拆解寶馬7系，碳纖維CFRP與鋁合金的輕量化之旅
在i3與i8之后，寶馬正在逐步將碳纖維與鋁合金更多的應用到新車型之上。
寶馬正在積極推行“多材料”結構，例如純電動汽車“i3”和插電式混合動力車“i8”采用了CFRP（碳纖維強化樹脂）制駕駛室組合鋁合金制車體下部的車身。2015年6月發布的新款“7系”，則是新一款實現了多材料化的車輛。其車體骨架中融合了CFRP、鋁合金和鋼板，采用了新的輕量結構。下面就來看看其中的新技術。
利用CFRP減輕重量、提高剛性
多材料結構的目的是，通過將各類材料運用在適合的部位，實現車體的輕量化。為了讓以鋼板為主的傳統車體骨架大幅減輕重量，這項技術從很早以前就被看好。
歐洲的汽車企業順應這個潮流，在骨架中采用鋼板與鋁合金相結合的結構的車輛越來越多。而對于CFRP，除了部分高級跑車外，并沒有全面推廣。
這一次，寶馬新開發了車身結構，7系除了鋼板和鋁合金外，還積極采用CFRP作為骨架的加固件。
基本骨架采用鋼材，但A柱的內部等部位使用了CFRP部件，通過提高剛性和強度，減輕了車體重量。使用傳統的單體車身，并實現了CFRP等多材料結構的例子非常少見。
寶馬將這種采用了CFRP的車體設計技術稱作“Carbon Core”。之所以這樣命名，是因為在鋼板制成的封閉截面的內側，插入了CFRP制作的芯材，詳細情況將在后面介紹。
設置在骨架上的標牌
7系在德國的丁戈爾芬（Dingolfing）工廠生產。這里也為勞斯萊斯（Rolls-Royce）生產鋁車體，負責寶馬產品的傳動系統及底盤部件的制造。CFRP部件也由該廠生產，在細致的品質管理之下，使用機器人組裝車體。
寶馬為新款7系提出的技術主題是“Efficient Light Weight”。7系在充實了安全裝備等的同時，整車重量較上一代車型減輕了130kg，車體骨架減輕約40kg。不僅利用CFRP部件實現了輕量化，還以駕駛室部分為中心，強化了抗彎性和抗扭剛性。
據寶馬介紹，從原材料的生產到報廢時的回收利用，整個生命周期的二氧化碳排放量比上一代減少了約25％。
下面就以車體骨架為中心，逐一看一看采用CFRP部件的具體部位。在車體骨架上，黑色部分采用的是CFRP，銀色部分是鋁合金，灰色部分是高張力鋼板。在7系上，室內與行李艙的隔斷、C柱的加固件采用了CFRP。
采用多材料結構的車身骨架
CFRP在車頂周圍的采用比較突出，這估計是為了減輕駕駛室頂棚的重量并降低重心。寶馬在車體中次采用CFRP，是2003年推出的“M3 CSL”（E46型）的車頂。
車體采用的CFRP由3種成型方法制成。先是引人注目的車頂縱梁，將CFRP作為了中空封閉截面結構的芯材。CFRP芯材的長度不到3m，為一體成型，周圍覆蓋著鋼制表皮。通過使該部件貫穿車體上部，為輕量化和剛性強化作出了貢獻。
車頂縱梁使用CFRP加固（沿左右連接車頂前端與車頂梁內側的加固件）
作為加固件使用的是罩在鋼梁之上、橫在車頂前端和車頂后部的CFRP板（頂梁）。連接B柱、橫跨車頂的頂梁，則采用具有封閉截面結構的CFRP部件。這種封閉截面結構的頂梁通過兩端安裝的鋼支架，與車頂縱梁接合。
擴大鋁合金部件的采用
不只是車頂周邊，CFRP部件在其他地方也很多。作為車體骨架的加固件，CFRP板被用在B柱、C柱、側梁（4處）。這也可以說是這種車體結構的一個特點。
CFRP板被鉚接在B柱上起加固作用，C柱則與SMC（Sheet Molding Compound）板鉚接在了一起。SMC是熱固性樹脂含浸于碳纖維中制成片材后，使用沖壓機進行加壓和熱固化制作的預浸材。
C柱的加固件
C柱上的SMC可以回收利用，車內和行李艙的隔斷也使用了這種材料。門檻梁通過內置方形的CFRP部件，在強化剛性的同時還有助于減輕重量。
地板方面，為了強化剛性并減少變速箱傳來的振動等，在通道配置了CFRP加固件。該加固件巍〕形，罩在通道上。
通道的加固件
