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勾勒未来汽车行业,汽车轻量化启领未来
发布时间:2018-01-22        浏览次数:104        返回列表

日益严苛的油耗法规、环保节能绿色观念的普及,汽车轻量化已经成为近几年炙手可热的技术议题之一。轻量化是汽车工业当前遇到重要挑战,许多主机厂商都对该命题展开了巨大的研发投入,虽已经取得了非常大的成就,相比五、六十年前的汽车,当前的汽车平均重量已经下降了50%,但轻量化依然还有很大可以深挖的余地……

在国家部委联合发布的《中国制造2025》中,已把轻量化当成汽车产业发展的重要方向,当节能减排成为当前汽车工业面对的必然要求时,汽车轻量化对于节省能源和保护环境都有着非常重要的意义。接下来就为大家介绍汽车轻量化的相关内容,以及汽车轻量化的途径方法,解析汽车轻量化与安全性之间的影响。

什么是汽车轻量化?轻量化系数又是什么?

汽车轻量化并不是一味地降低质量或门板厚度,与“减重”的概念并不能简单等同。汽车轻量化是在完善或改进汽车综合性能的基础上,尽可能地降低车身重量,达到质量降低、结构优化、安全性能提高和成本降低这四者有机结合的目标。实验证明,汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%;汽车整备质量每减少100公斤,百公里油耗可降低0.3—0.6升。而从成本上来看,减少1公斤的车重则可以减少10美元左右的支出。所以,在保证汽车的强度和安全性能的前提下,轻量化的压铸结构件更受热捧。其中,镁合金、铝合金作为轻量化材料的代表,以其质轻、吸震性和铸造性能好,自动化生产能力和模具寿命高、尺寸稳定等性能,成为最适合铸造汽车零部件的材料。

随着材料科技和制造工艺的进步,汽车轻量化的趋势也越来越明显。汽车工业为了研究汽车的轻量化水平,还提出了汽车轻量化系数指标来进行衡量:汽车轻量化系数L=白车身(无门盖、无前后风挡玻璃)质量×1000/(车身扭转刚度×四轮间正投影面积),该系数越小,表示车辆轻量化水平越高。因此,汽车轻量化的途径就主要有以下内容构成(途径一与白车身质量有关,途径二和途径三与车身扭转刚度有关):

途径一:采用轻质复合和高强度材料

轻量化材料的应用可能是普通消费者最容易理解的汽车轻量化技术。包括铝合金、镁合金、钛合金在内的轻合金,以及碳纤维复合材料、玻璃纤维增强塑料,还有改性塑料等。甚至高强度钢也可以划分到这类材料中,因为可以通过相对更小的使用量达到之前传统汽车钢件的设计强度。此外,在现有的轻量化汽车中,很多时候是通过同时使用多种轻量化材料,如同时使用碳纤维和铝合金,来实现轻量化。
  汽车轻量化常采用的新型材料包括:轻金属材料和非金属材料(陶瓷、碳纤维、工程塑料等),在轻金属材料中,铝合金是目前轻量化材料中应用最多,也是最成熟的材料,它的密度只有钢的三分之一,抗冲击性能好、耐腐蚀,减重效果明显,可广泛应用于车身、底盘和发动机等部件上;镁合金具备密度小、比强度高、比弹性模量大等优点,相比铝合金减重效果还要高15-20%,目前在汽车轮毂、进气歧管、离合器、传动外壳、齿轮箱等应用较多,在航天领域应用更广泛;此外,##领域昂贵的钛合金也在汽车工业中也有少量应用。

在非金属材料中,碳纤维具备非常低的密度(比铝合金强2-4倍减重效果),拉伸强度是钢的7-9倍,还具有耐腐蚀、高模量特性,同样限于成本原因,在风力发电和##航天领域应用非常普遍,如今在汽车领域也逐渐开始普及。碳纤维及其复合材料都立下“汗马功劳”。汽车轻量化的里程碑事件是,2015年,宝马i3、i8电动车成功商业化,采用全碳纤维车身,重量151公斤,而价格约3.4万欧元,与金属车的价格相当。8的轻量化系数已经达到0.99,i3也已经达到1.26,轻量化效果非常明显。

目前在国际市场上,几乎所有汽车企业都开展了碳纤维及其复合材料汽车或零部件研发,也与碳纤维企业紧密合作,如日产本田汽车与东丽、宝马与西格里、福特汽车与陶氏化学、通用汽车与帝人都有合作‍。

工程塑料如PP、PUR、PVC、ABS、PE等等也在汽车上得到了广泛的应用。此外,还有精细陶瓷、玻璃增强材料、纺织复合材料、高强度结构发泡材料等等。

高强度材料则是在传统钢材上继续挖掘潜能,性能却更加优越(部分材料的屈服强度可超过1000Mpa),如高强度钢板、热冲压成型钢、高强度铸铁等,成本相比普通钢材有所增加,但是相较之上述轻质复合材料而言还是显得便宜得多。高强度钢材在汽车底盘横梁加强板、悬架支架、发动机支架等地方应用非常广泛。

