1.1.2 汽车轻量化技术

1.1.2.1 什么是轻量化技术？

随着节能减排需求的日益增加，汽车这一能耗大户必须做出改变。汽车节能减排的技术有很多，比如新能源的应用、发动机改造等，当然还有轻量化技术。

生活中，一个人的体重增加时，他日常的生理消耗会增加，饭量往往也会增大。汽车跟人也是一样的，当一辆车负重前行时，它的油耗也会更多。因此一个轻盈的身体是汽车设计的发展趋势（图1-15）。

大量研究表明，汽车重量减轻1%，油耗可降低0.7%；汽车重量减轻100kg, CO ₂ 排放量可减少约5g/km。

如此一来，汽车厂商自然会修炼“减肥术”。

轻量化技术是指汽车在保持原有的行驶安全性、耐撞性、抗振性以及舒适性等性能不降低，且汽车本身造价合理的前提下，通过采用轻量化材料、结构优化、零部件精简等手段，有目标地减轻汽车自身的重量，从而提高动力性、减少燃料消耗、降低排气污染。

轻量化材料是实现汽车轻量化的关键，如高强度钢材、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料等。这些材料相比传统的钢铁材料具有更高的强度和刚度，同时重量更轻。如图1-16所示的蔚来ES8，是其首个独立研发量产的轻量化全铝车身平台。在车身最关键的传力路径和承载部位上，ES8也使用了高性能铝材。这使得ES8全铝车身上铝材的使用率高达96.4%，成为当时全球量产的全铝车身中铝材应用量比例最高的车型。

结构优化是通过重新设计汽车的整体结构来实现轻量化，在保证结构强度和刚度的前提下，通过减少材料使用量和优化零部件布局，达到减轻整车重量的目的。

零部件精简则是通过重新设计和整合汽车的零部件来减轻重量。通过采用更紧凑的设计、材料代替、功能整合等方式，减少零部件数量和重量，进而减轻整车重量。

汽车轻量化技术的应用可以带来多个好处：提高燃油经济性，减少碳排放；提升动力性能和操控稳定性，提高行驶的安全性；延长电动汽车的续驶里程；减少材料的需求和生产成本，促进可持续发展等。

总体而言，汽车轻量化技术是汽车产业追求更高效、环保和可持续发展的重要方向，也是现代汽车工程中的研究热点之一。

1.1.2.2 轻量化技术的“三大法宝”

（1）脱胎换骨的新材料

汽车减重最有效的方式就是改变汽车的材料。材料轻量化是在车身与零部件等部位使用更轻便的材料，从而达到大幅度的减重。这就像医学上使用钛合金的“人造骨”代替人骨治疗骨折，它的效果如脱胎换骨。

目前，用于汽车轻量化的材料主要有低密度的轻质材料和高强度材料，前者包括以铝、镁、钛合金为代表的金属材料和塑料、纤维等高分子材料，后者主要指高强度钢。

碳纤维具备非常低的密度（比铝合金的减重效果提升2~4倍），拉伸强度是钢的7~9倍，还具有耐腐蚀、高模量特性，在风力发电和航空航天领域应用非常普遍。

（2）有的放矢地“抽脂”

结构轻量化是对车身结构持续优化，在保留主流参数的基础之上，提升整车结构强度，降低耗材用量，比如改变零部件的结构设计、采用中空结构等。这就好比通过吸走不必要的脂肪，对各部位进行改善，可以达到在相同的材质基础上提升受力性能的目的。

（3）更先进的制造工艺

目前车身轻量化制造工艺的创新应用，主要有热成型冲压制造工艺、液压成型工艺、激光拼焊板等。

1.1.2.3 轻量化技术会影响安全吗？

对车身的改动不仅能够赋予汽车不同的造型，还能够帮助汽车“瘦身”，目前为了响应节能减排的号召，许多整车厂苦练汽车“减肥术”。然而消费者无法安心，变轻了的车还安全吗？于是舆论将安全事故的矛头指向轻量化。

2018年6月，一辆SUV在高速公路上突然偏离方向，撞向了路中间的隔离栏，车尾发生二次碰撞，车尾门被撞飞，位于后座的车主父亲和两个儿子被甩出车外（图1-20）。该事故导致车主父亲高位截瘫、妻子肋骨骨折、七岁的大儿子擦伤、三岁的小儿子死亡。车主在接受采访时说：“怎么我们车子的后尾箱是塑料的？别人的车子全是铁的嘛，如果是铁的话，也不可能会折断，门也不可能飞出去，就算是在车里受了伤，也不可能这么严重。”

轻量化是造成这一系列悲剧的元凶吗？带着这一疑问让我们一起来了解一下汽车轻量化技术是不是影响了乘员的安全。

根据前面说到的轻量化的定义来看，轻量化技术必须保证车身的刚度和安全性能。轻量化与安全性并不是二选一，而是必须两者兼顾，才能称得上轻量化技术。那么轻量化技术是如何保证安全性的呢？轻的车安全性能跟重的车一样吗？