板材估計是采用RTM（樹脂傳遞模塑）方式成型的。RTM是在模具內事先疊層碳纖維片材，然后注射熱固性樹脂的工藝。這時要同時注射硬化劑，通過使浸入碳纖維縫隙中的樹脂凝固，便可制作出想要的形狀。這種工藝的特點是成型只需要幾十分鐘時間，速度比較快，i3車體的絕大部分都采用了這種方法。
在其他部位，前輪罩內的支架也通過與鋁合金制前側梁接合的形式，使用螺絲固定CFRP板進行了加固。
圖8：前輪罩內側的支架
采用鋁合金部件是比較常用的輕量化技術，新款7系從車體前端的碰撞吸能盒，到發動機罩、車門飾板和行李艙蓋，車體的主要構件都采用了鋁合金。
主要的應用部位包括發動機固定件、后門檻梁、門鎖扣板、保險杠支撐梁的支架等。在正面沖撞時用來吸收沖擊的結構件更是大量采用鋁合金。
再利用性方面，7系使用的鑄鋁制品的50％是二次使用材料。在采用CFRP的同時，使用可回收利用的鋁制部件，可見是為了減少生產中的能耗。順便一提，7系的車門內飾和行李艙蓋的內襯在寶馬品牌車型中，次采用了可回收利用的天然材料大麻槿。
懸掛部件也大量使用鋁合金部件。前后的彈簧支持部采用的是鋁合金鑄件。除此之外，輪轂架、制動鉗、制動盤、橫臂等也使用了鋁合金部件，左右著乘坐舒適性等動態性能的簧下重量，比上一代減輕了約15％。
懸掛上方的安裝部分為鋁合金鑄件
鋁合金部件（從左至右：輪轂架、制動鉗、制動盤、輪轂軸承、橫臂）
上代7系的制動鉗由鋁合金和鋼制的2種部件構成，夾住剎車片的部分為鋼制。而新7系的制動鉗全部采用鋁合金，實現了輕量化。而且，鋼制的輪轂軸承也改進了形狀，通過去掉功能上多余的部分減輕了重量。
制動鉗的比較：左側的以往產品在鋁合金的基礎上，局部使用鋼材；右側的新開發品全部采用鋁合金材料
輪轂軸承的比較：鋼制部件也實現了輕量化，與以往產品（左）相比，新開發品（右）去掉了螺母周圍多余的部分。
寶馬強調，懸掛的輕量化不僅能實際減輕重量，幫助提高燃效，還能發揮出提高乘坐舒適性的效果?？梢哉f，7系采用的輕量化技術指明了該公司未來開發的方向，估計還會用于今后推出的其他車型。
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寶馬正在積極推行“多材料”結構，例如純電動汽車“i3”和插電式混合動力車“i8”采用了CFRP（碳纖維強化樹脂）制駕駛室組合鋁合金制車體下部的車身。2015年6月發布的新款“7系”，則是新一款實現了多材料化的車輛。其車體骨架中融合了CFRP、鋁合金和鋼板，采用了新的輕量結構。下面就來看看其中的新技術。
利用CFRP減輕重量、提高剛性
多材料結構的目的是，通過將各類材料運用在適合的部位，實現車體的輕量化。為了讓以鋼板為主的傳統車體骨架大幅減輕重量，這項技術從很早以前就被看好。
歐洲的汽車企業順應這個潮流，在骨架中采用鋼板與鋁合金相結合的結構的車輛越來越多。而對于CFRP，除了部分高級跑車外，并沒有全面推廣。
這一次，寶馬新開發了車身結構，7系除了鋼板和鋁合金外，還積極采用CFRP作為骨架的加固件。
基本骨架采用鋼材，但A柱的內部等部位使用了CFRP部件，通過提高剛性和強度，減輕了車體重量。使用傳統的單體車身，并實現了CFRP等多材料結構的例子非常少見。
寶馬將這種采用了CFRP的車體設計技術稱作“Carbon Core”。之所以這樣命名，是因為在鋼板制成的封閉截面的內側，插入了CFRP制作的芯材，詳細情況將在后面介紹。
設置在骨架上的標牌
7系在德國的丁戈爾芬（Dingolfing）工廠生產。這里也為勞斯萊斯（Rolls-Royce）生產鋁車體，負責寶馬產品的傳動系統及底盤部件的制造。CFRP部件也由該廠生產，在細致的品質管理之下，使用機器人組裝車體。
寶馬為新款7系提出的技術主題是“Efficient Light Weight”。7系在充實了安全裝備等的同時，整車重量較上一代車型減輕了130kg，車體骨架減輕約40kg。不僅利用CFRP部件實現了輕量化，還以駕駛室部分為中心，強化了抗彎性和抗扭剛性。
據寶馬介紹，從原材料的生產到報廢時的回收利用，整個生命周期的二氧化碳排放量比上一代減少了約25％。
