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轻量化的手段和效果如何

点击: 79 次  来源:http://www.freshstuff.cc 时间:2020-03-13

随着汽车节能减排的需求越来越严苛,轻量化已经成为各品牌在研发新车时非常重要的考量。而随着汽车的发展,车身尺寸不断增大、安全系数不断提高、配置越来越丰富、结构越来越复杂,又要保持合理的车重,并不是简单减去几块铁就能完成的事情。可以说,轻量化的手段和效果如何,真正体现了品牌之间的研发核心技术差距。

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在说到轻量化的手段之前,我们首先说说轻量化有什么用。

WHY 为什么

油耗降低

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对于轻量化的最直接效果来说,就是油耗的降低。按照现在比较认可的研究结果表明,一般汽车质量降低10%,燃油效率可以提升6%到8%;汽车质量每减少100公斤,百公里油耗可以降低0.3—0.5L。对于现在日益严格的环保要求,和消费者对油耗越来越敏感的情况下,有效降低车重可以明显提升车型的竞争力。

续航里程提升

对于电动车来说,续航里程可以说是生命线般的存在。一般而言,电动车的续航能力取决于车身上的电池容量大小,而电池容量大小又取决于电池的数量。因此续航较长的电动车电池通常较多,车身也更重。但是车身重量越重,行驶惯性越大,加速和刹车时需求电机提供的能量也就越大,电量消耗也越严重,缩短电动车的行驶续航里程。

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车身轻量化和电动车的续航能力有着非常密切的关系。

另外,传统燃油汽车随着里程的增加,燃油会逐渐减少,变相车重也会逐渐降低。但电动车并不会随着电量降低而降低重量,在电量电压都降低的情况下要推动依旧沉重的车身,耗能状况会进一步恶化。因此,减轻车身重量,对于电动车提升续航里程有相当积极的意义。

舒适性和操控性能提升

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一般而言,车身的质量越小,车身惯性也越低,操控时的动作可以更敏捷。另外,较轻的车身不需要用很硬的弹簧和避震去支撑,因此可以使用更软的底盘设定,吸震性能也会更好一些,乘坐更舒适。

HOW 怎么办

说到这里,大家都知道轻量化的好处了。不过轻量化并不是简单增减一些材料就能完事的事情。现在的车尺寸越来越大、配置越来越多、安全性要求也越来越高。在这个前提条件下去达成轻量化,就更有难度了。不过不少车企等都在寻求一些有效的轻量化手段,我们就去看看他们究竟是怎样做的。

替换轻量化材料

现在汽车白车身的生产材料,主流是使用低碳钢的冷轧钢板。低碳钢性价比较高,不过刚性不足,而且密度也稍大,于是不少车厂开始尝试使用各种材料来替代它。首选的就是高强度钢。高强度钢能够增加材料刚性,于是可以让板材更薄,使用原料更少,就自然能降低车重。当然了,这类高强度钢强度更高,但韧性不足,而且成本也较高,更适合用于一些关付刚性的关键部位。

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奥迪A8L采用了铝作为车架主要制造材料,不过关付结构强度的部分均使用了热成型钢。由于这种材料为专利产品,且价格非常昂贵,虽然性能极佳,但只会使用在关键部分。

另一种材料就是铝合金。现在不少车厂都开始寻求使用铝合金去代替传统的低碳钢作为白车身的制造材料。譬如奔驰、捷豹、奥迪、本田等等的品牌都曾经推出过全铝车身。相对于钢材,铝合金的韧性更好、密度更低,但刚性不足。因此现在更多的车厂也在寻求共同混用高强度钢和铝合金作为白车身的主要制造材料,以同时满足刚性、吸能和轻量化的需求。

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第一代NSX为日本第一台使用全铝车架的汽车,而第二代NSX也采用了全铝车架的设计。

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以运动基因著称的捷豹也坚持采用全铝车架设计。

而第三种材料就是各种复合材料的运用,简单说就是碳纤维、塑胶等化工材料的运用。首先说说碳纤维,这里先不说那些年产量只有十几二十台的碳纤维单体壳超跑,说说量产车型。最早使用碳纤维制造整个车架的应该就是BMW i3和i8。而在新一代的7系上,也使用了碳纤维制造车顶横梁结构以及B柱和C柱、底部侧围、中央通道和后部支撑。