（1）重车vs轻车，究竟谁更耐撞

物理上有一个动量守恒定律，它对碰撞的影响相信很多人高中时背过：小质量物体撞大质量物体，大质量的不动，小质量的被弹飞。那么，车也一样吗？

答案是否定的。首先，汽车具有溃缩结构，碰撞发生时可以形成缓冲区，从而吸收能量；其次，轻量化的主要手段是优化结构、改变车身材质、制造工艺创新，都能为车身提供相当或者更好的乘员舱牢固程度；此外，越来越多的主动安全设备的应用，能够有效地减少事故，特别是严重事故的发生。

但这个问题在学术界也有争论。

1997年，美国汽车工程师学会（SAE）的Kahane博士使用实际事故数据来分析车重和安全性的关系，得出的结论是：汽车重量的下降时，死亡率会随之上升。汽车若减少100lb（1lb≈0.45kg）的重量，一年将会导致额外1000人的死亡，如图1-21所示。但是，该研究存在一定的局限性，Kahane博士没有区分汽车的尺寸与重量。

很快，Van Auken等学者就指出了这个问题。他们分别验证了汽车的尺寸与重量，发现轻量化的车身对安全性是正面的影响，而汽车尺寸（轴距和轮距）的减小则对安全性产生负面影响。所以，Kahane博士的研究结果，其实是因为汽车尺寸的负面影响大于了车身减重的正面影响，才得出了相反的结论。

他们还对轻型货车进行了相同的研究，得出结论：如果汽车减重100lb，能够降低两车相撞时的死亡率，并且能够降低轻型货车翻车或与另一轻型货车相撞事故中的死亡率。

此外，Wenzel等学者也做了一项研究，他们的结论肯定了轻量化对安全性的正面影响，如图1-22所示。同时，他们的研究表明汽车重量与安全性的相关性不强。

他们还通过分析不同级别车型的风险因数发现，皮卡并没有想象中的那么安全，如图1-23所示。中大型轿车和小型货车的安全性反而较高；皮卡的安全性最低，同时对他人车辆的侵略性最高，在两车相撞事故中，很容易导致他人死亡；但同时，皮卡本身在与静止物体（比如墙体）碰撞的事故中驾驶员死亡率也很高。

以上的第三点可以解开很多人心中的疑惑。对于两车相撞的情况，如果两车的尺寸和重量相差过大，比如普通乘用车与重卡相撞，那乘用车还是凶多吉少，这也是Kahane研究结论中的可取之处。但从汽车轻量化的角度来说，更多考虑的是在某一辆汽车自身的重量变化对于安全性的影响。在这种情况下，如果车身尺寸没有发生较大变化，轻量化是对提升安全性有好处的，这也是后来几位学者研究结果想要传递的主要信息。

由此可见，汽车安全与否，最关键的还是看车身的安全性设计和尺寸。那么，谁能为安全事故买单呢？

（2）道路千万条，安全第一条

回到本节开始提到的事故案例，我们一起来梳理事故过程。

首先汽车在雨天高速行驶时，因为车主进行制动操作的缘故，导致车辆打滑，车头首先撞到道路中间的防护栏，发生正面撞击，如图1-24所示。

在第一次碰撞后，车身发生了旋转，车尾再次撞到护栏上，如图1-25所示。由于车身部位未出现明显损坏，更可能是尾部直接受到侧向撞击，也就是说，车尾以高速旋转的状态撞上防护栏。

这是一款五座SUV，相比七座车型，它与尾门的距离更远，按理说被甩出去的风险会低一些。但四名乘客均未系安全带，三岁的小儿子未使用儿童安全座椅，这和三名乘客被甩出车外是有直接关系的。

我们能发现事故车尾门锁的残部还留在车上，尾门上部的安装点（支撑杆、铰链）出现了明显的撕裂痕迹，尾门的主体件（除车窗外的下盖板）未出现严重损坏，如图1-26所示。可以大致判断：尾门被撞飞不是车锁与车身连接强度不够造成的，可以排除车身和车锁的问题。

进一步核实后发现，事故的主要原因是车锁和尾门的连接强度不够。在剧烈的撞击后，连接点处出现了撕裂；又因为从后排飞出的乘客带着巨大的冲击力撞向尾门，导致尾门彻底被撞脱。

该车型的这款尾门，外板采用了热塑性聚烯烃（TPO），内板采用了长纤维增强热塑性聚丙烯（LFT-PP），这是一种比常见塑料强度更高，同时与常见塑料重量相当的材料。据官方称，在保证同等强度的同时，这款尾门能够减重25%~35%。

该尾门的轻量化效果确实显著，获得过美国塑料工程学会（SPE）颁发的车身外饰奖。然而是否达到了“同等强度”，仍有待商榷。也许它的抗正面撞击能力达到了同等，但在遭遇剪切力时，塑料件的力学性能明显不足。这款塑料尾门极有可能加剧了事故的严重性。

这场事故虽然有偶然性，但厂家一定具有不可推卸的责任，许多厂家都会采用后护板等设计降低乘员被撞入行李舱的风险，而该车没有做到。这不是轻量化技术本身的错误，而是设计考虑的缺失。

同时，雨天高速驾驶、未系安全带、后排乘客超过3人均是安全隐患。汽车终归只是工具，行车安全最终掌控在驾驶者手里。 3NKvJLkhFGjZCfMN9970W0rjBlh8Nj3jJHC6adIzr39ndP6JpTXvTyHRIYIvz1z2