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攻克汽车轻量化难题势在必行

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放大字体  缩小字体    发布日期:2017-11-16  来源:郑谊—李翔转 镁途  
未来汽车的诸多发展方向中,现在对汽车轻量化的关注远不如新能源和自动驾驶,。甚至依然有人觉得,汽车轻了之后,安全度会降低。其实汽车轻量化之后,不仅可以直接降低油耗,还可以间接改善动力性能,提升驾驶性能,减少制动距离。而油耗的降低减少了污染物的排放,对环保的意义更重大。因此未来汽车的竞争,也一定是一场轻量化的战争。
未来汽车的诸多发展方向中,现在对汽车轻量化的关注远不如新能源和自动驾驶,。甚至依然有人觉得,汽车轻了之后,安全度会降低。其实汽车轻量化之后,不仅可以直接降低油耗,还可以间接改善动力性能,提升驾驶性能,减少制动距离。而油耗的降低减少了污染物的排放,对环保的意义更重大。因此未来汽车的竞争,也一定是一场轻量化的战争。



现在中国品牌的很多车型都在往高端方向发展,汽车的用料很足。因此整车的质量比较大。很多用户的评价都是开起来高级感很好,就是油耗太高。因此,轻量化已经成为摆在汽车品牌面前一个难以攻克的难题。

最早我们知道的轻量化,或许是使用了铝合金制造车身。其实汽车的轻量化是一个系统工程。无比的复杂,本篇文章就给大家简单的介绍一下。




随着世界各国签订《联合国气候变化框架公约》等协定,环保已经成为世界议题。作为污染大户的汽车,一直处在舆论的风口浪尖。现代汽车就制定了到2020年,生产的汽车质量平均比现在降低10%,由此带来油耗改善6%,污染物排放降低2.5~8.8%,加速性能提升8%,转向性能提升6%,制动性能提升5%的总目标。



轻量化带来的好处十分明显,但是实现这些目标的前提是汽车的安全标准不能降低。如何在保证安全性的基础上进行轻量化就十分困难了。目前汽车制造商的主要做法是使用重量轻,强度高的材料,在车身,底盘,动力系统等重量方面下功夫对汽车进行减肥。



在材料的使用方面,最受关注的是铝合金与镁合金,这两种材料主要代替钢铁,减轻重量,提高强度。铝的重量只有铁的1/3,并且回收利用率高,汽车中的铝有85%是可以回收的。是铁的2倍。但是铝也有很多缺点,比如铝不能够焊接,不容易钣金,喷漆也麻烦,在安全性不如钢。因此目前一些厂商只是部分使用铝合金,车身大部分结构还是钢铁的。



1990年,本田推出的NSX跑车是世界上最早量产的使用全铝车身的车型,15年期间总共生产了1万8000辆。而更大规模量产并广为人知使用全铝车身的汽车就是奥迪A8了,1993年奥迪发布了ASF(Audi Space frame)技术,紧接着奥迪A8诞生。



最初奥迪A8使用全铝车身,是因为自己的旗舰车型搭载quattro四驱系统,重量比竞争对手重100公斤。为了降低重量,才开发了全铝车身技术。因此我们发现当时奥迪A8即使使用了全铝车身,整车质量依然与竞争对手差不多。2006年推出的超跑R8,奥迪为了减轻重量,提高性能,将铝合金的使用比例进一步加大。今年推出的全新奥迪A8,在整车质量上也比上一代轻28%。



在使用全铝车身的厂商中,捷豹的贡献也很大。捷豹在2003年第三代XJ车型上首次使用了铝合金车身,在2006年发布的XK车型上,车身铝合金的比例达到100%。随着铝面板图层技术和铆钉的使用,车体70%都是铝合金的。2013年发布的F-type,2015年第二代XE,2016年F-pace也都使用了全铝车身。可以说,捷豹是目前汽车厂商中,推出全铝车型最多的之一,最近几年特斯拉大有赶超的势头。



提升驾驶乐趣最大的一个方法是车身前后配重比例50:50。宝马一直在强调自己旗下车型的前后配重比例。2003年,宝马汽车推出的第四代5系(E60)混动版,在车身前半部分使用了铝合金材料,让车身比例达到50:50。这也是全球第一款使用铝合金材料,达到50:50比例的混合动力汽车。



