技術(shù)貼 | 輕盈伴“鋁”：鋁合金底盤零部件主打汽車輕量化下半場

降低油耗的途徑中，可行性最大、對汽車整體設(shè)計影響最小的即為輕量化。其他途徑 包括提升發(fā)動機熱效率，降低傳動過程中損耗和改善車輪摩擦特性等，均涉及大量重 新設(shè)計、標(biāo)定的工作，開發(fā)周期相對較長，可行性較低。

因此，乘用車重量每降低 100kg，平均油耗可以降低 0.5L/100km。

隨著“雙積分”正式實施，整車廠降低油耗的相關(guān)行動將會加 速進行。因此，一批之前由于成本等原因未能實施的輕量化措施將逐漸被整車廠采用。

1.2 輕量化是緩解新能源汽車?yán)m(xù)航里程痛點的重要途徑

輕量化是新能源汽車快速發(fā)展的基石。電池續(xù)航是新能源汽車發(fā)展的瓶頸之一。我國市場上的新能源汽車平均續(xù)航里 程不足 200km，而過大的車重阻礙了續(xù)航里程進一步提高。同時，國家針對新能源 汽車的補貼與續(xù)航里程直接相關(guān)。

有研究表明，純電動汽車重量每降低 10kg，續(xù)航里程可以增加 2.5km。按應(yīng)用輕量 化零部件，可以平均減重 100kg 計算，續(xù)航里程可以提升25km。對于新能源車企來 說，采取輕量化在有效地緩解消費者里程焦慮的同時，有望獲取更好的政府補貼。同 時，電池在純電動汽車整備質(zhì)量和體積中占比較大，輕量化有助于把更多的重量和空 間分配給電池，從而進一步提升續(xù)航里程。

1.3 輕量化可以滿足市場對汽車操控、NVH 的更高要求

在消費升級的浪潮下，購車者不再僅滿足于“有車開”，而是對車輛提出了更高的要 求。而對性能的要求主要體現(xiàn)在操控（加速、制動）以及 NVH 等方面。

輕量化對汽車操控性能的提升十分顯著。

? 加速方面：汽車重量每減輕 10%，百公里加速時間可以降低 5%；

? 制動方面：對于一輛整備重量 1600kg，百公里加速時間 8s 的家用車，若汽車重量 減輕 50kg，保持其他系統(tǒng)不變，百公里制動距離可以降低 1.25 米。一般家用車輛 的制動距離為 36~42 米，1.25 米的差距可以顯著降低發(fā)生事故的概率。

輕量化材料可以縮短開發(fā)周期，節(jié)約成本。對于 NVH，在整車的開發(fā)過程中，需要 針對噪音和抖動問題反復(fù)驗證和優(yōu)化減震襯套、隔音部件以及制動消音片等零部件的 設(shè)計。而較重的鋼鐵材質(zhì)零部件加大了匹配的難度。較輕的鋁合金零部件可以降低車 輛對減震消音部件的要求，同時避免大量使用相同的鋼鐵材質(zhì)零件導(dǎo)致的固有頻率沖 突（噪音源之一），從而有效地縮短開發(fā)過程中針對 NVH問題的調(diào)試時間，提升車輛 NVH競爭力，同時降低車企的研發(fā)費用。

2. 為什么著重關(guān)注底盤鋁合金輕量化零部件？

2.1 核心邏輯一：“簧下 1 斤，簧上 10 斤”——底盤輕量化性價比突出

對底盤實施輕量化，在油耗、操控等方面的收益遠超同等程度其他零部件的輕量化。 底盤上多數(shù)零部件的質(zhì)量屬于簧下質(zhì)量。相對而言，車身（結(jié)構(gòu)件、加強件和覆蓋件） 的質(zhì)量屬于簧上質(zhì)量。一般認為，同等幅度簧下質(zhì)量輕量化的效用是簧上質(zhì)量輕量化 的 5~15 倍。同時，進行簧下質(zhì)量輕量化提升了簧上質(zhì)量與簧下質(zhì)量的比值，相當(dāng)于 運動員卸下了綁在腿上的沙袋，可以顯著提高汽車加速、制動和轉(zhuǎn)向時的響應(yīng)速度和 舒適性。

汽車底盤包括轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和行駛系統(tǒng)。行駛系統(tǒng)（輪轂）的輕量 化已經(jīng)非常成熟，多數(shù)鋼制輪轂已經(jīng)被鋁合金輪轂所代替。然而，其余系統(tǒng)中多數(shù)的 零部件仍然是“鐵疙瘩”，輕量化機會眾多。

