新材料与工艺手册

欧洲OEM厂商的轻量化战略

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发表于 2015-9-22 00:00:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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在前不久Automobil Industrie杂志举办的“2015汽车工业轻量化峰会”上,德国的高档轿车生产商梅赛德斯-奔驰公司和宝马汽车,以及英国传统品牌汽车生产商捷豹公司和美国的大型汽车生产商福特公司等OEM厂商的代表们都展示了各自企业的轻量化战略。尤其是捷豹路虎公司(JLR),其高级车身技术经理Rebecca Hitch女士详细明确地介绍了自己的汽车轻量化产品攻势。JLR公司认为,推动汽车轻量化发展的重要动力则是CO2排放目标。
       

欧洲OEM厂商的轻量化战略

欧洲OEM厂商的轻量化战略

        戴姆勒公司汽车轻量化制造负责人兼材料和生产工艺部领导人Stefan Kienzle博士:我们的轻量化战略的重点仍是材料的轻量化

        JLR公司:多种轻量化材料的应用
        JLR公司的轻量化发展受到其他因素的重大影响。例如,大量的安全技术规定的功能、汽车消费者对新车型研发的希望和要求等。“我们的用户希望捷豹、路虎车型有着很高质量的内部配置,”Rebecca Hitch女士说道,“到目前为止,内饰类设备中娱乐设备的数量一直在增加,而它们增加的重量都必须通过汽车设计来平衡掉。另外,有碍于轻量化发展的另一个发展趋势就是人们希望未来的车辆越来越宽敞。”同时,Rebecca Hitch女士还表示,日益发展的电气化和电池组带来的更多的重量增加也是一个严峻的挑战。
       

欧洲OEM厂商的轻量化战略

欧洲OEM厂商的轻量化战略

        新型Jaguar XE系列轿车的轻量化车架

        Rebecca Hitch女士表示,车辆材料的选择在汽车轻量化中发挥着关键性的作用。在材料的选择方面,JLR公司明确地选择了铝合金材料。“这不是一个新的发展趋势,而是一条途径、一条英国人已经走了很长一段时间的路。准确地说,是自二战结束之后就开始踏上的、解决其他材料供不应求难题的征途。”Rebecca Hitch女士说道。从2003年开始,轻量化材料又重新在高档轿车的生产中得到了应用,例如在路虎揽胜系列中得到了广泛的应用。也就是从这一年起,中档捷豹Jaguar XE系列轿车中也开始使用了铝合金材料。
       

欧洲OEM厂商的轻量化战略

欧洲OEM厂商的轻量化战略

        JLR公司从多方面入手实现轻量化:仅全铝车身一项就比钢质车身减轻了40%的重量;而且,汽车的发动机也有减重潜力;再加上轻量化的铝合金材料铆接-粘接技术。OEM厂商也可以回收利用大部分的轻合金材料。
        坚持不懈进行轻量化的成功实例当属今天的路虎揽胜系列:与原车型相比较,使用铝合金材料后汽车的质量减少超过400 kg。Rebecca Hitch女士表示,为了更多地减轻车辆的重量就要采用碳纤维材料。但碳纤维材料的成本和价格却是很大的问题,致使这种材料只能在小范围内得到应用。例如,JLR公司能够利用铝合金材料比钢材减重40%,所付出的费用仅翻了一番;而大面积采用碳纤维材料则需要付出的成本和费用增加十倍,而重量却只能比铝合金材料减轻30%。因此,Rebecca Hitch女士明确地说道:“面对这样高昂的成本和费用,人们还要在碳纤维材料方面做许多工作。”
       