下面就以車體骨架為中心，逐一看一看采用CFRP部件的具體部位。在車體骨架上，黑色部分采用的是CFRP，銀色部分是鋁合金，灰色部分是高張力鋼板。在7系上，室內與行李艙的隔斷、C柱的加固件采用了CFRP。
采用多材料結構的車身骨架
CFRP在車頂周圍的采用比較突出，這估計是為了減輕駕駛室頂棚的重量并降低重心。寶馬在車體中次采用CFRP，是2003年推出的“M3 CSL”（E46型）的車頂。
車體采用的CFRP由3種成型方法制成。先是引人注目的車頂縱梁，將CFRP作為了中空封閉截面結構的芯材。CFRP芯材的長度不到3m，為一體成型，周圍覆蓋著鋼制表皮。通過使該部件貫穿車體上部，為輕量化和剛性強化作出了貢獻。
車頂縱梁使用CFRP加固（沿左右連接車頂前端與車頂梁內側的加固件）
作為加固件使用的是罩在鋼梁之上、橫在車頂前端和車頂后部的CFRP板（頂梁）。連接B柱、橫跨車頂的頂梁，則采用具有封閉截面結構的CFRP部件。這種封閉截面結構的頂梁通過兩端安裝的鋼支架，與車頂縱梁接合。
擴大鋁合金部件的采用
不只是車頂周邊，CFRP部件在其他地方也很多。作為車體骨架的加固件，CFRP板被用在B柱、C柱、側梁（4處）。這也可以說是這種車體結構的一個特點。
CFRP板被鉚接在B柱上起加固作用，C柱則與SMC（Sheet Molding Compound）板鉚接在了一起。SMC是熱固性樹脂含浸于碳纖維中制成片材后，使用沖壓機進行加壓和熱固化制作的預浸材。
C柱的加固件
C柱上的SMC可以回收利用，車內和行李艙的隔斷也使用了這種材料。門檻梁通過內置方形的CFRP部件，在強化剛性的同時還有助于減輕重量。
地板方面，為了強化剛性并減少變速箱傳來的振動等，在通道配置了CFRP加固件。該加固件巍〕形，罩在通道上。
通道的加固件
板材估計是采用RTM（樹脂傳遞模塑）方式成型的。RTM是在模具內事先疊層碳纖維片材，然后注射熱固性樹脂的工藝。這時要同時注射硬化劑，通過使浸入碳纖維縫隙中的樹脂凝固，便可制作出想要的形狀。這種工藝的特點是成型只需要幾十分鐘時間，速度比較快，i3車體的絕大部分都采用了這種方法。
在其他部位，前輪罩內的支架也通過與鋁合金制前側梁接合的形式，使用螺絲固定CFRP板進行了加固。
圖8：前輪罩內側的支架
采用鋁合金部件是比較常用的輕量化技術，新款7系從車體前端的碰撞吸能盒，到發動機罩、車門飾板和行李艙蓋，車體的主要構件都采用了鋁合金。
主要的應用部位包括發動機固定件、后門檻梁、門鎖扣板、保險杠支撐梁的支架等。在正面沖撞時用來吸收沖擊的結構件更是大量采用鋁合金。
再利用性方面，7系使用的鑄鋁制品的50％是二次使用材料。在采用CFRP的同時，使用可回收利用的鋁制部件，可見是為了減少生產中的能耗。順便一提，7系的車門內飾和行李艙蓋的內襯在寶馬品牌車型中，次采用了可回收利用的天然材料大麻槿。
懸掛部件也大量使用鋁合金部件。前后的彈簧支持部采用的是鋁合金鑄件。除此之外，輪轂架、制動鉗、制動盤、橫臂等也使用了鋁合金部件，左右著乘坐舒適性等動態性能的簧下重量，比上一代減輕了約15％。
懸掛上方的安裝部分為鋁合金鑄件
鋁合金部件（從左至右：輪轂架、制動鉗、制動盤、輪轂軸承、橫臂）
上代7系的制動鉗由鋁合金和鋼制的2種部件構成，夾住剎車片的部分為鋼制。而新7系的制動鉗全部采用鋁合金，實現了輕量化。而且，鋼制的輪轂軸承也改進了形狀，通過去掉功能上多余的部分減輕了重量。
制動鉗的比較：左側的以往產品在鋁合金的基礎上，局部使用鋼材；右側的新開發品全部采用鋁合金材料
輪轂軸承的比較：鋼制部件也實現了輕量化，與以往產品（左）相比，新開發品（右）去掉了螺母周圍多余的部分。
寶馬強調，懸掛的輕量化不僅能實際減輕重量，幫助提高燃效，還能發揮出提高乘坐舒適性的效果?？梢哉f，7系采用的輕量化技術指明了該公司未來開發的方向，估計還會用于今后推出的其他車型。
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