一、汽车轻量化的概念

汽车轻量化主要是通过结构优化设计、轻质材料使用以及先进制造工艺运用及其交叉运用来实现的，汽车轻量化的技术研发也是围绕这几个方向开展，目前主要有三种汽车轻量化技术手段：汽车轻量化材料运用、汽车轻量化设计、汽车轻量化制造工艺。

随着《中国制造2025》的发布，汽车轻量化已然跃升为国家级战略。2019年，由中国汽车工程协会主办的第十三届汽车轻量化大会，将轻量化定义为：在维持汽车安全性、操稳性及舒适性等各项性能不降低的基础上，通过降低自身重量，提升整车的经济性、动力性，降低排气污染的一种设计方法。

目前汽车的轻量化问题早已是大众最关心的问题之一。在世界范围的汽车行业，汽车轻量化被普遍定义为通过结合轻量化技术以及多种轻量化材料制造技术，实现使汽车整车质量达到尽可能小的值的目标，从而实现更加长远的目标，即在减少燃料消耗和降低排气污染的同时提高汽车的动力性。

汽车轻量化的最终目的是能够实现控制成本、节约能源、优化各零部件及车型的同时保证汽车的强度、安全性能不受影响。由于汽车燃料所提供的动力是克服摩擦力做功，而摩擦力与重力成正比，因此从理论上可以得出结论，当汽车整车质量下降，所需克服的摩擦力相应下降，所需提供的动力也下降；同时实验结果表明，当汽车整车质量减少10%时，其燃油效率便会增加6%-8%。

二、汽车轻量化的实现技术与方法

实现汽车轻量化的技术途径主要包括：

①优化汽车结构设计，美国F-16飞机利用轻量化技术将机体中的有效空间最大化利用，仅有几平方分米的空隙，同理，我们也可以用较少的材料耗量保证较高强度的整车结构。

②使用优化材料，伴随着中国材料学的崛起，许多新型材料的使用可以将之前使用的普通钢铁材料进行替代；目前实现汽车轻量化的主要措施是使用优化材料。

③智能化设计结构，如采用有限元分析等方法对车体的主要成立部件等区域进行局部加强设计、对非主要承力部件进行合理的局部弱化等。

④在保证汽车性能的前提下，合理、精细化地减薄车身板料厚度。

轻量化三种实现途径

三、汽车轻量化政策梳理

2012年，《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》：2020 年当年乘用车新车平均燃料消耗量达到5.0 L/100km。

2015年，《中国制造2025》：提升动力电池、驱动电机、高效内燃机、先进变速器、轻量化材料、智能控制等 核心技术的工程化和产业化能力

2016年，GB 19578《乘用车燃料消耗量限值》、GB27999《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》：持续降低我国乘用车燃料消耗量,使我国乘用车平均燃料消耗量水平在2020年下降至5 L/100km左右。

2016年，节能与新能源汽车技术路线图：2020年较2015年减重10%、2025年较2015年减重20%、2030年较2015年减重35%。

2018年，《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》：按《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》(GB 27999-2014)计算乘用车企业的油耗实际值和目标值，推动实现5.0L/100km 的目标。

四、汽车轻量化材料发展概况

汽车轻量化材料的应用是目前运用较多的一种轻量化手段，其优点在于只要通过材料替换就能达到较好的轻量化效果。研究结果表明,总质量为1229kg的汽车铝合金化后通过减重和二次减重(汽车总质量减轻，动力单元部件可相应的减轻重量)可减重444Kg。

主要轻量化材料特性

目前汽车行业常用的轻量化材料包括高强度钢、超高强度钢、铝/镁合金和塑料等非金属材料等。汽车用高强度钢目前分为三代：以铁素体为基的第一代汽车用高强度钢、以奥氏体为基的第二代汽车用高强度钢及以马氏体(贝氏休)和奥氏体为基的第三代高强度钢。

目前应用最广泛的是第一代中的双相钢(DP钢)，第一代汽车用高强度钢强度相对后两代较低，但易于加工；第二代汽车用高强度钢强度有了较大提升，但其中锰元素含量较高，因此成本高、屈服强度低、加工难度较大，实际使用较少；第三代汽车用高强度钢综合考虑了性能、加工难度和成本，未来有希望得到大规模应用。铝合金中使用较多的是铸造铝合金，常用于发动机、离合器和车轮的制造中，铝合金材料应用的最大障碍是成本和加工工艺难度。

镁合金目前在汽车制造中使用较少，但其性能和密度良好，在汽车轻量化领域未来应用潜力巨大。非金属材料以前常应用于汽车内饰部分，但随着碳纤维等比强度高的复合材料的出现，非金属材料开始被广泛的用于汽车外饰件和结构件。

汽车轻量化材料用量目标

五、汽车轻量化设计发展概况

汽车轻量化设计近年来得益于计算机技术的发展也得到了较大的发展，特别是各类CAE、CAM 软件的应用，常用的设计分析软件有UG、ANSYS、Moldflow 和AutoForm等。

结构尺寸优化是应用较早、发展较为成熟的一种优化设计方法，尺寸优化是在满足相关力学性能指标的前提下，通过调整汽车及部件的尺寸以实现质量减轻的优化方式，常用的方法有响应面函数法及等效静力法等。

形状优化是指通过改变汽车或部件的形状来改善其应力条件，从而减少材料使用来降低质量，对形状规则的部件常将其外形参数化，将形状优化转化成尺寸优化问题来解决，对形状不规则的零部件采用无参数形状优化和Kriging近似模型技术等解决。

拓扑优化是利用有限元的方法根据给定条件对材料的分布进行优化，此外还有多学科设计优化等方法。汽车轻量化设计常常和汽车轻量化材料同时使用，根据材料的力学性能对汽车及部件进行重新设计，可以获得更好的轻量化效果。

六、汽车轻量化工艺发展概况

汽车轻量化工艺领域研发成果相对较少，目前汽车轻量化制造工艺主要包括热成形、激光拼焊、液压成形和3D打印等，除3D打印外，其他技术都已较为成熟，在汽车生产制造过程中得到了广泛运用，而3D打印等增材制造技术目前仍处于应用探索阶段。

汽车轻量化工艺领域新成果较少一方面是因为汽车轻量化工艺研发往往和材料或设备的研发相关联，难度大，周期长，从企业运营角度来看成本过高；且如果要进行工艺的更新则可能要对汽车生产四大主要环节中的冲压、焊接和总装环节进行生产线和生产设备的更新，设备价格和改造成本较高。

另一方面，单独使用汽车轻量化工艺对汽车轻量化减重效果不明显，汽车轻量化工艺往往是为了匹配轻量化设计和轻量化材料的研发和使用而进行相应的改进，在现有的加工制造工艺能够满足需求时，企业对汽车轻量化工艺的研发需求也不大。

内容来源：

《【研报】汽车轻量化行业深度报告：Less is More加速的汽车轻量化-20200825(51页).pdf 》

推荐阅读：

《汽车轻量化行业深度：汽车轻量化趋势明确结构件一体压铸推动制造革命-220309(27页).pdf》

《【公司研究】云海金属-公司深度：宝钢大力扶持的汽车轻量化龙头-20200702[26页].pdf》