欧洲OEM厂商的轻量化战略

欧洲OEM厂商的轻量化战略

        JLR公司与供应商有着明确的分工。“供应商是各个专业领域的专家,我们只是把这一切组合到一起。”Rebecca Hitch女士说道。这里,需要的是低成本、高效益的解决方案。对此,英国人认为他们的供应商能够找到把铝合金和钢材更好地结合在一起、生产制造车架的解决方案。另一些需要相互合作的因素包括全球的供货能力、零件集成、积极应对CO2排放的挑战,以及通过供应商引进、使用新材料及新的生产工艺技术。
        戴姆勒公司:材料轻量化战略
        梅赛德斯-奔驰公司在当前车型系列中也有着类似的减重成果。例如,奔驰C级轿车中的W205系列首次成功地比原车型减轻了重量。戴姆勒公司汽车轻量化制造负责人兼材料和生产工艺部领导人Stefan Kienzle博士在介绍新型奔驰C级轿车的减重成果时说道:“我们的轻量化战略的重点仍是材料的轻量化,但是材料技术和汽车生产制造技术之间的竞争将更加激烈。”
        “就戴姆勒公司的看法,一般来讲通过材料轻量化可以实现汽车减重70%,轻量化的汽车结构方案又可以再减重20%,生产制造工艺技术中的轻量化,如新的连接技术方法也能够再减重10%。”Stefan Kienzle博士补充道,“今天,汽车制造可用的材料明显地增多了。不同材料的主要特性决定了它的不同应用。”戴姆勒公司将会继续使用钢材,例如汽车立柱等。
        根据戴姆勒公司从2004年开始的McLaren SLR车型项目中积累的经验,Stefan Kienzle博士认为,汽车最大的减重潜力是碳纤维合成材料的应用。他说道:“这是我们这个时代最诱人的材料,只是CFK碳纤维增强材料目前的价格太高。经济性是其推广应用的瓶颈是之一。”
        Stefan Kienzle博士给出了CFK碳纤维合成材料能够让人接受、成为有意义的替代材料的价位——最高20欧元/ kg,事实上今天还差得很远。作为发展方向,在具有可比性的应用中,铝合金材料的价格约为8欧元/ kg,钢材的价格为3欧元/ kg。只有在CFK碳纤维合成材料的价格进入“轻量化材料的范围”内时,才能够开始在涉及到刚性和碰撞的车辆部位中使用。但Stefan Kienzle博士也指出,CFK碳纤维合成材料不能在外部蒙皮中使用。
        跟JLR公司的专家一样,来自戴姆勒公司的研发领导人Stefan Kienzle博士也认为越来越多的电气化是汽车轻量化面临的严峻挑战。“电动汽车中,空气动力学的影响也成比例地增加了。”因此,Stefan Kienzle博士对汽车轻量化的评价是三个权重的三重奏——除三维人体工程之外,还包括了空气动力学和安全性。
        福特公司:轻量化材料及混合制造概念
        汽车轻量化不仅仅是高档轿车关注的话题。大批量生产的汽车制造企业,例如福特公司也有着清晰的轻量化战略。这家美国的OEM厂商也像JLR公司一样,有着悠久的轻量化制造历史:从福特老爷车Model T就已经开始了。那时的工程师们就成功地在第一代和第二代车型间把钢材的重量减轻了16%。
        据福特公司材料方案的技术领导人兼车辆技术和材料部领导人Jürgen Wesemann博士介绍,今天福特公司也利用了不同的材料制造汽车。除了在福特Focus系列中使用了高强度钢材之外,也在福特F150型车中采用了铝合金材料——使F150成为第三种混合材料制造的车型。
        作为大批量生产车辆的实例,Jürgen Wesemann博士列举了车架结构中使用的热成形钢,例如Galaxy和S-Max车型中的车架。从2006年开始,福特公司就在这些车型中采用了标准的钻孔型钢技术,大大地减轻了B立柱的重量。这一技术的进一步开发和利用开始于2011年,Focus型轿车中热成形的连续变截面辊轧板再次把每辆车的质量减轻了1.4 kg。
        福特公司也没有回避铝合金材料的应用,例如,他们在轻量化铝合金材料的发动机缸体方面积累了丰富的经验。此外,全铝合金车架是这一品牌轿车的一个里程碑,例如1998年的福特 P2000和它的承载式铝合金车架结构设计方案。最后,福特公司还在其畅销的F150 Truck车型中也大量地使用了铝合金材料。据Jürgen Wesemann博士介绍,这款车型的重量明显地低于典型的高档车。
