新材料与工艺手册

[车身轻量化] 车身制造何去何从

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发表于 2016-2-21 15:22:04 | 显示全部楼层 |阅读模式

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怎样做才能作出正确的、适合的车身方案选择,尽可能让轻量化实现减重更多但成本更低呢?“成本分析的拓展性方法”提出了一种实现减重和成本最佳比例的优化材料选择方案。
        当今汽车行业所面临的不确定性及理念的差异性,比以往任何时代都来得猛烈。复合材料尤其是碳纤维增强塑料(CFK)开启了车身轻量化的新时代,然而怎样才是最优化的材料组合?未来车身制造路在何方?
        为此,PA咨询集团与其子公司PA完美整合-成本在线工具有限公司对当前已经引入市场的或者正在引入市场的材料及生产过程共同进行了研究,并从结果中导出了一种实现减重和成本最佳比例的优化材料选择方案。
        轻量化不是新话题
        轻量化与车身息息相关,无论是高贵的运动跑车,还是大型轿车、紧凑型轿车或者小型城市轻型汽车,要实现尽可能轻而刚并且更加安全的车身,各个厂商所主张的优化材料及连接技术策略也不一样。根据当前预测,新材料应用将继续保持良好的发展势头,但优化车身材料的方案受很多方面的影响(见图1)。那么实现最佳材料组合的正确方法是什么?这个问题很难回答,但新材料肯定是答案之一。
        轻量化并不是一个新的话题。以下是新材料方案的一些里程碑:1929年小奇迹汽车(DKW)的胶合板车身;1957年莲花Elite 概念车的玻璃纤维强化塑料单体壳;1981年迈凯轮MP4-1的车身首次使用碳纤维复合材料;1985年奥迪100的铝制车身立体框架;2013年宝马i3中实现了碳纤维复合材料车身的首次批量生产;2015年第一辆将出现“全”混合概念车身(金属、塑料加复合材料)。
        全球汽车市场的成本压力增大,因此必须为新材料方案加大生产流程产业化的步伐。正如20世纪80年代奥迪引领了合金钢及铝合金应用的潮流一样,宝马i3的“黑车身”已掀起了复合材料领域的新浪潮。
       

车身制造何去何从

车身制造何去何从

        竞争下的车身材料方案
        过去几年里,我们看到了材料领域大量涌现的研发成果。除了典型的钢、铝材料及其生产工艺的不断进步,车身制造领域的新材料方案尤其是复合材料也在市场上站稳了脚跟。人们再次就镁和不锈钢进行了深入探讨。可供使用的材料似乎从过去的小杂货铺发展成了大超市。在如此复杂的选择范围里,很多厂商创立了不同的车身材料方案,这些方案集不同的优势和理念于一身。
        然而随着可供选择材料方案的增多,必需具备的知识或作出正确决定的不稳定性也相应增多。不同方案不仅引出了有关重量、成本及性能的优化方案的疑问,而且也很自然地引出以下探讨:到底哪一种方案适合哪家生产商或者哪个平台/车型家族?当下并没有明确的答案,我们需要总览一下市场上现有的车身方案。从经典的钢结构、铝/钢混合结构或者纯铝结构,到“黑车身”都有拥护者。另外生产技术相关的要素也不一样。而且为了通过碰撞安全测试,还要从综合环境里考虑底盘等零部件,不过底盘新材料及应用的探讨还没有车身领域来得激烈。
        每辆车皆有自身的最佳点
        与每项优化无关,主要的尺寸值依然决定成本目标。车身构造的成本评估与一系列不同的作用参数相关,因此也复杂得多。需同时考虑的成本动因有:产量、类型、减重量、连接技术以及生产/装配/材料成本。它们的相互影响导致每种车型系列的最佳点也不一样。另一方面,要加大在焊装领域的投资。要想为每种车型系列配置不同的方案以实现完全的灵活性一般是不可行的。
        对车身结构的成本评估一般在一个阶段里完成,在这个阶段里普遍适用的材料方案方向已经成形。在后续时期会经常发现,该决定并没达到相关参数的最佳点。在新方案或新平台策略的探寻期里,成本评估对必需的经济性考虑负责,这些经济性考虑与众多不可衡量因素相关。然而正是在这一阶段,通过了解成本动因对总成本的影响以便能更好地树立方向,是很值得的。
       

车身制造何去何从

车身制造何去何从

        通往正确选择之路
        怎样做才能作出正确的、适合的车身方案选择,尽可能让轻量化实现减重更多但成本更低呢?“成本分析的拓展性方法”在这方面恰好证明了其优点。在对不同材料及结构方案的生产成本和材料成本进行详细分析的基础上,该方法能对已选择的框架参数例如产量、生产灵活度或生产场景进行计算,从而得出合适的车身材料方案论断。用该方法进行的首次试验显示了成本推断的重要意义,特别是从不同方案的产量相关角度考虑。
        未来就是这样轻
        在用于对车身不同材料方案进行成本评估的新方法基础上,不同车型和产量会有不同的解决办法,从而可以导出论断,在成本最低化情况下整车预期的减重量会是多少。该结果促使人们更认真考虑在材料组合方向上保持高度观望策略。如果该模型的论断被信任并且对优化车身材料方案的理解被传递,那么在一家车型品种包含A到D类的典型OEM汽车生产厂商里,在成本中立以及论断为每公斤减重成本5欧元的情况下,车身平均减重量能达到30%(见图2)。图3是一个虚拟的方案,可供预测参考。
        通过正确的工程开发及复合材料的设计,能贯彻发挥应用复合材料的轻量化潜力。更有意义的是,除了“面向制造的设计(DTM,Design to Manufacture)”及“面向成本的设计(DTC,Design to Cost)”,这里还可以应用“面向材料性能的设计”(DMP,Design to Material Performance)新方法。
        总结
        从这种分析所获取的结果能直接应用在实践中,帮助在确定车型方案早期作出正确的决定。尤其在应用新材料时,会面临如何使研发复合材料要求的挑战。原材料尤其是复合材料生产商必须在这个方面起重要作用。否则预计到的、必须实现的减重和节省成本潜力将不能实现。
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