為了進一步評估主要輕量化替代機會的性價比，我們把整車廠通常要考量的因素，包 括：潛在效用、成本、技術(shù)難度以及潛在市場進行量化。

評估結(jié)果表明，汽車懸架、轉(zhuǎn)向和制動等底盤系統(tǒng)（下圖彩色線）的總評分明顯高于 其他系統(tǒng)，即性價比較高。下述雷達圖中，包絡(luò)線越靠外代表相關(guān)指標(biāo)的分數(shù)接近 100，即評分較高。相對而言，動力總成和行駛系統(tǒng)的鋁合金滲透率已經(jīng)較高，車身 結(jié)構(gòu)件和覆蓋件的實施難度較大，因此性價比較低。

綜上所述，底盤系統(tǒng)（主要包括轉(zhuǎn)向、懸架和制動系統(tǒng)）的鋁合金輕量化是實施起來 性價比最高的領(lǐng)域，將成為輕量化下半場的主力

2.2 核心邏輯二：降本誠可貴，減重價更高

收益如此高的底盤輕量化，為什么沒有被整車廠全盤采用？一個重要原因是替代成本， 即用鋁合金零部件替換原鋼鐵零部件所產(chǎn)生的額外成本。在底盤和車身以外，絕對和 相對替代成本都比較低的動力總成、熱管理系統(tǒng)和行駛系統(tǒng)領(lǐng)域，鋁合金輕量化替代 順理成章地得到了率先實施，滲透率早已超過 80%。隨著輕量化需求的深化，絕對 替代成本并不高的底盤轉(zhuǎn)向、制動和懸架系統(tǒng)的輕量化將加速實施。

以底盤轉(zhuǎn)向節(jié)的鋁合金替代為例，對比車身結(jié)構(gòu)件的鋁合金替代：

單車鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)替換所帶來的額外成本為 80 元。然而，這個輕量化變更在車輛的 整個生命周期中可以降低燃油費用 2663 元（折現(xiàn)值，下同），投入產(chǎn)出比高達33.3。考慮到輕量化還有助于滿足如“雙積分”等規(guī)范，現(xiàn)時車企實施此類輕量化的動力遠 大于阻力?？刂票郏òú姹邸⑦B桿等結(jié)構(gòu)、功能近似的零部件，下同）、制動鉗殼 體的情形也類似。

相反，車身結(jié)構(gòu)件輕量化的成本，無論從絕對還是相對來看都很高。單車投入七千余 元所能帶來的等效減重效果僅與投入 80 元的轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化相近，且高于車輛生命周 期中能節(jié)省的燃油費用。轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化的投入產(chǎn)出比是車身的 60 余倍。

2.3 核心邏輯三：上下游產(chǎn)業(yè)助力

2.3.1 底盤鋁合金輕量化產(chǎn)業(yè)的波特五力分析

一、供應(yīng)商的議價能力：

上游鋁原料供應(yīng)商產(chǎn)能充裕。鋁合金汽車零部件的主要上游原材料是電解鋁。近年國 內(nèi)電解鋁產(chǎn)能過剩，平均利用率為 84%。2017 年我國電解鋁過剩產(chǎn)能為 673 萬噸， 超過了汽車零部件全行業(yè)對鋁原料的需求。

上游鋁原料產(chǎn)品差異性小，鋁合金零部件供應(yīng)商的轉(zhuǎn)換成本不高。以鑄鋁產(chǎn)品為例， 零部件供應(yīng)商采購的原材料主要是標(biāo)準(zhǔn)的 A356 鋁錠。該種原材料的理化特性均由國 標(biāo)定義，不同供應(yīng)商的產(chǎn)品之間差異不大。切換供應(yīng)商所帶來的額外工作僅僅在于驗 證成品的材質(zhì)和力學(xué)性能。

上游鋁原料價格平穩(wěn)。近年國內(nèi)用于加工鋁合金汽車零部件的原料價格相對平穩(wěn)。以 A356 鋁合金錠價格指數(shù)計算，2013 年以來的年化波動率僅為 13%，明顯低于同期 鋼鐵汽車零部件原材料價格指數(shù)（以生鐵指數(shù)計算）年化波動率的 21%。

二、客戶的議價能力

下游需求強勁。如本文第一章所述，隨著輕量化的深入和新能源汽車占比的不斷提升， 整車廠客戶對鋁合金輕量化零部件的需求將以顯著高于整車市場增速的速度提升。

客戶的轉(zhuǎn)換成本很高。底盤零部件對整車的安全、性能和 NVH 有重大影響。對底盤 重點零部件供應(yīng)商的切換，即使不涉及設(shè)計變更，也需要先確認產(chǎn)品材質(zhì)、力學(xué)性能， 再到系統(tǒng)供應(yīng)商進行多種系統(tǒng)臺架的試驗驗證，最終由整車廠進行多輪路試才能實施。單種底盤重點零部件的切換費用以百萬計，周期往往在一年以上。因此整車廠對底盤 零部件供應(yīng)商有黏性，不會輕易更換。

