 它的铝合金重量达到58%。 下面是凯迪拉克CT6，凯迪拉克是2016年在上海生产开始量产的，和D5出来时间差不多，不知道谁抄谁的，当然不一定时互相抄，但很明显的大家最后都达成一致的结论，必须在乘员舱这一块用高强和热成型钢板，要保护乘员的安全，特别是高档轿车。前面后面用铝型材，也用很多连接方式，自攻螺接、自冲铆接、铝激光钎焊、铝电阻点焊， CTS车身铝合金使用量很有意思的也达到58%。混合车身相对来说对打造最佳的性价比这样的状况是最好的。 我是在新能源汽车这一方面工作，我们很关心纯电动车有什么材料做车身。我老板经常会说人家用什么材料和工艺我们为什么用。我们现在看看特斯拉MODEL S, 大家比较清楚它用的是纯铝的车身，上车身是冲压的结构，下车身是型材的结构，我们简单的看了一下一些逆向的数模，我们发现为了减少铝合金冲压的困难，一般的话车侧围用一大块就可以了，特斯拉用分段冲压的形式，它设计的比较巧妙，你看不见除非你把外饰件拆掉才能看到。下车身门槛都用型材，前纵梁也是型材，减震塔是压铸件，后纵梁前段还是压铸件，加强横梁也是型材，下车身基本上是型材与压铸件的一个综合体。我看了网上一些MODEL S制造的录像，座椅的横梁是用机器人用氩弧焊焊到门槛上去的， MODEL S 的定价在国内是90万起。 Model 3这个结构是用的什么车身我们需要了解一下，我们不可能把车都做成60-70万的价格，这样没人愿意买。我们自己做一些MODEL 3的价格分析，我们发现它完全反过来了，他用的基本上都是钢材，包括前面。到后面小部分它用了一些铝合金的部分，前面前纵梁包括整体的车身又回到传统的车身一样，铝合金、低碳钢、高强度钢、特高强度钢，还是跟传统燃油车的结构差不多，乘员舱里面用了很多热成形的材料，它的美国定价是3.5万美元，非常亲民。 现在国内有一些新兴造车势力，也大量用铝合金作为车身材料。这个车是一个B级SUV，它在很多细微方面跟特斯拉和Model S有点区别，但是大体上延用了特斯拉的结构，上车身是铝合金冲压，下车身是型材。我们这里只是说设计方法可能是一样，但是生产方法可能不一定完全一样。根据网上的报道，车身的轻量化指数非常的高，白车身弯扭刚度都达到了较好的水平。它的最低价格定在40万左右。 我们看看另外一辆车比A级稍大的SUV，根据了解，他们基本上没太多用铝合金做轻量化的设计，基本完全是用传统的车身。价格定位比较低15万左右，而铝合金车身配备的车定价在40-50万，价格有点区别。 下面我们看一下用大量铝合金型材制造一种叫空间框架结构车身，奥迪最先提出来的，以R8为代表，前面很多的铝型材、铝铸件，中间一些铝板材占23%，R8是一个超跑的结构。 还有一个是日产的NSX，其实车身结构与R8差不多，这两个车都很贵，200多万，A柱加强零件昨天哪家公司也提到，它是用3D淬火的形式做出来的，截面可以做的比较小，A柱的视野空间可以做很好的改善，这是很典型的结果。昨天熊总提到了K50，也有一点像R8的结构，它还是一个铝合金的结构，前后的都是这个框架，但K50的覆盖件是碳纤维覆盖件，这是比较新的。但它的价格70万左右，前面两个R8跟NSX200多万，国内能够做成这样的还是非常好看。一开始我去看过这个车身，一开始纯粹的弧焊的方式，最近一致性有很大的改善，网上报道了他们用了155个FDS替代弧焊，把车身一致性问题解决了。 下面这个例子也是一个铝合金空间框架结构，覆盖件不一定是碳纤维，可能是塑料，它把所有的连接都改成螺栓连接，它用一两千个螺栓重量是200-300公斤，现在还没有继续开展下去，我不知道下面怎么样。