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电动汽车底盘和悬架部件的轻量化材料选择

2021-7-22 11:34 110 0 来自: 汽车材料网
简介
【汽车轻量化在线】无论车辆是配备电动发动机还是内燃机(ICE),其设计中都有许多因素会影响燃油效率和续航里程。效率损失有多种形式,但通常受空气动力学、滚动阻力、摩擦损失和重量等因素的影响。空气动力学可能是 ...
汽车轻量化在线】无论车辆是配备电动发动机还是内燃机(ICE),其设计中都有许多因素会影响燃油效率和续航里程。效率损失有多种形式,但通常受空气动力学、滚动阻力、摩擦损失和重量等因素的影响。空气动力学可能是控制燃油效率的最大杠杆,但受到车辆功能及其设计美学的限制。滚动阻力主要与车轮的冲击有关,必须平衡车轮的耐用性和牵引力。摩擦损失与发动机的功能有关。车辆重量是车身和系统的总和加上乘客、货物和牵引方面的建议有效载荷。以本文讨论的重点是通过设计和材料选择相结合来优化重量。


重量和续航里程(Weight and Range)

为了考虑重量对EV效率和续航里程(efficiency and range)的影响,最好通过比较ICE车辆和EV的结构。出于此比较的目的,将考虑整备质量。

在ICE车辆中,普通轿车的重量分布通常如下[1]:车身结构(25%)、动力系统(25%)、底盘和悬架(21%)、内饰(14%)、开闭件(8%),以及玻璃、电气和流体(7%)。结合车身和封闭件,金属板约占车辆重量的三分之一。对于四门福特Fusion,整体整备质量约为3,600磅(1,633千克)。

同时,在电动汽车中,重量分布发生了变化。例如,对于整备质量为4,600磅(2,087kg)的Tesla Model S[2],重量分布如下:节电池(29%);电机、动力传动系统、制动器和悬架(23%)、框架(17%)、内饰(14%)、关闭件(4%)、电子电器(4%)和其他成分(9%)。

汽车工程师经常指出“电动汽车给车辆增加了1,000磅的重量”,刚刚讨论的福特Fusion与特斯拉ModelS的比较就说明了这一点。通常电池组是增加重量的罪魁祸首。例如,特斯拉Model S电池组重约1,323磅(600千克)。在另一个比较中,拟议的RivianEV皮卡预计比底特律三大皮卡(福特F-150、雪佛兰Silverado和道奇Ram)的平均重量平均重800磅(363公斤)。

Lux Research创建了一个模型,将EV续航里程与车辆质量和电池尺寸进行比较[3]。电动汽车的续航里程通过减少车辆质量或通过提高电池效率以减小其尺寸来扩展。当然,这些选择涉及很大的成本因素,因为电动汽车需要变得价格适宜才能获得客户的广泛接受。Lux预测,“未来十年,电池组的能量密度将增加大约15%。这种增加的能量密度可用于通过保持电池尺寸不变来扩大车辆的续航里程,或者通过缩小电池组的尺寸来降低成本。”他们还预测,到2030年,电动汽车减重的成本价值将约为5美元/公斤,与今天的内燃机汽车大致相同。

 

解决减重问题(Tackling Weight Reduction)

在讨论车辆的轻量化时,人们不禁想知道做出所涉及的众多决策的各种因素。车辆是否需要减轻重量,如果需要,在减轻车辆某些方面的重量方面,哪里最有价值,或者正如美国人所说,“物超所值”?

