
認識:輕量化的意義
在“輕量化”成為近些年汽車制造商熱衷的關鍵字之際,車廠是如何為車甩掉贅肉減重?當代汽車為什么需要“減肥”?現在國內各大車企對于旗下車型的宣傳中,輕量化強調的不多,提的多的也多數是豪華車型,尤其是寶馬和奧迪,另外一點,國內消費者對輕量化的認知度并不高,關注點還是在動力、安全等傳統層面。汽車輕量化是指在維持原有品質指標的基礎上,針對性地減輕車身重量的各種汽車制造技術。可見,正規的輕量化技術跟偷工減料完全是兩碼事。
國外有實驗表明,若汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%;汽車整備質量每減少100公斤,百公里油耗可降低0.3—0.6升;汽車重量降低1%,油耗可降低0.7%。而在駕駛方面,汽車輕量化后其加速性能也將得到提高,而在剎車時由于慣性小,制動距離也將減少。此外,車輛每減輕100公斤,二氧化碳排放可減少約5克/公里。這些數據顯示出輕量化設計具備的三個優點:節油、減排、提升駕駛樂趣。眼下,主流汽車廠商重點采用輕量化材料以及結構輕量化兩種方式來為車輛“減肥”。
主流輕量化材料PK
碳纖維是一種高強度的輕質材料,并且汽車行業也早已使用CFRP碳纖維增強復合材料來打造高強度的輕量化部件。然而,要生產碳纖維增強復合材料,不僅工藝復雜,還很費時,即便擁有碳纖維材料,如何讓它跟其他金屬部件相粘合,又是一大難題,所以用碳纖維作為輕量化主要材料的多為豪華車和超跑。
優點:強度高,重量輕,可以采用粘結技術使得售后維修相當方便。
缺點:碳纖維是脆性材料,受力過大直接斷裂,因此損壞后基本無法修復;致命的是高昂的成本,例如雷克薩斯推出的全碳纖維車身和底盤的LFA,售價高達30萬-40萬英鎊。
應用案例:寶馬多款車型
寶馬對碳纖維的偏愛是顯而易見的,在自己車型上使用碳纖維已有10年歷史。旗下i3純電動車與i8混動跑車是目前為止唯一大規模使用碳纖維的民用車型。寶馬i系列的車身結構大面積采用碳纖維材料,其將碳纖維強化塑料復合組件拼合起來,組成一個Life模塊。例如i3的Life模塊就由150個碳纖維強化塑料組件組成。這種車型結構不但重量比鋼制減輕了,車身部件也減少了三分之二,此外,去年寶馬發售了M4 Coupe特別版,使用了碳纖維塑造的車身頂蓋,車尾分流器、尾部擾流器、前擴散器、后視鏡也均采用碳纖維。
鋁合金、鎂合金
另一類更有效的輕量化材料就是鋁合金、鎂合金、鈦合金等低密度、高強度的輕金屬材料。以儀表板金屬骨架為例,鎂合金制造的部件起碼能比純鋼制的輕65%,但受工藝所限,現在生產高強度合金材料的成本依然很高,通常只有豪華品牌舍得廣泛應用鋁合金和鎂合金材料。另外,由于化學性質的關系,鎂合金制的車身板件要比鋁合金制的貴不少,至于鈦合金更不便宜。
優點:質量輕、耐磨、耐腐蝕、彈性好、抗沖擊性能優、加工成型好、100%可回收。
缺點:抗承載能力較鋼有很大的差距,所以即使是市面上全鋁車身的汽車,其底盤一般仍然采用鋼鐵材料;制備工藝復雜,成本相對較高。
應用案例:福特、奧迪、捷豹、通用
在乘用車車身及部件上,用輕質的鋁合金替代鋼材,這并不是一件新鮮事,近幾年此替代趨勢的進程大大加快。路虎攬勝越野車、捷豹XE、大眾奧迪A8、奔馳CLA、通用雪佛蘭Corvette跑車等車身部分或全部采用鋁材料。新能源車方面,特斯拉Model S車型是全鋁車身,其前后懸架大部分材料也采用鋁材。一般來說車身重量占到整車重量的30%-40%左右,未來全鋁車身將是汽車輕量化的主要方向。
高強度鋼
高強度鋼是目前常用的輕量化材料,國際主流車型的車身材料中,各類高強度鋼所占的比例已超過70%。由于高強度鋼的剛度和強度都優于普通低碳冷軋鋼,故能通過減少鋼板厚度或鋼板截面尺寸來降低車身結構的重量。預計在未來3年內,車身高強度鋼板的用量將達到65%~70%,
優點:在抗碰撞性能、加工工藝和成本方面較鋁、鎂合金、碳纖維具有明顯的優勢,能夠滿足減輕汽車質量和提高碰撞安全性能的雙重需要。
缺點:鋼材強度越高的同時,塑性越低,對成型造成困難;減重效果比鋁合金和碳纖維略差。
應用案例:市場在售車型
高強度鋼板的性能、成本等方面的綜合因素決定了其仍是目前市場上受歡迎的輕量化材料,也是中低端乘用車輕量化材料的選。國際主流乘用車的車身高強度鋼比例已普遍達到近60%,日韓系在50%左右,歐系部分車型甚至超過70%,國內自主品牌乘用車目前也達到50%以上,部分在售車型和在研車型也都基本達到60%。
結構輕量化
改變結構能減輕重量?當然可以!舉個例子:從4缸發動機換成3缸發動機,就能去掉1個氣缸的“贅肉”。事實上,較之單純地采用輕量化材料,更多的制造商會結合優化結構來減輕重量,例如奧迪的ASF空間框架結構技術、大眾的MQB模塊化平臺、豐田的TNGA模塊化平臺等等,都是典型的結構輕量化技術。
所謂結構輕量化,倒不一定都如4缸變3缸那般,一味地減少零件數量,也可以把原先高度集成的部件分成多個輕質零件,同樣能實現輕量化。比如大眾EA111發動機的外罩是集成有濾清器的整體式鋁合金罩殼,但在EA211發動機身上,就變成兩個塑料件與一個裝有濾清器的鋁制件合成的分體式結構,雖有增加零件數量,卻能降低整個部件重量。此外,憑借小型化零件也可為整個部件減輕重量,比如日產XTRonIC CVT變速箱,一般來說,CVT變速箱的帶輪的直徑越大,傳動比就越大,傳動效果越好,而日產新一代XTRonIC CVT變速箱在采用小尺寸帶輪組和超扁平液力變矩器縮小變速箱體積,并減輕重量的同時,用一套緊湊的行星齒輪和離合器構成的副變速箱來分擔兩個擋位的動力傳遞,獲得的傳動比反而略超前代型號。
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