材料輕量化的“三駕馬車”

 

　　基于結(jié)構(gòu)和制造工藝的積累與進步，新材料的使用呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展，綜合來看，可以將其形象化為“三駕馬車”。

 

　　超高強度鋼

 

　　在低碳鋼鋼板基礎(chǔ)上，采用不同強化機制得到高強度鋼板，并利用高強度特性，在保證車身機械性能的前提下，減薄厚度，進而降低汽車質(zhì)量。有研究表明：當鋼板厚度分別減小0.05mm、0.1mm、0.15mm時，車身質(zhì)量可分別減少6%、12%、18%。

 

　　以沃爾沃為例，S60長軸版在車輛A、B、C柱、側(cè)面防撞梁、底盤加強梁、后保險杠等這些關(guān)鍵部位，超高強度硼鋼使用率為37.6%，白車身重量僅為321Kg，而在同尺寸車型中，白車身重量一般在350~400Kg。

 

　　相比高強度硼鋼，熱成型鋼的使用更為主流，將鋼板經(jīng)過950℃高溫加熱之后一次成形，再迅速冷卻淬火，屈服度可達1000Mpa之高，車身重量保持不變時，承受力可提高30%。現(xiàn)在熱成型鋼板的使用已經(jīng)下探到10萬級別以下車型中，多集中在A、B柱上，在更高價格的汽車上，也逐漸應(yīng)用于中通道、底盤橫梁、縱梁等部位。

 

　　鋁合金

 

　　鋁合金密度小、比強度和比剛度高、彈性和抗沖擊性好，還耐腐蝕，剛開始應(yīng)用于發(fā)動機罩和行李箱蓋，后被廣泛用于汽車車身及底盤。按照使用區(qū)域來劃分，主要應(yīng)用在車架及大型鋁合金型材件、前后防撞梁、車門外板等覆蓋件及底盤傳動部分零部件全鋁化三個方向。

 

　　現(xiàn)在很多A級車也會用鋁合金取代傳統(tǒng)的鋼制覆蓋件，比如別克新英朗的發(fā)動機蓋就是鋁制結(jié)構(gòu)。而對于底盤部件的優(yōu)化，鋁合金不僅能夠減輕簧下質(zhì)量，還能有效降低車重，可謂一舉兩得。

 

　　以奧迪A8L為例，其采用的空間框架結(jié)構(gòu)(ASF)是由22%的擠壓成形鋁合金件、35%的高精真空鑄造鋁件、35%的液壓成形鋁合金板材和8%的強化鋼材組成。

 

　　考慮到車身骨架是由鋁質(zhì)的擠壓型材和壓鑄零件構(gòu)成，焊接工藝采用激光焊接和沖鉆鉚接，白車身質(zhì)量只有241kg，較傳統(tǒng)鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)車身具有40%的輕量化優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)剛性與抗扭強度較上代產(chǎn)品提升了25%。這種工藝還使用在TT、R8等眾多量產(chǎn)車型上。

 

　　鋁合金相比超高強度鋼，在輕量化上優(yōu)勢明顯，原材料成本上差距也不大，但鋁合金材料的加工和焊接成本對傳統(tǒng)的制造工藝要求高，設(shè)備和技術(shù)的升級使得相當一部分廠家很是頭疼。而且鋁合金材料在修復(fù)問題上還沒有明顯進展，這將直接導(dǎo)致高額的維修成本。

 

寶馬BMW7的C柱加固件

 

　　復(fù)合材料主要指碳纖維增強復(fù)合材料，它比鋁輕30%、比鋼輕50%，強度卻是鋼的7~9倍。早在20世紀80年代，碳纖維就開始應(yīng)用于航空等高精尖領(lǐng)域，其下放到民用級汽車上還是在21世紀以后。

 

　　自2003年寶馬E46M3CSL的車頂開始使用碳纖維開始，BMW車輛上很多零部件都用了碳纖維，例如發(fā)動機支撐桿、傳動軸、后視鏡等。得益于陶氏復(fù)合材料結(jié)構(gòu)膠注射粘接技術(shù)，全新BMW7系的車體框架中，碳纖維增強復(fù)合材料被用于加固車頂橫梁結(jié)構(gòu)以及B柱和C柱、底部側(cè)圍、中央通道和后部支撐。相比上一代車型，全新BMW7系最大減重達130kg。

