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(chǎng)

降低油耗的途徑中，可行性最大、對(duì)汽車整體設(shè)計(jì)影響最小的即為輕量化。其他途徑 包括提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，降低傳動(dòng)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(jì)、標(biāo)定的工作，開發(fā)周期相對(duì)較長(zhǎng)，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(shí)施，整車廠降低油耗的相關(guān)行動(dòng)將會(huì)加 速進(jìn)行。因此，一批之前由于成本等原因未能實(shí)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(diǎn)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(guó)市場(chǎng)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(jìn)一步提高。同時(shí)，國(guó)家針對(duì)新能源 汽車的補(bǔ)貼與續(xù)航里程直接相關(guān)。

有研究表明，純電動(dòng)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(jì)算，續(xù)航里程可以提升25km。對(duì)于新能源車企來(lái) 說(shuō)，采取輕量化在有效地緩解消費(fèi)者里程焦慮的同時(shí)，有望獲取更好的政府補(bǔ)貼。同 時(shí)，電池在純電動(dòng)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(jìn)一步提升續(xù)航里程。

1.3 輕量化可以滿足市場(chǎng)對(duì)汽車操控、NVH 的更高要求

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

輕量化對(duì)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(shí)間可以降低 5%；

? 制動(dòng)方面：對(duì)于一輛整備重量 1600kg，百公里加速時(shí)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(dòng)距離可以降低 1.25 米。一般家用車輛 的制動(dòng)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(duì)于 NVH，在整車的開發(fā)過程中，需要 針對(duì)噪音和抖動(dòng)問題反復(fù)驗(yàn)證和優(yōu)化減震襯套、隔音部件以及制動(dòng)消音片等零部件的 設(shè)計(jì)。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(duì)減震消音部件的要求，同時(shí)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(duì) NVH問題的調(diào)試時(shí)間，提升車輛 NVH競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)降低車企的研發(fā)費(fèi)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(jià)比突出

對(duì)底盤實(shí)施輕量化，在油耗、操控等方面的收益遠(yuǎn)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(duì)而言，車身（結(jié)構(gòu)件、加強(qiáng)件和覆蓋件） 的質(zhì)量屬于簧上質(zhì)量。一般認(rèn)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(shí)，進(jìn)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(yùn)動(dòng)員卸下了綁在腿上的沙袋，可以顯著提高汽車加速、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向時(shí)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(dòng)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(jī)會(huì)眾多。

為了進(jìn)一步評(píng)估主要輕量化替代機(jī)會(huì)的性價(jià)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(chǎng)進(jìn)行量化。

評(píng)估結(jié)果表明，汽車懸架、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)等底盤系統(tǒng)（下圖彩色線）的總評(píng)分明顯高于 其他系統(tǒng)，即性價(jià)比較高。下述雷達(dá)圖中，包絡(luò)線越靠外代表相關(guān)指標(biāo)的分?jǐn)?shù)接近 100，即評(píng)分較高。相對(duì)而言，動(dòng)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(shí)施難度較大，因此性價(jià)比較低。

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

2.2 核心邏輯二：降本誠(chéng)可貴，減重價(jià)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(gè)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(duì)和 相對(duì)替代成本都比較低的動(dòng)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(shí)施，滲透率早已超過 80%。隨著輕量化需求的深化，絕對(duì) 替代成本并不高的底盤轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和懸架系統(tǒng)的輕量化將加速實(shí)施。

以底盤轉(zhuǎn)向節(jié)的鋁合金替代為例，對(duì)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(lái)的額外成本為 80 元。然而，這個(gè)輕量化變更在車輛的 整個(gè)生命周期中可以降低燃油費(fèi)用 2663 元（折現(xiàn)值，下同），投入產(chǎn)出比高達(dá)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(shí)車企實(shí)施此類輕量化的動(dòng)力遠(yuǎn) 大于阻力。控制臂（包括叉臂、連桿等結(jié)構(gòu)、功能近似的零部件，下同）、制動(dòng)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(wú)論從絕對(duì)還是相對(duì)來(lái)看都很高。單車投入七千余 元所能帶來(lái)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(fèi)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(jià)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(guó) 內(nèi)電解鋁產(chǎn)能過剩，平均利用率為 84%。2017 年我國(guó)電解鋁過剩產(chǎn)能為 673 萬(wàn)噸， 超過了汽車零部件全行業(yè)對(duì)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(gòu)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(guó) 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(lái)的額外工作僅僅在于驗(yàn) 證成品的材質(zhì)和力學(xué)性能。

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

二、客戶的議價(jià)能力

下游需求強(qiáng)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(duì)鋁合金輕量化零部件的需求將以顯著高于整車市場(chǎng)增速的速度提升。

