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2019车用新材料新工艺系列巡展规划

汽车轻量化——丰田卡罗拉的轻量化之路

2019-6-28 10:05 241 0 来自: 易车号
简介
【汽车轻量化在线】从1885年戴姆勒和卡尔本茨发明第一辆以内燃机驱动的汽车起,人类始终没有放弃过对速度的追求。想要一辆汽车速度快,要么给它安装一个强劲的发动机,要么帮它减重到极致。进入新世纪,节能减排成了 ...


【汽车轻量化在线】从1885年戴姆勒和卡尔本茨发明第一辆以内燃机驱动的汽车起,人类始终没有放弃过对速度的追求。想要一辆速度快,要么给它安装一个强劲的发动机,要么帮它减重到极致。进入新世纪,节能减排成了主流,费油的大排量不再被接受,想要速度快又不费油,那汽车轻量化就越发显得重要。


如果可以不计成本地打造一件人类工业的巅峰之作,那么就为它装上昂贵的碳纤维单体壳,赋予它轻盈的车身;为它装上热效率最高的1.6TV6,赋予它野兽一般的马力;再严苛规则所允许的范围内将每一处的空气动力学设计打磨到极致,赋予它尽可能低的阻力和不可思议的气动下压力;为它精心调校从悬挂到引擎的每一处微小细节;装上几乎不计寿命只为能让它更快一点的热熔胎,再为它配上世界顶尖的车手和工程师团队,于是你便得到了一辆——F1赛车。

汽车轻量化——丰田卡罗拉的轻量化之路


这也使得成为了世界上最昂贵的运动之一,无数人被它无与伦比的速度和匪夷所思的操控所吸引,它当然代表了工业的巅峰水平,赛车仅650kg的重量绝对是将做到了极致水平,然而它采用的轻量化技术不是一辆普通家用车可以承担得起的。如何将一台普通家用代步车做到在成本最低情况下的整车轻量化依然困扰着许多车企的研发部门。


汽车轻量化——丰田卡罗拉的轻量化之路


有着“成本杀手”之称的日本丰田汽车一直是的领先者,它的明星车型卡罗拉就很能体现对轻量化所作出的努力。

丰田史上不得不提的一个传奇。经过了十二代的发展,它现在稳居全球销量榜首的位置,是名副其实的平民之车。工程师在它身上为轻量化付出的努力可谓确确实实飞入寻常百姓家。


汽车轻量化——丰田卡罗拉的轻量化之路


拥有着辉煌的历史:1966年的初代以普通人可以负担得起的价格开启了日本的“家用车元年“。1985年的第五代则是《头文字D》中藤原拓海的传奇座驾。它传奇的操控性能正是得益于它的轻量化,它的车身重量仅有940kg。它的设计思路颇得堀越二郎设计的零式战机的真传——得益于前置后驱的布局和超轻的,用一台并不太过分强力的引擎就获得了相当敏捷的操控性。到了1995年,经济实用在那个年代成为了市场卖点。第八代通过车体结构的优化和高强度钢的使用成功减重50kg,又写下了浓墨重彩的一笔。而最新款的第十二代仍然续写着这一名字的传奇。


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或是其他昂贵的跑车不计成本的使用碳纤和全铝来减重相比,第12代仍然使用了传统的钢制,只不过采用了全新的TGNA架构来优化设计。


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新款的2.0L引擎有高达40%的热效率,在量产车中属于顶尖水平。同时通过优化结构后轻量化的变速箱减重7kg。活塞上用激光刻出十字形的槽,再用树脂涂层覆盖。在保证强度并减重的同时减小摩擦。

涡轮部分在叶片中采用多孔设计,大大减轻了涡轮整体的重量,同时减小涡轮的转动惯量,使涡轮转速提升更快,减小涡轮迟滞,使得动力响应更快。通过使用更高集成度的混动系统将动力总成的重量减少了10%。新研发的电池在更轻的同时容量更大,进一步提高了燃油经济性


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TNGA架构大量运用了激光焊接技术、新一代更加优化的环状框架结构、结构专用粘合剂、高强度钢使用比例从3%大幅提升至19%,不仅仅降低了重量,更让整车的抗扭刚度提升了60%。拉伸强度高达1500MPa高强度热冲压钢板在保证轻量化的同时实现了世界顶级的碰撞安全性能。


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红色部分采用了热冲压成形钢(PH钢),PH钢是先将坯料加热至一定温度,使其组织转变为奥氏体以获得优异的延展性,然后用冲压机在相应的模具内进行冲压并快速冷却,保压淬火,使组织转变为具有超高强度的马氏体组织,在得到所需外形同时实现金属材料相变的一种钢材。在热加工前它塑性极限低,成形性好,延伸率高。热加工后钢材强度大幅上升,使其兼具高钢材性能、良好的加工性能、较低的成本于一身。适合加工零件形状复杂,尺寸精度高的安全结构件。其超高强度有效提高了碰撞安全性。

铝合金被推广运用到车顶覆盖件和后车门框。而拥有这一切的,中国市场的售价仅仅是刚刚超过十万人民币,正如一如既往的那样是一辆平民之车。


汽车轻量化——丰田卡罗拉的轻量化之路


近年来由于环保法规的日趋严格,所有车企都在大规模、大幅度进行整车轻量化。如果我们有机会看到一台车的白车身,我们很容易发现很多我们日常生活中常见的减重元素——如在构件上打孔可以在保证强度的同时大幅减轻重量、工字钢和空心轴将绝大部分材料使用在远离中性轴的地方用更少的材料实现相同的抗弯/抗剪/抗扭能力,以此大幅减重。在上也是同理:在保证强度的情况下进行打孔、铣槽等来更高效地利用这些材料;使用更高强度的材料便可在保证强度的前提下减少材料用量,减轻零件重量。

总体来说轻量化是发展的趋势,但是轻量化不等于降低性能和减少配置或安全要求,而是在上述前提下通过优化结构设计和材料选择达到(例如金属变为塑料,低强度厚钢板变为高强度钢板)降低重量的目的。


汽车轻量化——丰田卡罗拉的轻量化之路


小编总结:目前致力于做到在成本最优下的重量最小化、性能最优下的成本和重量的协调。不过要做到这点并不容易,比较大众的手段是使用铝合金和使用更高性能的钢材或是新材料,但这样也不可避免的带来高成本的问题。全新能在安全减重的同时控制好成本支出,这其中的原理值得我们自主车企好好学习。

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