车辆内的某些系统无法或难以更改,例如发动机、电池组或电机。这些系统由主机厂设计,被认为是“黑匣子”(bang for the buck),或已被汽车制造商锁定的系统。供应商仍然可以为这些领域推荐一种优化的材料,但这将是一个艰难的销售。

然而,在考虑车辆的其余部分时,材料选择的决策矩阵(decision matrix)提供了更多的选择。多年来,整个车辆的零部件展示了大量轻量化解决方案——从玻璃转向聚碳酸酯车窗(重量减轻40%);从钢转向挤压铝制横梁;将一种保险杠换成另一种等等。轻量化的改进正阶段化的日趋成熟。

 

底盘和悬架(Chassis and SusPEnsion)

在底盘、悬架和制动系统中,有许多部件需要考虑进行轻量化优化。在每个系统中,在重量和成本方面都有多种选择。

一般来说,钢材重量较重,成本最低。假设材料总是比钢轻,然而,铝行业不应自满。在福特F-150转向铝制车身结构后,钢铁行业在材料和加工方面进行了大量创新。如今,汽车制造商可以购买强度约为1,500-2,000MPa的可成形超高强度钢。例如,Mayflower咨询公司预测,钢铁行业将很快能够将悬挂臂作为一件式冲压件提供,从而进一步减轻重量和成本。对于主机厂来说,这种竞争格局为开发有利可图的汽车提供了更好的选择。然而,对于材料供应商来说,这迫使他们为了生存而创新。

随着材料生产商不断全面创新,主机厂在所有可用选项之间进行选择是一个挑战。对于悬架部件,汽车制造商有多种生产前下控制臂的选择,包括锻铝、铸铝和焊接钢[4]。还有冲压钢和球墨铸铁的选择,为OEM提供了总共五种选择——仅适用于较低的控制臂。

锻件在ICE和EV车辆上都很常见,通常用于转向节、控制臂和连杆的悬架系统。当被问及为什么铝锻件是前端EV悬架的不错选择时,Anchor Harvey Components公司的销售经理Kerry Kubatzke评论说,EV需要带有坚固末端配件的长控制臂,并且锻件可以设计成坚固的,非常适合设计刚性构件。一个很好的例子是新的福特野马Mach-E电动汽车,它应用了长长的锻铝下控制臂(图1)。

图 1.2021 款福特野马Mach-E 上的铝制前下控制臂。

出于多种原因,电动汽车市场中锻件的使用可能会增加。首先,车辆更重。其次,电动汽车运动套装需要更高的性能(例如,特斯拉Model S的ludicrous模式)。最后,EV的重心向后和向下移动,会给悬架部件施加更多负载。锻件通过展示设计和包装的效率来解决这些问题。

 

制动系统(Braking Systems)

在轻量化方面,汽车制造商首先着眼于容易实现的目标,即易于更换的螺栓固定部件,因为它们需要较少的集成。车辆的整个车身中有许多此类组件。较大重量的部件包括副车架和悬架臂,而较小的部件包括制动器和制动卡钳。

制动卡钳属于非簧载质量(包括悬架、车轮和其他直接与其相连的部件),通常具有更高的价值。当有人声称每一克都很重要时,首先要问的是他们为制动卡钳选择了什么材料?Ford Explorer在前部选择了铸铝卡钳,而Chevy Blazer则选择了铸铁卡钳。两者之间的区别是前轴上的重量为2,900克。

但是,Mayflower咨询公司最近的一项市场研究发现,市场上的大多数制动卡钳仍然是铁制的。这就提出了一个问题,为什么汽车制造商似乎不认为这些额外的克数很重要?汽车制造商还有什么地方可以减重2.9公斤,需要多少努力和投资?Mayflower正在继续调查铸铁与铝的铸造和加工成本,以便更好地了解OEM对较重制动卡钳的偏好。

 

EV材料选择比较(EV Material Choice Comparison)

大多数轿车采用一体式结构,该结构内置于车身中,而不是车身框架式结构,后者在皮卡车等大型车辆中很受欢迎。没有车架纵梁,较大的底盘子系统包括副车架,称为发动机支架或K型车架。可用于副车架的材料包括铝挤压件、带有铸铝边角的挤压件、铝或镁铸件或钢焊件。电动汽车混合使用这些选项。例如,特斯拉ModelS有一个铝制副车架,它是混合材料车架,因为它是由挤压件和角上的铸件连接而成[5]。

