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车身减重的技术难、评价难、应用难如何突破

2021-8-20 13:39 516 0 来自: 澎湃新闻
简介
【汽车碳中和】原标题:锚定“双碳”|车身减重的技术难、评价难、应用难如何突破交通领域作为仅次于电力热力系统的第二大碳排放源,汽车碳减排成为“双碳”目标约束下的关注焦点。据测算,一辆乘用车减重100公斤,燃 ...

【汽车碳中和】原标题:锚定“双碳”|车身减重的技术难、评价难、应用难如何突破

交通领域作为仅次于电力热力系统的第二大碳排放源,汽车碳减排成为“双碳”目标约束下的关注焦点。据测算,一辆乘用车减重100公斤,燃油效率将提高6%-8%,轻量化是实现汽车节能减排的重要手段。赛迪研究院规划研究所分析了当前汽车轻量化遇到的“技术难、评价难、应用难”三大难点,提出必须实现三个突破,即突破轻量化卡脖子技术、突破标准及评价体系通用性一致性难点、突破产业化应用“死亡谷”。

一、汽车轻量化面临“技术难、评价难、应用难”


(一)技术难:国际一流的汽车轻量化材料、工艺和结构设计技术鸿沟难以跨越

高端轻量化材料被美、俄、日等国掌控。

车用轻量化材料包括高强钢、轻合金、复合材料等。其中,铝合金碳纤维复合材料是目前国外高端车企车身制造的关注热点。从车用铝合金材料看,以美国、俄罗斯为代表,在汽车常用的2000系、5000系、6000系铝合金领域申请了大量牌号,形成了一定的专利霸权。中国在最近十年仅增加29个铝合金牌号,在汽车领域的成熟产品仅有6016与5182两种,其他仍未具备批量供货能力。从碳纤维复合材料来看,车用碳纤维在原丝、设备、制作工艺上都有相当高的标准,稍有不慎就会影响稳定性。目前高强度的碳纤维复合材料已被美、日两国企业垄断。美、日两国还在高性能碳纤维等领域形成同盟,共同研发并广泛应用。中国仅中复神鹰、江苏恒神等企业的碳纤维技术水平较高,能够达到车用材料强度。但与日本东丽、帝人以及美国赫氏等国际企业相比,产品性能差距明显。

轻量化材料焊接工艺被奥迪、宝马等高端车企控制。

相比国外车企,中国车企轻量化材料应用明显较少,目前仍以车轮、发动机缸体、缸盖等小型压铸件为主,车身及覆盖件的大规模应用受到制造工艺制约。迄今,仅有蔚来推出两款全铝车身的纯电动车型,红旗H9采用全铝底盘,其他大部分车企仅推出概念车,尚未实现量产。欧美发达国家在汽车轻量化进程上领先,重点在于其拥有较强的轻合金焊接和异种材料连接工艺。奥迪、宝马等高端车企都很重视先进焊接工艺的应用,比如,奥迪在新款A8上首次采用了铝合金电阻点焊、铝合金激光焊、MIG焊、摩擦焊元件焊接工艺等,全部车身连接工艺超过10种。宝马则在7系白车身上连接碳纤维复合材料、铝合金和高强钢三种材料,应用的成型技术超过7种,整车均衡减重130公斤。

国内车企轻量化正向设计追赶难度大。

整车轻量化是各个系统整体的减重,需要对风格、材料、工艺和技术进行前瞻部署、整体优化,是“牵一发而动全身”的正向设计,具有较大难度。目前,中国多数车企仍然聚焦于零部件轻量化设计,比如,奇瑞和长城汽车致力于发动机减重、吉利汽车与国外企业合作开展底盘降重研发工作,但针对整车的轻量化正向设计能力不足。虽然蔚来、奇瑞等车企推出了自己的轻量化汽车,但通常是参考了宝马、保时捷、特斯拉等车型的“逆向设计”,受制于标杆车限制,难以针对整体性能目标制定相应的技术路线。特斯拉、奥迪、宝马等车企非常重视正向整体设计,详细研究消费者需求,并与轻量化相关的车身结构、制造工艺、空气动力学、人机工程学等技术相结合,细化开发流程与同步开发手段。比如,特斯拉为降低Model 3的整体重量,采用一体化压铸工艺,用1-2个大型部件替代了过去70个拼接的部件,并为此修改电气化架构布局,从而提高了生产效率,降低了资金成本和时间成本。

(二)评价难:国内轻量化汽车数据、标准、评价体系的建设难以完善

轻量化材料数据库尚未打通。

尽管自主品牌车企在汽车轻量化上做出了很大努力,但相关材料性能数据的收集、整理和应用并不完善,与国外仍有较大差距。一方面,一些车企不是针对自身产品开发和设计相应的新材料数据库,而是过于依赖国外数据库的试验数据。由于国外材料牌号与国内有一定区别,且性能不一致,致使自身工艺数据收集不到位。另一方面,一些财力雄厚的大型车企通过购买大量其他品牌汽车做材料性能的拆解研究,建设周期长、研发成本高、重复工作多,造成了资源的消耗和浪费。国外很多车企选择以建立联盟、建设创新中心等方式强强联合,利用不同地区和领域的资源与渠道,在车辆轻量化研发和生产方面互相合作,提高研发费用使用效率,从而降低成本。比如大众北美公司加入美国“面向未来轻量化创新中心”,应用轻量化金属材料数据库进行研发,进一步提升了汽车的轻量化水平。

