轻薄之“途” 汽车轻量化材料

2020-8-25 10:37 339 0 来自: 《汽车之友》
简介
【汽车轻量化在线】车子要耐造,得看部件皮不皮实;车子要耐撞,得看结构结不结实;车子要耐看,得看材质漂不漂亮;而既要满足上述要求,也要提升性能,更要节能环保,只能想办法当一回有技术含量的轻薄之“途”了。 ...
汽车轻量化在线】车子要耐造,得看部件皮不皮实;车子要耐撞,得看结构结不结实;车子要耐看,得看材质漂不漂亮;而既要满足上述要求,也要提升性能,更要节能环保,只能想办法当一回有技术含量的轻薄之“途”了。

入行汽车媒体之初,曾听一位赛车界老前辈教导道:“当你对于一台车的改装方案毫无头绪的时候,不要犹豫,尽量减重一定没错。”这似乎很有道理,毕竟减重之后的车辆,不但能减轻发动机的负荷,同样也能在弯道具有更好的操控性能,更能减缓各种运动的机械部件的磨损。君不见号称汽车界别技术含量最高的一级方程式赛车,800 匹动力却匹配仅有740Kg的车身,由此可见一斑。量产车并非赛车,解决重量问题离不开轻量化材料

1. 看宝马5 系历代可看出车辆尺寸的逐代增加

2. 汽车这个复杂的运动体必定躲不开重量的影响

车身重量理应重视

安全性、燃油经济性、颜值等因数,通常是大多数消费者在选购新车时排位靠前的衡量标准。而对于车子本身的重量,往往被排在极其末尾的名次,或是完全不予考量。可实际上前面提到的那些被当为首要衡量标准的关注点,无-例外地与你的车子重量,有着休戚相关的联系。在车重这个问题上,消费者应该知道的知识还真不少。

大部分人在不看行驶证的情况下,基本很难-口说出自己车辆到底有多重,就连资深的车迷,往往也无法准确知道这-数值。行驶证上所记载的车辆“整备重量”,实际上代表着-辆没有乘客和货物的车辆,在配备所有标准设备(包括冷却剂,机油,汽油箱)时的总重。从汽车出现至今的-百多年里,汽车的增重已经进入了-个恶性循环的怪圈之中。消费者对于汽车的安全、性能、以及豪华舒适度的需求,令制造商觉得,空间更大、更舒适、性能更强劲的汽车可以提高利润率,并逐步向着更高的车身刚度、更强大的引擎配备、更广阔的内部空间以及豪华配置等目标进发,车辆越来越重的结果也显而易见。举个不恰当的例子,1976 年的高尔夫GTI MKI 重量为820Kg,拥有108Hp 动力;2006 的高尔夫GTI MKV 重量已经达到1340Kg,动力也提升提升到了200Hp。30年间,主流车型的重量几乎是以前的2 倍之多,能耗岂能不升?

燃油经济性是所有人都关注的问题。现代燃油系统在改善燃油经济性的技术方面已经走过了很长-段发展时期。汽车越重,引擎所需要负担的能耗也越高这点毋庸置疑,尽管工业技术让现代引擎变得异常高效与强大,可终归无法承受不断添加的重量,更别提风云变化的国际市场油价。美国EPA 的数据显示,车重每减少100磅(约45Kg),燃油效率将提高1%~2%。不要轻视这45Kg 的重量,对于那些后备箱永远装满不必要行李、加油永远满箱的车主来说,同样的车辆往往需要耗费更多的燃料。如何学会为车辆科学减重是车主用车的习惯,也是汽车工业技术的目标。

车重的增减实际上-把双刃剑,在相同造车工艺与材料应用之下,重量减轻虽明显提升经济性,但对安全而言则有可能起到反作用。举个不恰当的例子,用丰田Yaris 与雷克萨斯 LX 做-个80Km/h 的正面对撞试验。相信后果大家都能清楚预测,三倍重量于对手的雷克萨斯铁定完胜。有科研机构的数据表明,如果碰撞之中两辆汽车之间的重量相差超过1000 磅(495kg),那么较轻-方在该碰撞发生时的致死率将增加接近50%。

此时若要讨论日韩车系过于轻薄,或是欧美车系过于笨重似乎过于肤浅了。这个事关生死、事关金钱、事关颜面的汽车技术话题,本就是-个平衡问题,如何做到轻快好省,众多专注于汽车轻量化的工程师,从汽车设计结构上、制作材料以及制造工艺上,给予了相当多的解决办法。这其中汽车轻量化材料成为了重中之重。

3. 汽车重量因为消费者需求不断增重

4. 著名的微型车FIAT500体积重量也在增加

1. F or d Mo del T 出现真正意义上的车架式车身结构

2. 空客为飞机制造所使用的玻纤复合材料

更轻盈的轻量化材料变迁

历史上最初的汽车完全由木头所建造的,随后进化出了使用木质框架覆盖钢制面板。1900 年的时候,首次出现了车架设计的想法,车辆开始拥有承载底盘,以支撑工作所需要的机械零部件以及通常由钢制成的车身。这其中福特著名的T 型车就是最好的例证。时至今日大部分体型较小的车辆,例如中小型SUV 和轿车,多采用了一体式结构(承载式车身结构),而像卡车、大型公共汽车或是部分大型SUV 等重型车辆,依然使用车架车身结构(非承载式车身结构)。但无论采用哪种改造技术,钢材依然是车架使用的主要材料。