还有比铝合金更轻的金属,那就是镁合金。镁的重量只有铁的22%,铝的66%。也是比较容易加工的金属,并且镁能很好吸收震动,回收使用率能达到100%。但是缺点是价格高,不耐高温,容易腐蚀,因此不能使用在高性能的赛车当中,可以使用在方向盘等不重要的零部件中。



但是现在很多零部件供应商已经开发了使用镁合金的座椅框架,并且2006年,雪佛兰在自家超跑科尔维特的发动机中,也使用了镁合金。最近几年,将这些相对稀有的金属混入钢板,制成的高张力钢板和超高强度钢板被广泛使用,与普通钢板先比,张力提高了2倍,重量也有所降低,在扭转刚度和弯曲强度上,比普通钢板分别提高80%和50%以上。



与这些特殊的材料相比,通过技术工艺的提升,其实也可以提高强度。比如铁板在900摄氏度加热成型之后迅速冷却可以加工成超高强度钢板,达到1.5Gpa级别。此外,钢板内的填充物以及结构构造上的升级,也可以在保证强度的情况下减少钢材料的使用,达到轻量化目的。



现代汽车目前新款旗舰车型捷恩斯EQ900,相比老款旗舰雅科仕,使用了3倍以上的超高强度钢板,占整车车体的51%。现代汽车研发的混动车型ioniq整车使用了53%超高强度钢。不仅碰撞性能提升,而且可以抵消电池的重量。



最近几年,钛合金也备受关注。钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好、工艺性能好等优点。目前主要应用在航空航天,医疗领域,用在汽车上的情况还不多见。钛合金制造的发动机气门弹簧比铁轻58%以上。



还有一种可以降低重量的材料是碳纤维(CFRP)它的特点是柔软,抗冲击能力很强,重量只有铁的50%,铝的70%。强度却是铁的10倍,铝的5倍。目前,碳纤维采用一些含碳的有机纤维(如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等)做原料,将有机纤维跟塑料树脂结合在一起,放在稀有气体的气氛中,在一定压强下强热炭化而成。由于制造成本高,产量有限,因此价格也很贵,现在只有少数跑车和赛车上使用。



宝马汽车是在碳纤维领域走在前列的厂商,投入了1亿美元用于建设碳纤维工厂,这是首个汽车制造商建设碳纤维工厂。并收购了全球知名的碳纤维生产商德国西格里(SGL)16%的股份。目前,碳纤维的生产成本是钢铁的20倍,这就不难理解,为什么宝马i8这么贵了。



宝马目前在i8和i3电动车上使用了碳纤维作为车身材料,最终效果是i8的车身重量不到1.5吨,i3的车身重量1.3吨左右。在同级别车型中都是很轻的。宝马计划今后通过自己建设碳纤维工厂,大规模生产降低成本。并且把碳纤维材料逐步普及到宝马7系等非新能源车型上。



车内的装饰材料也发生着变化,豪华车上的实木,金属,普通车辆上的塑料等等,正在被高分子复合材料替代,比如FRP纤维增强复合材料,纤维材料与基体材料(树脂)按一定的比例混合后形成的高性能型材料。质轻而硬,不导电,机械强度高,耐腐蚀。是车内装饰材料的理想选择。



通常情况下,底盘的重量越大,稳定性越好。车门内的填充物,包括前后发动机盖内的隔音材料,包裹材料都是越轻越好。只有这样才能降低整车的重心,提高行驶稳定性。



此外,各种工程塑料也被光彩使用在车门内,具有抗冲击,耐腐蚀的特点,质量也很轻。还有聚氨酯泡沫作为填充材料,使用在车门内饰板和汽车保险杠中,聚氨酯泡沫密度低,质量轻,吸能效果好。



玻璃也是轻量化的对象,现在聚碳酸酯材料做成的玻璃,大有代替传统玻璃的趋势。聚碳酸酯玻璃导热率只有普通玻璃的20%,隔热效果好,而且不容易碎。但是目前折射率和耐磨性不高,因此目前不能使用在前风挡玻璃上。



模块儿化的制造也是可以降低重量的,模块儿化之后,车内很多零部件的集成度更高,不仅组装起来更容易,而且比原先单独组装每一个零部件,可以减轻20%的重量。

总结:
如今电动汽车快速发展,汽车的重量已经成为制约电动汽车发展的瓶颈。纯电动汽车特斯拉model S,在使用了铝合金车身的前提下,质量依然在2吨左右。如果能再减重的话,那么加速和制动性能还会再提升,因此减重将会是未来一段时间汽车制造中一个永恒的课题。 
 
 
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