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宝马i8和i3为宝马碳纤维车架的试验田。

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奥迪R8采用了全铝车架,不过在座椅背板、马鞍位和B柱的部分均使用了高强度的碳纤维构件。

除了宝马以外,第二代奥迪R8和第五代A8也采用了碳纤维作为车架材料之一。当然,还有不少品牌谋求采用碳纤维轮圈以降低簧下质量对性能的影响,其中包括福特、通用等企业。

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正所谓(轮下一公斤,轮上10公斤),减轻簧下质量对于行驶品质有非常大的飞跃,因此不少高端和性能品牌也开始研究使用碳纤维轮圈制品。图为也么GT350R使用的碳纤维轮圈,比一般同尺寸的铝合金轮圈轻40%,由澳洲Carbon Revolution提供,单只售价2万欧元。

同样的,不少品牌也在研究采用塑胶制造尾门。不过,碳纤维的制造成本比较昂贵,且如何和其他金属构件有效结合在一起也是一大难题。

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以前有Lotus Elan使用玻璃纤维制造车身外壳,后来有Smart使用塑胶制造车身外壳,都是一个字“轻”。

优化车身结构的轻量化设计

现在不少品牌都在开展新架构和新平台的研发。除了提升平台部件通用率,降低不同车型之间的生产成本以外,也能尽量优化平台的设计,其中轻量化也是一个重要的目标。

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丰田TNGA新架构,除了提高平台部件通用率,轻量化设计也是当中的一个重点。

新平台和新架构的开发可以大量采用模块化集成设计。不同模组部分进行结构拓扑优化,以减少无用材料、降低壁厚、减少零部件数量等,从而实现轻量化的目的。譬如丰田最新的TNGA架构,组件设计更加紧凑,重心下移,提升轻量化效果,最大程度的提高整车核心性能。同时使用大量通用化零部件,最初通用比例为20%至30%,最终将达到70%至80%。

运用先进的制造工艺技术

这里说的制造工艺本身并不能发挥轻量化的效果,不过提升了制造工艺,能够让材料和结构达到最佳的效果,就能采用上述的更轻量化的材料,和降低补强部件和降低材料使用量,以达到轻量化的效果。譬如采用激光拼焊、辊压成形保证整车结构的安全性。譬如凯迪拉克就采用独创的电阻电焊工艺,宝马等则用激光焊接等,实现钢铝焊接。

凯迪拉克创新的电阻电焊工艺可以实现较佳的铝合金焊接强度。

另外,采用高强度钢热成形、内高压成形等方式提升构件结构的力学性能。采用结构胶粘接、材料铆接等技术等,可以实现材质构件之间的高强度连接等。

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捷豹的全铝车架大量采用了铆接和胶粘技术。除了提供媲美焊接的连接强度以外,通过优化铆接部位,还能通过减少铆接点来缩减铆钉使用量,间接降低重量。

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宝马新7系车架使用了碳纤维座车顶横梁和门框部分的加强,不同材料使用了铆接的方法来连接。

这一切的生产工艺手段,可谓是一切轻量化手段实现的基础。譬如捷豹所使用的全铝车架,就使用了高强度胶粘和铆接等技术。

总结

可以说,现在轻量化已经成为不少车厂拉开技术差距的重要因素,而不少前瞻性较强的自主品牌也开始在轻量化上投入了极大的资金。北汽新能源建成了北汽新能源德累斯顿轻量化技术中心,在多材料轻量化整车、碳纤维复合材料关键车身、底盘零部件等领域进行研发;吉利集团则在铝合金、塑料运用和轻量化结构设计上已经逐渐接近欧洲主流水平。

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新能源的品牌新贵——蔚来纯电动SUV-ES8铝化率高达96.4%,其车身采用7003铝合金材料制造,底盘、悬挂、轮毂、刹车系统以及电池组外壳也都采用了铝合金材质,成为全球量产全铝车身中铝合金材料应用比例最高的车型,引领了全球汽车铝化率水平。可以说,轻量化将会成为未来汽车设计的主旋律。