客戶的轉(zhuǎn)換成本很高。底盤零部件對(duì)整車的安全、性能和 NVH 有重大影響。對(duì)底盤 重點(diǎn)零部件供應(yīng)商的切換，即使不涉及設(shè)計(jì)變更，也需要先確認(rèn)產(chǎn)品材質(zhì)、力學(xué)性能， 再到系統(tǒng)供應(yīng)商進(jìn)行多種系統(tǒng)臺(tái)架的試驗(yàn)驗(yàn)證，最終由整車廠進(jìn)行多輪路試才能實(shí)施。單種底盤重點(diǎn)零部件的切換費(fèi)用以百萬(wàn)計(jì)，周期往往在一年以上。因此整車廠對(duì)底盤 零部件供應(yīng)商有黏性，不會(huì)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(duì)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(shí)際上主要是互相促進(jìn)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(jī)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(qiáng)度鋼：受設(shè)備和工藝制約。高強(qiáng)度鋼也是相對(duì)應(yīng)用較為廣泛的輕量化零部件。然而其比強(qiáng)度低，成型工藝復(fù)雜，設(shè)備投入要求高。高強(qiáng)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(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化。高強(qiáng)度鋼零部件需要通過特殊 的熱處理和成型工藝來(lái)制造，對(duì)加工設(shè)備一次性投入的要求非常高。同時(shí)，高強(qiáng)度 鋼的特殊成型工藝決定了該種材料僅能制成沖壓件，無(wú)法制成復(fù)雜的形狀。以上特 性導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼輕量化效用有限，且對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)左右，暫時(shí)無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用在絕 大多數(shù)量產(chǎn)車型上。

四、新進(jìn)入者：壁壘較高

鋁合金輕量化零部件廠商中，主要的新進(jìn)入者包括原主營(yíng)業(yè)務(wù)為鋼鐵材質(zhì)底盤零部件 的廠商，以及原主營(yíng)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(jìng)爭(zhēng)：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(jì)鋁合金輕量化底盤零部件廠商的 集中度也將提升。市場(chǎng)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(jìn)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)助力輕量化大顯身手

伴隨著設(shè)計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)比最初寬廣。從 應(yīng)用的部位上看，從容納性、裝飾性的電機(jī)殼體、內(nèi)外飾，到需要“吃力”（耐受強(qiáng) 大載荷）的車身、底盤和傳動(dòng)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(qiáng)度（強(qiáng)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(qiáng)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(dòng)力總成周邊件、變速箱殼體、油底殼等 對(duì)疲勞強(qiáng)度和剛度要求不高的部位。隨著鋁合金專用的鑄造、模鍛、機(jī)加工等成型工 藝的進(jìn)步，以及 CAE 等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)人員通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jìn)行應(yīng)力仿真，CAE 的一種）來(lái)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(shí)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(jì)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(jìn)行對(duì)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(chǎng)：千億藍(lán)海待揚(yáng)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(duì) 2017 年款國(guó)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(dòng)鉗殼體上的平均滲透率分別為：27%、 7%、2%和 2%。按細(xì)分市場(chǎng)，具體呈現(xiàn)豪華品牌高，普通品牌低（但在快速上升） 的特點(diǎn)。

當(dāng)前鋁合金在普通乘用車品牌中的滲透率還在絕對(duì)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(dòng)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(zhǎng)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。考慮到示范效應(yīng)，鋁合金的推廣速度加快可期。

相對(duì)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(dòng)鉗 殼體為 27%。

隨著消費(fèi)升級(jí)的進(jìn)行，國(guó)產(chǎn)豪華車型在中國(guó)乘用車市場(chǎng)的份額越來(lái)越高，其對(duì)相關(guān)整 車廠雙積分計(jì)算的貢獻(xiàn)也將越來(lái)越大。

豪華車型的油耗普遍偏高，因此未來(lái)相關(guān)整車廠有更大的動(dòng)力去實(shí)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(kuò)大。

3.2 前程遠(yuǎn)大：底盤鋁合金零部件市場(chǎng) CAGR 可達(dá) 27%

未來(lái)國(guó)內(nèi)單車用鋁量將趨近美國(guó)水平。當(dāng)前國(guó)產(chǎn)車單車鋁合金用量?jī)H為 111kg，與美 國(guó)的 186kg 相比，有 67%的提升空間。與此同時(shí)，美國(guó)市場(chǎng)的單車鋁合金用量還在 不斷的提高過程中，主要驅(qū)動(dòng)力與中國(guó)市場(chǎng)的類似。對(duì)比主要輕量化驅(qū)動(dòng)力，中國(guó)的 油價(jià)始終高于美國(guó)，且中國(guó)新能源(4.200,0.00, 0.00%)汽車銷量增速遠(yuǎn)高于美國(guó)。因此我們判斷鋁合金輕 量化應(yīng)用在中國(guó)的增速會(huì)高于美國(guó)。

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(chǎng)帶來(lái)的紅利；在鋁合金滲透率已經(jīng)較高的動(dòng)力總成（如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、 油底殼）和電機(jī)（如各種電機(jī)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(chǎng)的增長(zhǎng)，尤其是新能源汽車市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)中獲取可觀的紅利。

2011 年以來(lái)，全部鋁合金汽車零部件市場(chǎng)的 CAGR 約為 10%。隨著輕量化的廣泛實(shí) 施后，單車鋁合金用量在 2020 年前將快速提升，到 2025 年與國(guó)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(guó)內(nèi)乘用車銷量 CAGR=5%，當(dāng)前鋁合 金零部件單價(jià)范圍為 20~50 元/kg，產(chǎn)品單價(jià)年降2%（考慮到市場(chǎng)實(shí)際情況，下同） 計(jì)算，到 2025 年，鋁合金汽車零部件的總市場(chǎng)容量將達(dá) 629 萬(wàn)噸，年總產(chǎn)值將高達(dá) 1439 億元。

其中，我們認(rèn)為增長(zhǎng)潛力最大的是鋁合金輕量化底盤零部件。預(yù)計(jì)其總用量的 CAGR 預(yù)計(jì)為 27%，總市場(chǎng)容量到 2025年將達(dá)到 410 億元，相對(duì) 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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