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2019車身新材料新工藝

汽車輕量化痛點在哪里

2019-6-13 08:51 303 0 來自: 快資訊
簡介
【汽車輕量化在線】在汽車的諸多發展方向中,現在關注度很高的有新能源,還有自動駕駛,還有汽車輕量化。有人覺得,輕了之后,車就變得不安全了。其實汽車輕量化之后,不僅可以直接降低油耗,還可以間接改善動力性能 ...

【汽車輕量化在線】在汽車的諸多發展方向中,現在關注度很高的有新能源,還有自動駕駛,還有汽車輕量化。有人覺得,輕了之后,車就變得不安全了。其實汽車輕量化之后,不僅可以直接降低油耗,還可以間接改善動力性能,提升駕駛性能,減少制動距離。而油耗的降低減少了污染物的排放,對環保的意義更重大。因此未來汽車的競爭,也一定是一場輕量化的戰爭。

現在中國品牌的很多車型都在往高端方向發展,汽車的用料很足。因此整車的質量比較大。很多用戶的評價都是開起來高級感很好,就是油耗太高。因此,輕量化已經成為擺在汽車品牌面前一個難以攻克的難題。

最早我們知道的輕量化,或許是使用了鋁合金制造車身。其實汽車的輕量化是一個系統工程,無比的復雜。本篇文章就給大家簡單的介紹一下。

隨著世界各國簽訂《聯合國氣候變化框架公約》等協定,環保已經成為世界議題。作為污染大戶的汽車,一直處在輿論的風口浪尖。現代汽車就制定了到2020年,生產的汽車質量平均比現在降低10%,由此帶來油耗改善6%,污染物排放降低2.5~8.8%,加速性能提升8%,轉向性能提升6%,制動性能提升5%的總目標。

輕量化帶來的好處十分明顯,但是實現這些目標的前提是汽車的安全標準不能降低。如何在保證安全性的基礎上進行輕量化就十分困難了。目前汽車制造商的主要做法是使用重量輕,強度高的材料,在車身,底盤,動力系統等重量方面下功夫對汽車進行減肥。

在材料的使用方面,最受關注的是鋁合金與鎂合金,這兩種材料主要代替鋼鐵,減輕重量,提高強度。鋁的重量只有鐵的1/3,并且回收利用率高,汽車中的鋁有85%是可以回收的。是鐵的2倍。但是鋁也有很多缺點,比如鋁不能夠焊接,不容易鈑金,噴漆也麻煩,在安全性不如鋼。因此目前一些廠商只是部分使用鋁合金,車身大部分結構還是鋼鐵的。

1990年,本田推出的NSX跑車是世界上最早量產的使用全鋁車身的車型,15年期間總共生產了1萬8000輛。而更大規模量產并廣為人知使用全鋁車身的汽車就是奧迪A8了,1993年奧迪發布了ASF(Audi Space Frame)技術,緊接著奧迪A8誕生。

最初奧迪A8使用全鋁車身,是因為自己的旗艦車型搭載quattro四驅系統,重量比競爭對手重100公斤。為了降低重量,才開發了全鋁車身技術。因此我們發現當時奧迪A8即使使用了全鋁車身,整車質量依然與競爭對手差不多。2006年推出的超跑R8,奧迪為了減輕重量,提高性能,將鋁合金的使用比例進一步加大。今年推出的全新奧迪A8,在整車質量上也比上一代輕28%。

在使用全鋁車身的廠商中,捷豹的貢獻也很大。捷豹在2003年第三代XJ車型上首次使用了鋁合金車身,在2006年發布的XK車型上,車身鋁合金的比例達到100%。隨著鋁面板圖層技術和鉚釘的使用,車體70%都是鋁合金的。2013年發布的F-type,2015年第二代XE,2016年F-pace也都使用了全鋁車身。可以說,捷豹是目前汽車廠商中,推出全鋁車型最多的之一,最近幾年特斯拉大有趕超的勢頭。

提升駕駛樂趣最大的一個方法是車身前后配重比例50:50。寶馬一直在強調自己旗下車型的前后配重比例。2003年,寶馬汽車推出的第四代5系(E60)混動版,在車身前半部分使用了鋁合金材料,讓車身比例達到50:50。這也是全球第一款使用鋁合金材料,達到50:50比例的混合動力汽車。

還有比鋁合金更輕的金屬,那就是鎂合金。鎂的重量只有鐵的22%,鋁的66%。也是比較容易加工的金屬,并且鎂能很好吸收震動,回收使用率能達到100%。但是缺點是價格高,不耐高溫,容易腐蝕,因此不能使用在高性能的賽車當中,可以使用在方向盤等不重要的零部件中。