国内很多企业想了各种各样的方法应用铝合金空间框架来造车并想办法解决减少氩弧焊的使用。我觉得我们国家企业的创新精神非常强。还有一个例子也是框架结构，用塑料件覆盖件来做，是eQ1，小蚂蚁，这个做出来车身加上车顶是165公斤，这个是A0级的车。这个是东风的，里面是全部通过各种连接方式形成的框架，很少压铸件，还要加一些铝合金的板材，一些覆盖件在上面，形成一个车身。 这图对投资铝合金车身成本的比较，最左边是铝合金框架加蒙皮，第二个是铝合金加型材板材都在一起，最后一个是铝合金加冲压的形式。红色的线是制造投资和模具成本，绿色的是零件和总装成本。看到框架加蒙皮的形式投资比较低，一开始不要太多的模具。但是一开始的成本比较高，冲压车身的话一开始投资比较高，零件总装成本比较低，就是看你的量，一个选择是看量，如果小于年产某一定量的时候，我选择左边的方式，如果你的量很大一年超过5、6万，10万我选择冲压的方式，当然了各个产品都不一样，如果跟钢比的话又不一样，所以选择要有一些计算，这时候成本要把连接的成本都要加上去，我们也遇到了这样的问题，昨天梨总介绍了他们下车身用框架的结构，我们也遇到这样的问题，一个是钢制的下车体，一个是用铝合金下车体。下车身用铝合金还是用钢制，铝合金用型材，扩展性比较好，如果加长、加宽都比较方便一点，钢制的话要重新开模具。我们做了一些简单的评估，不一定完全正确。下车身用钢家241公斤，铝合金下车体184公斤，成本是钢制3615/Kg，铝合金是7360。模具钢制8000万，铝合金2740，你可以根据量选择钢制或者是铝合金，你可以根据产品的定位决定哪一种比较好，当然我们有我们自己的选择，你可以用这种方式选择。 其他一些车身车门的比较，钢板、全铝、钢铝混合，我现在最希望能够做全铝的车门，因为跟车身制造工艺关系不大，我可以单独在外面造。还有这是发盖，铝合金和钢的话基本上差不多了，成本上差不多，但是减重比较明显，减重6.7公斤，37%。这个是其他一些应用，一个是门槛加了铝型材增加侧碰的性能，这是Model 3的结构，我可以比较方便的增加型材几乎不用什么模具费，型材模具费5、6万块钱就够了，比较有效的增加侧碰性能。 下面我来给出一些结论，不一定对，但是可以给大家做一个参考。第一，纯铝合金车身可以在国内制作，但是必须把生产工艺规划好，特别是连接方法，没有想好制造方法贸然用铝合金是给自己找麻烦，另外全铝合金往往用到定位比较高的车型。第二，我们看到混合材料车身是未来车身发展方向，对传统OEM来说，可以先行开发一些与白车身制造联系较少的铝合金车身件。第三，框架式结构是进行小批量生产有效道路，但是我们需要继续寻找高效的框架之间的连接方式。早上跟一个朋友聊了一下3D打印的方式，昨天熊总也提到新的碳纤维的连接方式，有很多的方式都在搞。第四，如果你分析下来你可以用铝合金车身，你想用，你利用专业铝合金车身制造商的能力，这样可以缩短学习时间，减少投入，当然成本稍微高一点。第五，选择车身材料与产品定位、产品战略和生产战略以及动力系统的发展有关。现在相对来说电池能量密度越来越高了，续航里程压力比前几年少一点，为了成本的问题可以选择一些传统的材料，当然就像厨师一样，你想要不同的味道，你可以选择不同的原材料，这是我今天跟大家分享的，谢谢大家。 |
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