以下是两种不同EV车型(2019年特斯拉Model3与新2021年福特野马Mach-E)上使用的副车架的比较(图2)。Model3使用重24公斤(53磅)的焊接钢副车架。钢结构设计的优点是紧凑的包装和较低的成本,但缺点是重量增加和耐腐蚀性较低。一方面,后副车架使用焊接钢并不奇怪,因为该公司在Model3上转向了大部分钢制车身(在远离ModelS的全铝车身之后)。另一方面,在ModelY上,特斯拉采用了不同的方法,将车辆地板结构中的许多钢冲压件转换为单个大型铝铸件,称为“大型铸件”。

图2.后副车架系统对比——2019款特斯拉Model 3系统由焊接钢制成,重24公斤(53磅),而2021款福特野马Mach-E系统由空心铝铸件制成,重18公斤(40 磅)。

 

同时,福特Mach-E在前后均采用空心铸铝副车架(后车架仅重18公斤,或约40磅)。这使车辆重量减少了约12公斤,估计减重了25%。中空铝制副车架在低压铸造机上使用大砂芯制造中空。Munro & Associates是一家基准测试和设计公司,他们对福特在设计新Mache-E副车架组件方面的工程专业知识表示了热情[6]。

可以与大众汽车的新电动汽车车型ID.4进行另一个比较。Munro & Associates对车辆系统进行了分析,并指出钢材在结构和悬架部件中占主导地位[7]。副车架为焊接钢,前悬架为麦弗逊式支柱设计,带有钢制下控制臂和铸铝转向节。在后部,副车架和下控制臂连杆使用钢。还有两个锻造铝制上控制臂和一个铸铝后转向节。

看看刹车卡钳,业内大多数都是用铁做的。然而,在电动汽车上,情况恰恰相反,大多数是由铝制成的。Mayflower研究的所有Tesla车型均采用铝制卡钳。同时,Mach-E的前部有一个大的铝制卡钳,后部有一个小的铁卡钳。有趣的是,Mach-E的后铁制动盘很薄,而不是像特斯拉Model3卡钳那样厚且通风。使用薄而坚固的设计而不是厚实的通风式设计,尽管与铝制版本相比,使用铁制卡钳增加了一些重量,近5公斤。这就提出了一个问题,为什么这两辆车的重量都很接近,选择了非常不同的后制动器尺寸?也许福特是正确的,因为后部EV制动器需要较低的性能,因此可以采用更薄的设计。这个理论可以通过大众汽车ID.4的证据来证明,它遵循类似的方法,使用鼓式制动器。

 

轻量化的未来(The Future of Lightweighting)

直观地说,车辆的重量越轻,它依靠单位能量行驶的时间就越长。因此,始终强调效率,但当然也存在一些限制,例如可用预算、安装轻型组件的封装空间以及提供可靠且价格具有竞争力的零件的可用供应链。

在分析中,Tesla 3具有与大众ID.4非常相似的焊接钢副车架,因此没有选择许多减轻重量的选项,例如空心铝铸件或基于挤压的设计。这是因为成本、包装、碰撞性能还是车辆动力学?是不是因为Model 3将在许多大洲生产,而且钢材更容易采购?

不过,Tesla 3的前部确实选择了铝制卡钳,重量减轻了近3公斤。是否需要减少前轮端的簧下质量,或者是否需要减少车辆重量平衡?在参考研究中,大多数ICE车辆使用球墨铸铁制动卡钳,而大多数电动汽车使用铸铝。有人说减重的溢价乘数是5美元/公斤,Lux Research 建议这将是2030年的指标,因此轻量化的价值可能不会改变。

Ducker Research研究机构将悬架和制动部件称为“钟摆部件”,这意味着材料会根据做出决定的人来回变化。在90年代后期,底特律一家主机厂的制动卡钳几乎全是铝制的,现在它们大多是铁制的。也许控制臂、转向节和副车架也是如此?您可以想象,每次首席工程师和车辆团队都面临着满足重量、成本、航程和性能目标的挑战时,都会引发一场激烈的争论。我们能做的就是不断创新!

参考文献

来源:汽车材料网翻译整理,未经许可不得转载!


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