        除了铝合金材料之外,福特公司的混合制造方式还有其他选项。2014年福特公司展示了一种简称为“MMLV”的多材质轻量化概念车,那是一款当时混合使用的材料种类最多的车型。据Jürgen Wesemann博士介绍,通过这一方案,使得福特Fusion车型的重量减轻了24%。它所使用的混合材料包括钻孔型钢、钢材、铸铝、铝合金型材以及深冲压铝合金零件等。
        Jürgen Wesemann博士认为,CFK碳纤维合成材料在大批量汽车生产中的应用还有一些障碍,例如很高的价格、可用性和生产制造工艺等。在生产制造工艺技术方面,福特公司正在与合作伙伴协作攻关。
        Jürgen Wesemann博士认为,从大批量车架生产方面来看,钢材、铝材、钢-铝混合结构、金属材料、合成材料,以及包括碳纤维合成材料在内的混合制造方式是汽车制造材料的未来。但他也强调指出,“钢材始终像以前一样在车辆制造中扮演着非常重要的角色”。
        与宝马公司结盟的供应商
        宝马公司轻量化车架制造部门的领导人Johannes Staeves博士则表示:“少一点自己的战略,相反地,沿着供应商的价值增值链进行考察。”他对供应商企业定位提出了具体的建议,只有创新优先型或者成本优先型的供应商才能取得成功。在这两种类型中间,则很难正常地实现盈利。“但是,往往还会有一些非常聪明的、接近‘成本优先型’的解决方案。换言之,接近于‘创新优先型’的‘成本优先型’的解决方案。此时,如何把握合适的度,以及在什么地方投入多少,这是一个巨大的挑战。宝马公司和供应商都会遇到这样的挑战。”Johannes Staeves博士解释道。
        重量优化在宝马公司的地位到底有多重要呢?宝马公司把汽车研发工作分成了五大创新领域足以说明问题:高效动力、轻量化、电力驱动、联网驾驶和情感体验。据Johannes Staeves博士介绍,宝马公司在轻量化方面进行了非常多的投入,包括碳纤维材料和其他材料的研究。
        在谈到与供应商的合作时,Johannes Staeves博士也明确地提出了自己的建议和意见。从整车设计出发,必须按照OEM厂商的需求为主导进行创新开发。“宝马公司清楚地知道,我们需要什么,什么需要修改,供应商的重点应是什么。”Johannes Staeves博士说道,“另一方面,宝马公司也希望供应商加大技术的研发创新。”
        一般来讲,根据现有车型和新设计的车型开发创新性的结构布局方案,是汽车轻量化的第一个任务。整车的承载结构应分布合理,但也应重新优化设计一些零件和部件。此时,是现有车辆制造材料的进一步开发、新型碳纤维材料研发和混合结构制造系统研发的大好时机。
        “仅考虑材料替代和传统的材料竞争是不够的,这里更多地需要革命性的解决方案。” Johannes Staeves博士解释道。通过“材料的合作”,例如利用合成材料,人们应该开拓出新的物理作用机制,通过混合结构制造扩展材料的性能特征。
        另外,OEM厂商和汽车零部件供应商也都有必要开发能够集成到现有生产系统中的汽车生产制造技术新方案。新方案应具有足够的灵活性,以便能够根据当前车型布局的变化、制造方式的变化和使用材料的变化实现新的经济效益。作为实例,Johannes Staeves博士列举了混合结构车型制造中的连接技术。
        总结
        不同OEM厂商给出了各自不同的轻量化发展战略。高档轿车生产厂商的轻量化战略都聚焦在性能可靠的轻量化材料上,如铝合金材料的应用。同时,他们也辅助性地提到了一些新型轻量化材料,如碳纤维合成材料,不过这些材料由于目前成本太高还不适于在大批量生产中使用。对于大批量生产的OEM厂商而言,在轻量化和大批量生产的产量之间找到一个经济的平衡点始终是一个非常重要的问题。高档轿车和中档轿车两大汽车集团阵营都敦促他们的供应商“积极主动地参与轻量化材料和技术的创新开发”。
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