从Tesla汽车所联想学习到的事情 I —— 铝 VS 钢之战

以前对Tesla的印象是电力驱动的酷似跑车的汽车，最近仔细学习了一下，马斯克的确是一个牛人，就如他自己所说，美国很多公司都没把打磨自己的产品作为公司的第一要务，但通过对Model-Y及Cybertruck等产品的深入了解，感觉Tesla的确在不断创新并能把这种创新成功商业化，可能这些创新背后原理并不出奇，但以前没人这样做过，Tesla做出后效果的确让你眼前一亮，比如一体化压铸，比如Cybertruck的Exoskeleton，，，从本篇开始和大家分享一下我从Tesla汽车所联想并扩展学习到事情，可能包括以下几方面内容，但并不最终定型，会根据学习的进行而稍做调整：

I 铝 VS 钢之战

II 铝合金在汽车上的应用

III 压铸铝合金

IV Tesla 压铸铝合金专利有啥特点

V Audi A8全铝车身及其连接工艺

VI 乘用车底盘类型

VII Cybertruck的Exo-skeleton结构

VIII 电动车底盘发展

IX Cybertruck防弹车身是什么不锈钢

X 还没想好，可能是关于Semi

轻量化一直以来就是汽车行业发展的主要努力方向，高强钢不但可以很好地实现轻量化，甚至可进一步提升车辆的载荷及安全性能。但铝合金以其轻盈的身姿在轻量化方面就从来没有认过输，钢&铝各有优点，各有特色，汽车行业的钢VS铝之争一直没有停歇过，而且愈演愈烈。

多年汽车轻量化项目发展，先进高强钢不但发展出超高强的第一代钢，目前以提高强塑积为目标的第三代钢已经被研发出，是目前汽车钢板研究的热点，第三代钢的成功应用相信必会使汽车安全性得到进步提升。

图3为从2015年至2022年汽车材料占比的大概变化趋势，通过图可以发现在过去的7~8年间，先进高强度钢占比增量要远高于铝合金占比增量。

最近特斯拉推出一体化压铸车身更是把铝合金部件推上了风口浪尖，为占领供应市场，各大汽车零部件供应商纷纷以迅雷不及掩耳之速上马大吨位压铸机，可以看出铝合金的发展势头。

本文从材料性能及成本角度，设置几轮PK，简要分析一下铝与钢在乘用车领域的发展趋势。

Round 1: 强度

Round 2: 稳定性

Round 3: 成本

Round 1

表1为铝合金和高强钢材料性能对比，可以看出铝合金的密度约为钢铁的1/3，说明同样尺寸的铝合金的重量只为钢铁重量的1/3，但我们需要记住在汽车轻量化过程中一定是在保证汽车的载重及安全性前提下进行的，即轻量化同时必须平衡结构的抗弯性及结构的稳定性。

表1 铝和钢的性能对比

不能只顾减重却忽视了强度，而发生如图5所示情况；另外也不能忽视了汽车自身的刚度，如图6所示。所以，简单考虑，我们可以通过计算强质比来看单位质量所能承受外力，即同样质量材料可承受外力情况，通过选取两种材料中强度都比较好的代表进行计算，高强钢的代表为强度1200MPa这一等级，比较高但并不是最高2000MPa级；铝合金选取6061为代表，热处理状态为T6，在铝合金中强度算比较好的。钢VS铝强质比为120&89，说明钢在同时考虑质量及强度时高强度钢完胜铝合金。

表 2 强质比

这种分析虽说有点简化，但在大方向是绝对没有问题的，您可以通过留意一些宣称全铝车身的材料配置情况就可得到认证，如奥迪A8全铝车身，但在保证安全的最关键部件，如A柱、B柱其实还是得依靠热冲压硼钢。

Round 2

下面我们来看一下稳定性，材料稳定性的指标为杨氏模量，通俗来说是材料受力时变形的敏感性，如图8所示。这里的变形是弹性变形阶段，即去力后变形就像橡皮筋一样自动恢复，可用单位力作用下的伸长量来表示，而这其实就是拉伸曲线上直线段的斜率，如图9所示。

材料受简单的拉伸力时的稳定性指标为杨氏模量，但汽车结构中大部分是梁式结构，常见载荷为弯曲力，如图10所示为梁的受力及变形。此时的稳定性（梁的变形）不但和材料杨氏模量有关，而且还和材料截面的形状尺寸有关，这个学术指标叫惯性矩。杨氏模量E与惯性矩I的积EI决定了结构的抗变形能力，也称为梁的抗弯刚度。