三、替代品：不構(gòu)成顯著威脅

與鋁合金相比，其他幾種輕量化材料的局限相對較多，且在底盤輕量化上大規(guī)模應(yīng)用 可行性很低：

? 鎂合金：鎂與鋁合金實際上主要是互相促進的關(guān)系，而非替代。鎂通常作為合金元 素出現(xiàn)在鋁合金中，應(yīng)用在汽車輪轂、電機殼體等領(lǐng)域。而以鎂為主要成分，完全 替代鋁的合金目前僅能應(yīng)用在支架類等少數(shù)領(lǐng)域，如方向盤、車鏡支架等。

? 高強度鋼：受設(shè)備和工藝制約。高強度鋼也是相對應(yīng)用較為廣泛的輕量化零部件。然而其比強度低，成型工藝復(fù)雜，設(shè)備投入要求高。高強度鋼的密度與普通鋼鐵接 近，因此主要通過零部件形狀的優(yōu)化來實現(xiàn)輕量化。高強度鋼零部件需要通過特殊 的熱處理和成型工藝來制造，對加工設(shè)備一次性投入的要求非常高。同時，高強度 鋼的特殊成型工藝決定了該種材料僅能制成沖壓件，無法制成復(fù)雜的形狀。以上特 性導(dǎo)致高強度鋼輕量化效用有限，且對成本較為敏感。

? 碳纖維：應(yīng)用領(lǐng)域與鋁合金重疊度低。近年碳纖維的應(yīng)用技術(shù)有了很大發(fā)展，但是單位重量的成本仍然比其他輕質(zhì)材料高一個數(shù)量級左右，暫時無法大規(guī)模應(yīng)用在絕 大多數(shù)量產(chǎn)車型上。

四、新進入者：壁壘較高

鋁合金輕量化零部件廠商中，主要的新進入者包括原主營業(yè)務(wù)為鋼鐵材質(zhì)底盤零部件 的廠商，以及原主營業(yè)務(wù)為非底盤甚至非汽車鋁合金產(chǎn)品生產(chǎn)的廠商。

五、同行業(yè)競爭：主要取決于配套和規(guī)模。

行業(yè)集中度上升。隨著下游集中度的提升，我們預(yù)計鋁合金輕量化底盤零部件廠商的 集中度也將提升。市場將向能夠與主流車企形成良好關(guān)系，并且產(chǎn)品線之間能夠形成 良好合力的廠商傾斜。

2.3.2 從旁枝末節(jié)到中流砥柱——先進設(shè)計、制造技術(shù)助力輕量化大顯身手

伴隨著設(shè)計與制造加工技術(shù)的發(fā)展，汽車輕量化應(yīng)用的范圍已經(jīng)遠遠比最初寬廣。從 應(yīng)用的部位上看，從容納性、裝飾性的電機殼體、內(nèi)外飾，到需要“吃力”（耐受強 大載荷）的車身、底盤和傳動系統(tǒng)均有涉及。從應(yīng)用的形式上看，主要包括輕質(zhì)材料 替代和結(jié)構(gòu)輕量化改善。

各種輕量化途徑中，效用最顯著的是材料替代，主要是用比強度（強度/密度）高的 輕質(zhì)材料替代鋼材和鑄鐵。輕質(zhì)材料主要包括鋁合金、鎂合金、高強度鋼、塑料和碳 纖維等，其中鋁合金的應(yīng)用最為廣泛。

在輕量化應(yīng)用的最初階段，鋁合金僅被用在動力總成周邊件、變速箱殼體、油底殼等 對疲勞強度和剛度要求不高的部位。隨著鋁合金專用的鑄造、模鍛、機加工等成型工 藝的進步，以及 CAE 等結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化手段的廣泛應(yīng)用，鋁合金現(xiàn)已可以被應(yīng)用在汽 車底盤的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)，以及車身結(jié)構(gòu)件、覆蓋件等諸多領(lǐng)域。

設(shè)計人員通常根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計出一種較為輕量化的零部件造型，根據(jù) FEA（利用有限 元分析進行應(yīng)力仿真，CAE 的一種）來確定是否要增加材料。如在下圖的鋁轉(zhuǎn)向節(jié) FEA 中，黃色表示在實際使用中產(chǎn)生應(yīng)力集中可能性最大的區(qū)域。根據(jù)此結(jié)果，設(shè) 計人員可以把黃色區(qū)域應(yīng)力與材料能承受的最大載荷進行對比。如果不滿足要求，則 在此處增加材料。