轻量化相关标准和评价体系缺乏。

汽车轻量化是一个新命题,全球都在探索轻量化技术的相关标准和评价体系。比如,宝马提出了轻量化系数标准,目前作为评价白车身轻量化水平的指标,被汽车行业普遍接受。进而提出了以整车名义密度评价整车轻量化水平。中国已形成团体标准《乘用车整车轻量化系数计算方法》及地方标准《纯电动汽车轻量化设计通用技术条件》等,但层次不高,国内实际推广应用标准的车企数量有限。在轻量化技术评价方面,国外通过举办国际会议的形式,定期更新汽车轻量化技术评价体系。比如,欧洲汽车车身会议(EuroCarBody)每年召开会议,对车身重量及材料占比、新材料应用、焊接点数量、车身结构创新的连接方式等设计进行讨论评价。目前在中国则尚未形成有影响力的评价体系。

(三)应用难:部分轻量化新技术、新材料在汽车产业链难以应用

高校院所科研与市场脱节,轻量化研究成果难转化。

近年来,越来越多的院校加入车企轻量化技术研发,产学研合作不断加深。但据反映,院校研究成果难以在产品上得到应用。这是现行考核体系下“重论文、轻转化”问题的表现。2019年度中国科技论文统计结果显示,中国热点论文数量继续保持世界第2位,增长率高达30%,但科研转化率尚不足5%。不少院校片面重视发表论文数量而非企业的真实需求,因此难以有的放矢。例如,中国汽车主机厂对铝合金型材的焊接主要以弧焊、激光焊为主,但一些院校为了方便论文发表,更多关注子搅拌摩擦焊等先进工艺,企业短时间难以应用。另一方面,院校不了解真实的市场需求,科研人员很难真正形成具有转化价值的研发成果,技术研发活动在立项阶段就可能与市场需求不一致。

企业出于成本、周期等考虑,全新技术或新材料难以应用。

一方面,由于技术不成熟,轻量化新材料、新技术研发、制造和加工成本高,短期内难以形成完善的产业链,应用成本明显上升。比如,碳纤维复合材料,仅原丝成本就高达100-130元/公斤,目前只在超跑、赛车等高端车型上实现了大规模应用。另一方面,产业应用周期长,不仅涉及汽车制造工艺的全面改进,还包括相关生产设备的调整、人员技能培训等。比如,奥迪1982年就提出了全铝车身设计项目,在之后的20多年,不断改进车身材质、焊接工艺和框架设计,并推出多款概念车。通过四次技术迭代,才实现车身结构逐步升级和车身重量显著降低。

二、解决汽车轻量化问题亟需实现“三个突破”


(一)加强材料、工艺、设计三方面研究,突破轻量化“卡脖子”技术

一是打破学科壁垒,形成系统性知识体系。通过优化学科设置、支持科学家合作等方式,打通材料科学、拓扑学、力学、成型技术等学科的界限,通过多学科融合,推动汽车轻量化问题从局部最优解达到全局最优解。二是整合行业资源,共同攻关工艺核心技术。用好国家科技攻关计划、产业基础再造、智能制造等工程和专项,整合院校、材料企业和车企等科研资源,采取揭榜挂帅、赛马等形式,攻关一批短板瓶颈、关键共性技术和工艺。三是优化技术路线,提升整车轻量化正向设计水平。

遵循汽车轻量化整车正向开发理念,研究制定科学合理的技术路线,通过技术对标和整体规划、汽车各系统协同轻量化设计、设定轻量化性能目标、形成轻量化模型和实施方案等,自上而下逐步分解开展结构设计、选材与工艺、装配与连接的轻量化。

(二)加强数据库和评价体系建设,突破通用性、一致性难点一是推动汽车轻量化数据库共享。

建议整合各大车企的企业级数据库,以及汽车轻量化技术创新战略联盟的汽车轻量化基础数据系统等现有数据库,参考军工主干材料数据平台方式,建立汽车轻量化主干材料数据库。研究建立数据库共享分成机制,规范轻量化材料和部件的研制与生产,满足车企选材用件的通用性要求。比如,规定凡承担由政府资金支持的科研和产业化项目,均须共享在项目研究、试验过程中形成的数据。二是完善汽车轻量化标准。建议进一步加强标准研发,推动地方标准、团体标准升级,对标国际标准,组织研制汽车轻量化设计、工艺、水平评估的国家标准。同时,加强降油耗、减排放等政策驱动作用,推动更多车企执行更高水平的轻量化标准。三是用好高端平台建立评价体系。

以汽车轻量化技术创新战略联盟等单位为主体,通过国际汽车轻量化大会等高层次平台,聚集国内外轻量化企业,展示汽车轻量化最新产品,开展汽车轻量化水平评估,把握前沿技术趋势。

(三)加强产业链上下游企业合作,突破产业化应用“死亡谷”一是丰富合作形式。

鼓励由汽车主机厂牵头发起,与钢铁、有色、碳纤维等企业开展战略合作,比如组建轻量化材料联合实验室、开展车型和样件开发合作、共建集中采购平台、共建零部件制造基地等,密切上下游技术对接和供需链接。二是强化联盟作用。汽车轻量化联盟是跨产业、跨学科机构,应进一步增强联盟的活力建设,切实发挥其组织共性技术开发、组织技术交流、开展产业研究、组织产学研合作等作用。三是加强政策引导。

用好首台套首批次保险补偿、创新产品政府首购首用等政策,引导国内轻合金、碳纤维、复合材料、先进成型工艺等突破市场瓶颈,让部分性能稳定、品质过硬的国产轻质材料以及国内首创的轻量化技术工艺等,优先用于汽车产业链。


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