但是現在很多零部件供應商已經開發了使用鎂合金的座椅框架,并且2006年,雪佛蘭在自家超跑科爾維特的發動機中,也使用了鎂合金。最近幾年,將這些相對稀有的金屬混入鋼板,制成的高張力鋼板和超高強度鋼板被廣泛使用,與普通鋼板先比,張力提高了2倍,重量也有所降低,在扭轉剛度和彎曲強度上,比普通鋼板分別提高80%和50%以上。

與這些特殊的材料相比,通過技術工藝的提升,其實也可以提高強度。比如鐵板在900攝氏度加熱成型之后迅速冷卻可以加工成超高強度鋼板,達到1.5Gpa級別。此外,鋼板內的填充物以及結構構造上的升級,也可以在保證強度的情況下減少鋼材料的使用,達到輕量化目的。

現代汽車目前新款旗艦車型捷恩斯EQ900,相比老款旗艦雅科仕,使用了3倍以上的超高強度鋼板,占整車車體的51%。現代汽車研發的混動車型ioniq整車使用了53%超高強度鋼。不僅碰撞性能提升,而且可以抵消電池的重量。

最近幾年,鈦合金也備受關注。鈦合金具有密度低、比強度高、抗腐蝕性能好、工藝性能好等優點。目前主要應用在航空航天,醫療領域,用在汽車上的情況還不多見。鈦合金制造的發動機氣門彈簧比鐵輕58%以上。

還有一種可以降低重量的材料是碳纖維(CFRP)它的特點是柔軟,抗沖擊能力很強,重量只有鐵的50%,鋁的70%。強度卻是鐵的10倍,鋁的5倍。目前,碳纖維采用一些含碳的有機纖維(如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等)做原料,將有機纖維跟塑料樹脂結合在一起,放在稀有氣體的氣氛中,在一定壓強下強熱炭化而成。由于制造成本高,產量有限,因此價格也很貴,現在只有少數跑車和賽車上使用。

寶馬汽車是在碳纖維領域走在前列的廠商,投入了1億美元用于建設碳纖維工廠,這是首個汽車制造商建設碳纖維工廠。并收購了全球知名的碳纖維生產商德國西格里(SGL)16%的股份。目前,碳纖維的生產成本是鋼鐵的20倍,這就不難理解,為什么寶馬i8這么貴了。

寶馬目前在i8和i3電動車上使用了碳纖維作為車身材料,最終效果是i8的車身重量不到1.5噸,i3的車身重量1.3噸左右。在同級別車型中都是很輕的。寶馬計劃今后通過自己建設碳纖維工廠,大規模生產降低成本。并且把碳纖維材料逐步普及到寶馬7系等非新能源車型上。

車內的裝飾材料也發生著變化,豪華車上的實木,金屬,普通車輛上的塑料等等,正在被高分子復合材料替代,比如FRP纖維增強復合材料,纖維材料與基體材料(樹脂)按一定的比例混合后形成的高性能型材料。質輕而硬,不導電,機械強度高,耐腐蝕。是車內裝飾材料的理想選擇。

通常情況下,底盤的重量越大,穩定性越好。車門內的填充物,包括前后發動機蓋內的隔音材料,包裹材料都是越輕越好。只有這樣才能降低整車的重心,提高行駛穩定性。

此外,各種工程塑料也被光彩使用在車門內,具有抗沖擊,耐腐蝕的特點,質量也很輕。還有聚氨酯泡沫作為填充材料,使用在車門內飾板和汽車保險杠中,聚氨酯泡沫密度低,質量輕,吸能效果好。

玻璃也是輕量化的對象,現在聚碳酸酯材料做成的玻璃,大有代替傳統玻璃的趨勢。聚碳酸酯玻璃導熱率只有普通玻璃的20%,隔熱效果好,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風擋玻璃上。

模塊兒化的制造也是可以降低重量的,模塊兒化之后,車內很多零部件的集成度更高,不僅組裝起來更容易,而且比原先單獨組裝每一個零部件,可以減輕20%的重量。

總結:

如今電動汽車快速發展,汽車的重量已經成為制約電動汽車發展的瓶頸。純電動汽車特斯拉model S,在使用了鋁合金車身的前提下,質量依然在2噸左右。如果能再減重的話,那么加速和制動性能還會再提升,因此減重將會是未來一段時間汽車制造中一個永恒的課題。

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