 

　　以上復(fù)合材料是作為加強件而存在的，這相當考驗復(fù)合材料和鋼材或鋁合金之間的連接技術(shù)，也提升了膠結(jié)或鉚接技術(shù)在這方面的應(yīng)用前景。此外，BMWi系列采用的全碳纖維車身設(shè)計則更為直接，碳纖維零件的預(yù)成型模具可由多個接合在一起，來生產(chǎn)表面積較大的碳纖維部件，最終通過特殊的粘接劑組裝。

 

　　不同于碳纖維材料，工程塑料用于替代汽車上的有色金屬及合金部件，其剛性大，電絕緣性好，能在較寬的溫度范圍內(nèi)承受機械應(yīng)力，還能在苛刻的化學物理環(huán)境中使用。玻璃鋼(FRP)、ABS、PVC、PA等都屬于這個范疇，以玻璃鋼為例，可用于制造保險杠、艙門板、翼子板、儀表臺等。目前在汽車上，非金屬材料占26%~28%，塑料占9%，仍有相當大的提升空間。

 

　　事實上國外發(fā)達國家已經(jīng)將汽車中塑料的占比來衡量汽車制造和設(shè)計水準。以汽車工業(yè)大國德國為例，每輛汽車使用塑料制品為300Kg，約占汽車材料消耗總量的22%，相比2000年，發(fā)達汽車國家的塑料平均使用量僅為120Kg(世界平均水平為105Kg)，可見發(fā)展速度迅猛。而在2010年，中國每輛汽車平均塑料用量才為70千克，還不及發(fā)達國家十年前的水平。

 

　　雖然我們把各項技術(shù)單拎出來談，但汽車輕量化材料的發(fā)展并不是單打獨斗，比如奧迪A8L在ASF車身結(jié)構(gòu)中還加入了鎂合金(頂吧)以及CFRP碳纖維增強塑料(后壁板)，凱迪拉克CT6采用了鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)(鋁合金比例64%)等，奔馳GL級的發(fā)動機支架采用了巴斯夫聚酰胺材料(塑料件)。合理利用各種材料的特性，并結(jié)合對應(yīng)汽車部件的功能，就目前來說更加可取。

 

　　輕量化材料與自動駕駛

 

　　新時代下，汽車輕量化和汽車安全性之間的聯(lián)系變得越發(fā)緊密。隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車整體安全性必然會有提升，輕量化技術(shù)可以從中獲得更多的可能性，我們不再需要一味加強車身來提高碰撞安全。

 

　　基于新形式下的需求，低速電動車采用的一次成型整體車身優(yōu)勢明顯。通過滾塑整體成型工藝，能一次性制備出具有復(fù)雜曲面的大型或者超大型的中空塑料制品。很多一體成型車身采用內(nèi)置鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)或添加強化材料如玻璃纖維等來增強車身的結(jié)構(gòu)強度，這正好滿足了轎車車身體積大、外觀線條流線、曲面圓滑的要求。

丹麥節(jié)能電動車ECOmoveQBEAK。

 

　　以丹麥節(jié)能電動車ECOmoveQBEAK為例，車身尺寸為3,000×1,750×1,630mm，整車質(zhì)量僅為425Kg。而同尺寸的傳統(tǒng)轎車車身重量基本在1,000千克以上，即使是尺寸更小的Smart，車身尺寸2,695×1,663×1,555mm，整車質(zhì)量也有920-963千克。

 

　　將來的汽車必然會向質(zhì)量更輕、加工更加簡便的工程塑料方向發(fā)展。不僅是從廠家角度考量，對于用戶來說也是如此。技術(shù)優(yōu)化后，傳統(tǒng)轎車的承載式車身結(jié)構(gòu)也會被打破，取而代之的是無骨架車身結(jié)構(gòu)，這種類似于F1賽車所采用的碳纖維單體殼式車身結(jié)構(gòu)，采用了仿生原理，安全性更高、內(nèi)部空間更大。

 

　　小結(jié)  

　　不論是諸如沃爾沃這樣的保守派，還是寶馬這樣的激進派，都在自己專注的領(lǐng)域突破著，“三駕馬車”還遠沒有達到各自的頂峰。在更遠的未來，隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的發(fā)展與成熟，輕量化材料的格局可能會變化，工程塑料和復(fù)合材料的使用會更加普遍。