一台汽车的基本组成部分主要涵盖了发动机 、底盘、车身和电气设备四大块。其中车身占重35%、底盘占重34%、动力总成占了27%,剩下的4%则为各种内饰以及其他部分。正是这几个看得见摸得着的部分,占去了整车绝大部分的重量。汽车从最初的原木制造变为木质框架再到钢制框架,材质上已经得到了翻天覆地的改变。木到钢的更替,车身强度在增加的同时重量亦随之增加。幸好更具重量优势的新型轻质材料不断诞生,让减重大计得以实施,强度方面更无需妥协。目前的减重排行榜之中,高强度钢、铝、镁以及复合材料等已经逐步开始替代纯钢材料并越来越多地应用在量产车型之上。

3. 采埃孚研发的轻量化复合板簧

4. FC A 研发出全新适用于发动机缸体的铝合金材料

1. 19 9 4 年亮相I A A 引起轰动的奥迪A 8 首次采用全铝车身结构

2. A 8的全铝车身应用了各种连接工艺

3. 铝合金被广泛应用在车辆各部位

铝合金(Aluminum Alloy)

铝合金应该算是最早进入人们视野的非钢轻质材料。从1975 年开始至今的,铝合金的散热系统、轮毂、发动机缸盖、缸体、防撞杠、引擎盖以及车门与白车身,量产车上的铝合金制品无处不在。与纯钢材料相比,成本虽然略高,但并不妨碍同等体积减重接近40%的铝合金材料瞬间成为了制造商的宠儿。第一辆尝试使用全铝车架的量产车是1994 年的奥迪A8。这让奥迪在C 级轿车领域比竞争对手更为轻盈,性能以及操控方面也更具有优势。到了2015 年,作为皮卡典型的福特F150 也通过使用铝合金令车身减重超过226Kg完成了华丽转身。当然还少不了路虎揽胜运动版,铝制车身与之前型号相比,减去了300Kg 的重量。现在的量产车之中,平均每台汽车包含约90Kg 铝制零件。

铝合金除了能大幅减低重量以外,其良好的延展性、方便的闭环回收利用以及特有的成形性与成型工艺,同样受到业界欢迎。譬如特有的挤压成型工艺在“自冲铆接”工艺配合下,能让车架零件的数量与连接点较传统钢制单体外壳减少一半甚至更多。尽管铝合金原本预计需求增长最快的领域会是底盘与车身范围,可实际上现在已经在所有车辆系统之中大放异彩。铝铸件也成为发动机、变速箱缸体,甚至悬架以及转向系统所热衷的使用材料。目前来看,铝材已经成为用于年产规模10 万辆以下车型最具性价比的材料。

4. 特斯拉打造出适用于电动机的全新铝合金

5. 铝合金可方便制成各种车辆主要零部件

镁合金(Magnesium Alloy)

镁是全球排第八大丰富的元素,蕴藏含量约占地壳2%,同时也是溶解在海水之中第三大的丰富元素,为此蕴藏量十分巨大。镁合金的密度小,约占钢的1/4,铝合金的2/3,比刚度和比强度优于钢和铝合金,远高于工程塑料。此外,镁合金材料具有良好的阻尼性能,并具有良好的电磁屏蔽、散热、切割、无毒、可降解、易回收等性能,所以镁合金被认为是最便宜也最轻的金属合金,十分被汽车工业所看好。镁合金的优点很明显,缺点也是有的,镁合金质地较脆,其在碰撞之下会产生较大变形,存在很大的断裂风险,因此镁合金并不适用于如保险杠、门梁、B 柱等面对大变形的结构。但对于如方向盘、座椅骨架、仪表盘等在碰撞时不易触发大变形的结构处,镁合金就体现出了自身的价值。所以镁合金对铝合金更多的是部分替代而非整体取代。镁合金结构件的使用可以在铝合金结构件的基础上实现30%左右的减重效果。目前福特、通用、大众、宝马等不少品牌,已经将镁合金作为如托架、气门盖、方向盘、油底壳,甚至是变速器箱体的主要轻量化材料。

1. 轻便结实的镁合金一直是专业相机的机身材料

2. 镁合金材料

3. 镁合金在汽车轻量化之中的零部件应用

4. 镁合金成为许多变速箱壳体首选材料

1. 应用在车辆前端的法雷奥玻纤复合材料

复合材料应用(Composites Applications)