通过上面介绍，可知钢铁材料的杨氏模量约为铝合金的3倍，换句话说同样截面梁的抗弯刚度，钢是铝的3倍。如果我们将质量因素考虑进来，即刚度除以密度，EI/ρ，两种材料这个比值相差不大，说明要获得同样的刚度需要铝合金的质量和钢铁质量基本一致，当然这只是在采用同样的截面设计时的计算。

表 3 单位质量的刚度对比

抗弯刚度EI，不但和杨氏模量相关，而且与惯性矩相关，杨氏模量是一个材料常数，而惯性矩与截面形状及尺寸相关，我们这里举个简单的例子，让非专业读者对惯性矩有个更直观的认识，矩形截面，宽长度为b，高长度为h，矩形截面惯性矩公式：b*h^3/12。可以看出此中截面的高度是三次方，说明对刚度影响很大，如图11中如采用同种材料，右面截面的刚度要好于左面截面的刚度。所以在设计中尽量选用较大的高度，如在冲压中突起，特别是在铝合金铸造可以加一些筋板，这对于抗弯刚度有很大的提升。所以在稳定性一局，铝合金铸造更容易成型筋板，如图12所示。同时一体化铸造极大的减少了焊点，对在轻量化同时提升稳定性是更胜一筹的。

Round 3

我们再来看一下成本分析，即每单位强度需要付出的成本，通过计算单位强度材料成本为281&125，说明单纯看材料成本，高强钢是有很大优势的。

表 4 单位强度成本

另外还有加工成本，汽车车身结构件生产工艺主要是成型与连接，在成型性能上铝合金可以说具有优势，因其熔点相对较低，塑性也较好，有多种成型工艺，冲压、挤压及压铸等。而钢铁熔点高，挤压成型较铝合金高很多，压铸就难上加难了。

表 5 铝及钢的加工艺及成本

下面讨论一下连接，相对于钢铁来说，铝合金的焊接更不易，首先来说电阻点焊，是靠电阻发热熔化金属形成焊点，铝合金导电性非常好，以前家里的电线还有用铝线的，这说明通电时其发热量很低，更可恶的是它导热还很好，本来产热就低还都散失了。另外铝合金表面还有氧化膜、热膨胀性及与铜电极易反应等等诸多不利因素使铝合金电阻点焊是相当的难，但也不是不可能，通过大电流短时间，加上特殊化电极也能焊，总之不如钢铁那么容易，那样稳定。为实现电阻点焊稳定性，Fronius的DeltaSpot工艺，以其独有的电极带，每个点焊接后，电极带移动到下一个位置。这意味着电极表面总是清洁的，以实现较高的焊接质量。可以看出铝合金点焊并不是容易的事。

表 6 与焊接相关的材料性能

同时，铝合金的电弧焊的焊接性也不是很好，表面有氧化氧化膜，氧化膜易藏水等污染物是氢气孔的来源，热膨胀的利害，造成焊接残余拉应力引起开裂等。可以说铝合金焊接两大问题，一个是焊接气孔，一个是焊接热裂纹。

综上所述，解决好铝合金的连接，铝合金与其他材料连接成为发展铝合金车身的关键因素，这同样是制约铝合金大量使用的因素之一，此前只有少数几款高档车型为实现轻量化在大量采用铝合金，如奥迪A8车身的连接方式达到了14种，其中包括MIG焊、远程激光焊等8种热连接技术和冲铆连接、卷边连接等6种冷连接技术。

但这一困境可能在将来将不再是个棘手的难题，因为Tesla model Y出现了，带着它的一体化压铸后车架，对就是这种大胆的创新，一体化压铸技术将大量令人头痛的铝合金连接问题轻松地绕开了。Model 3后车架由70个零件冲压、焊接而成，Tesla model Y一体化压铸把它变成了一个零件，制造时间从1-2小时缩短至45秒-2分钟，制造过程减少了300台机器人，同时缩短生产线，节省30%占地面积。人工方面，主流汽车工厂焊装车间要配 200～300 名工人，一体式压铸车间只需要 20-30 名工人。特斯拉官方称一体化压铸技术将给 Model Y节省约 20%制造成本。

汽车制造是大批量生产，一体化、模块化、通用化可极大地降低生产成本，促进汽车产业的发展，铝合金一体化压铸技术可能为汽车铝合金应用开启新的一页，可能在不久的将来钢铁作为车身主导材料的江湖地位将被铝合金撼动。当然一体化压铸中涉及材料、成型、性能等一系列问题，我们会在下面篇章中单独讨论Tesla的铝合金压铸。

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