3. 底盤鋁合金輕量化市場：千億藍海待揚帆

3.1 底盤鋁合金應(yīng)用草根調(diào)研：豪華車推廣火熱，普通品牌初現(xiàn)端倪

根據(jù)我們對 2017 年款國產(chǎn)乘用車的調(diào)研，鋁合金在轉(zhuǎn)向節(jié)（后輪稱為羊角，本文統(tǒng) 一稱為轉(zhuǎn)向節(jié)，下同）、控制臂、副車架和制動鉗殼體上的平均滲透率分別為：27%、 7%、2%和 2%。按細分市場，具體呈現(xiàn)豪華品牌高，普通品牌低（但在快速上升） 的特點。

當(dāng)前鋁合金在普通乘用車品牌中的滲透率還在絕對低位。2017 年款普通品牌車型中， 鋁合金零部件在轉(zhuǎn)向節(jié)、羊角中的滲透率為 21%，控制臂為 3%，副車架和制動鉗殼 體上還沒有應(yīng)用。

然而值得注意的是，應(yīng)用了鋁合金底盤零部件的普通品牌車型基本都是各品牌的銷量 主力或旗艦車型，如 H6 之于長城哈弗，英朗、昂科威之于別克，銳界之于福特，思 域之于本田等?？紤]到示范效應(yīng)，鋁合金的推廣速度加快可期。

相對而言，鋁合金零部件在豪華車型中的滲透率較高。2017 年款豪華品牌車型中， 鋁合金零部件在轉(zhuǎn)向節(jié)中的滲透率為 93%，控制臂為 48%，副車架為 32%，制動鉗 殼體為 27%。

隨著消費升級的進行，國產(chǎn)豪華車型在中國乘用車市場的份額越來越高，其對相關(guān)整 車廠雙積分計算的貢獻也將越來越大。

豪華車型的油耗普遍偏高，因此未來相關(guān)整車廠有更大的動力去實施輕量化以滿足雙 積分要求，鋁合金零部件的份額有望繼續(xù)擴大。

3.2 前程遠大：底盤鋁合金零部件市場 CAGR 可達 27%

未來國內(nèi)單車用鋁量將趨近美國水平。當(dāng)前國產(chǎn)車單車鋁合金用量僅為 111kg，與美 國的 186kg 相比，有 67%的提升空間。與此同時，美國市場的單車鋁合金用量還在 不斷的提高過程中，主要驅(qū)動力與中國市場的類似。對比主要輕量化驅(qū)動力，中國的 油價始終高于美國，且中國新能源(4.200,0.00, 0.00%)汽車銷量增速遠高于美國。因此我們判斷鋁合金輕 量化應(yīng)用在中國的增速會高于美國。

在鋁合金滲透率尚低的底盤領(lǐng)域，相關(guān)鑄鋁、鍛鋁零部件供應(yīng)商有望充分獲取鋁合金 增量市場帶來的紅利；在鋁合金滲透率已經(jīng)較高的動力總成（如發(fā)動機缸體、缸蓋、 油底殼）和電機（如各種電機殼體）、電子領(lǐng)域，相關(guān)零部件供應(yīng)商仍可以從乘用車 市場的增長，尤其是新能源汽車市場的快速增長中獲取可觀的紅利。

2011 年以來，全部鋁合金汽車零部件市場的 CAGR 約為 10%。隨著輕量化的廣泛實 施后，單車鋁合金用量在 2020 年前將快速提升，到 2025 年與國際主流車企當(dāng)前的 水平相仿，即在 3~8 年內(nèi)增加 33~67kg。按國內(nèi)乘用車銷量 CAGR=5%，當(dāng)前鋁合 金零部件單價范圍為 20~50 元/kg，產(chǎn)品單價年降2%（考慮到市場實際情況，下同） 計算，到 2025 年，鋁合金汽車零部件的總市場容量將達 629 萬噸，年總產(chǎn)值將高達 1439 億元。

其中，我們認為增長潛力最大的是鋁合金輕量化底盤零部件。預(yù)計其總用量的 CAGR 預(yù)計為 27%，總市場容量到 2025年將達到 410 億元，相對 2017 年增量為350億元。底盤領(lǐng)域鋁合金平均滲透率（不含輪轂，下同）將從當(dāng)前的 8%，提升到 2020 年的 27%和 2025 年的 45%。

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AMEE2020將打造新能源汽車底盤系統(tǒng)智能化、電動化、電子化、輕量化，自動駕駛工程與底盤趨勢技術(shù)展區(qū)、以及乘用車、商用車、特種車底盤設(shè)計開發(fā)工程、先進制造工程、底盤趨勢工程、精益產(chǎn)品工程等產(chǎn)業(yè)鏈前沿技術(shù)與解決方案展示平臺！

【參展聯(lián)系：馬小姐 15121196695/17269427257 同V】

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