碳纤维与玻璃纤维等高分子材料的出现,为汽车轻量化大业注入了新的活力。特别是碳纤维复合材料,已经被航空航天领域应用多年,具有良好的技术沉淀,在许多特性上也超越了传统材料,有望逐步成为汽车结构件轻量化材料的主线。其质地在目前所有轻量化材料之中最轻,高强、抗冲击和耐腐蚀等特点也十分优异。在符合安全标准的前提下,碳纤维车身能较同体积的铝合金车身再减重50%。极致减重的同时,碳纤维复合材料强度达到了钢的8 倍,同时具有金属材料5 倍的能量吸收能力,达到了121 KJ/kg 水平。这让碳纤维复合材料在汽车结构件上可取代目前的钢结构车身。

采用碳纤维复合材料打造的车身可以令整车重心下移,提升操控稳定性;拥有极佳的能量吸收能力,在碰撞之中进一步保证车辆成员安全;更高的震动阻尼也给予整车NVH 极大的改善。关键一点是碳纤维复合材料比金属材料具有更高的抗疲劳强度。开篇提到的一级方程式赛车正是采用大量碳纤维复合材料打造,令其拥有FIA国际汽联所要求740Kg的靓丽身材。目前世界范围车企之中,德国车企特别是宝马在碳纤维车身方面可谓处于整个汽车行业的领先位置。

2. 玻璃纤维缠绕工艺

3. 碳纤复合材料

玻纤复合材料则属于改性增强塑料范畴。从工艺上根据塑料粒子的长度和玻纤维的长度可分为短玻纤增强塑料SFT 和长玻纤增强塑料LFT。长玻纤长度为2-4mm,比长度仅为0.2-0.4mm 短玻纤排列更规律,强度、刚度也更占优,所以势必替代短玻纤材料。玻纤复合材料具有密度小、易成型、设计灵活、耐腐蚀、耐冲击、抗振隔热、绝缘等诸多优点,价格更是远比碳纤维复合材料便宜。传统认为玻纤材料质地较脆,强度比碳纤维要低,受热情况下形变程度较大,所以只适合用于制造支撑汽车的非结构件或是装饰件,譬如发动机罩、电池托架、仪表板、发动机罩盖,以及后背门等部件之上。

众多国际著名零部件生产企业对于玻纤材料的应用研发一直十分重视,这其中加拿大企业麦格纳凭借复合材料尾门立体加强框架在丰田Supra上的首次应用,赢得了2020 年PACE 供应商创新大奖。这款复合材料立体框架是由泡沫芯制成的管状框架,采用连续玻璃纤维进行缠绕并注入聚氨酯热固性树脂制成,现今全球62%的汽车尾门中,只有少量由塑料制成将使其拥有巨大的市场潜力。

法国零部件企业法雷奥,更是在在车辆前端模块之中率先使用了由玻纤增强树脂所制成的轻质复合材料,以满足更高的刚性与耐久性要求,这款轻质复合材料在较钢制配件减重30%的情况之下,依然能保证拥有同样的安全等级。看来随着工艺与技术的发展,玻纤复合材料等级将进一步提升,并尝试被应用在部分车辆结构件之中。

1. BM W i3 使用碳素纤维制成的保险杠

2. 麦格纳为丰田supr a做的加强框架

3. 车用碳纤外壳

钢材(Steel)

虽然上面提及了不少目前已经得到应用的汽车轻量化材料。但是最后依然要给大家说一下依然被车企所高度依赖的汽用钢材族群。这其中依照钢材强度从低到高分为低强度钢(LSS)、高强度钢(HSS)、先进高强度钢(AHSS)、超高强度钢(UHSS)以及热成型钢(PHS)。各种钢材的强度也从低于210MPa一直延伸至大于1000MPa,部分产品在改进工艺之后更能达到接近2000MPa 的强度。由于钢材工艺不在本文讨论范围,这里就不作细述。或许有人会问,钢的密度都是7.85 g/cm3,从何减重呢?其实这就必须提及“强度”这一产品特征了。在车辆部件上使用更高强度的钢材,可达成更薄的钢板厚度要求,同样实现了轻量化的目的。

通常较为负责的车企,会将高强钢或超高强度钢专门用于结构件,譬如防止碰撞变形与侵入伤害的安全笼(乘客舱)部位。值得一提的是,由于目前国内并没有一个较为成文的规定,具体划分钢材强度的分级,通常只会按照业内人士约定俗成的公认标准,并不具备任何约束力。所以车企文宣上高强度钢的使用不但需要考虑占比,更需要考虑其结构设计是否合理。倘若不合理的结构设计,再高强度的钢材也无法保证安全,相反可能对乘员还会带来不必要的伤害。

1. 钢材仍是制造汽车的主要材料

2. Smar t 与Ben z S 级 的 对 撞 测 试

3. 一级方程式赛车是轻量化工程的极致典范

4. 合理的车辆结构与材料选用才能最大程度为车辆减重

世界对于环境保护的渴望;消费者对于燃油经济性的看重;新能源对于汽车设计结构的根本性改变,重量问题对于制造商、零部件提供商和消费者而言均变得越来越重要。不要对赌消费者放弃大型车辆的可能性,既然轻量化材料生产的经济可行性已经得到解决,不妨建议相关企业,以猫步继续行走于这条轻薄之“途”。


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