当然了,钢材并没有全部败给轻合金阵营,值得注意的是,奥迪全新A8就逆潮流而动,“抛弃”了坚持了二十余年的全铝合金车身。全新A8内部40%的车身结构件将使用钢铁,17%车身结构件将由热成形用钢(PHS),屈服强度高达1500Mpa,相比全铝合金车身强度更高,“相对”轻量化程度更好,虽然相比上一代车型增重了51KG,但车身刚度增强,安全性大幅增强,同时也大幅降低了成本,为汽车轻量化的方向提出了新的解决方案。目前轻量化材质主要面对的问题确实是应对制造成本升高的挑战,这些高科技材料只有通过技术进步或规模效应来降低成本,才能使得它们从专业级赛车、超跑、豪华车型阵营下放到经济车型中来。

途径二:车身结构优化设计和计算机辅助集成(CAX)

车身结构优化设计可以很好地解决因上述新材料所带来的成本问题,在保证碰撞安全和操控稳定性的基础上,通过结构优化设计(如传力路径的优化,环形回路设计提升刚性)、拓扑优化等,来达到在相同的材质基础上提升受力性能。

当前,汽车设计工程师还会通过计算机系统进行CAD和CAE进行辅助分析和优化等,与结构优化一起结合,保证汽车的综合性能。此外,提高汽车零件总成水平,减少零件数量和体积,按工况优化零部件的形状,提高组件集成化程度等也可以达到优化的目的。

途径三:轻量化制造工艺技术

汽车轻量化制造工艺技术包括了新的材料成型方法和连接技术,比如激光焊接、液压成型、半固态铸造技术、喷射成型技术等,这些技术可以大幅度减少零部件数量、提高车身质量稳定性、提高结构可靠性,在高强度负荷下可以保持强度均衡。不过这些技术都会导致整个生产线技术的更迭,对于规模较小的汽车企业来说,制造成本压力将非常大。

汽车轻量化后会影响安全吗?

从理论上说,汽车碰撞时的冲击能量与汽车的质量成正比。在同等条件下汽车越轻,碰撞时冲击能量越小,车身结构的变形、侵入量和乘员受到的冲击加速度就越小,汽车对乘员的保护性能越好、越安全。

实际上,汽车的碰撞安全性不能用车的轻重和钣金覆盖件的薄厚来简单地衡量,汽车重不等于它的碰撞安全性就一定好,反之亦然。对汽车碰撞安全性的评价,国内外都用相应的汽车被动安全性法规和标准。汽车的重量轻,只要其碰撞吸能区结构设计、选材和连接方式合理,也能达到优异的被动安全性;汽车重量大,如果碰撞时缓冲、压溃、吸能和载荷传递不够合理,也不会取得好的被动安全性。那是铁皮厚一点好还是薄一点好呢?车身不管厚薄只要满足工艺和性能要求的前提下,车身越轻越好,即可以降低油耗还可以减少成本。如某系车的前翼子板也是采用非金属材料,但性能标准即能达到使用要求又降低成本。汽车发展至今最大的问题不是汽车越重越安全,而是汽车重量既轻又安全。汽车加重100KG很简单,但是要减少100KG所依靠的就是汽车精尖制造工艺和技术。而反过来在汽车制动方面,由于轻量化所致汽车质量降低,在相同速度减速时,减速系统所消耗的能量就会降低,相同的制动器条件下,制动效果就更大,制动距离也会缩短,制动性能则有明显的提升,因此,汽车在轻量化之后,主动安全性能反而会得到提升。

到底如何看待以上的这些轻量化的问题?轻量化并不难做到,而做到车辆的性能、安全、成本和重量四者之间的平衡才是我们需要去追求的,这四者只兼顾一方并不算是高明,而是四者做到和谐统一才是最高的境界。铝合金、镁合金等高科技材料的应用必然受到高昂的成本阻隔,但是在整车轻量化的大趋势面前,相信汽车工程师们一定能找到更加完美的解决方案。

节能减排、提高汽车性能推动着轻质结构的创新发展,采用轻质化和更高性能替代材料和新成型工艺已成为汽车发展的主流,例如铝合金、镁合金、聚合物、碳纤维等复合材料的采用。随着轻量化概念的持续升温,传统材料未来将面临大范围的更新及替换,而轻质材料之间也将掀起新一番的激烈竞争。

作为中国轻质结构技术展,ChinaLITE 2018将集中展示未来汽车开发材料及轻量化解决方案,展品包括:轻量化材料、材料成型加工技术与设备、轻量化材料连接技术、模拟、原型和模型制造、批量生产、接合、表面处理、测试等工艺、设备,致力于为汽车产业设计与研发工程技术人员带来具有前瞻性及创新的技术解决方案,促进未来汽车研发。

与此同时,汽车工程领域盛会AMTS 2018、未来汽车开发者平台EVTech World 2018将继续携手AMC国际汽车工程系列会议及EVC国际电动车工程系列会议在ChinaLITE 2018同期举办,这些展会与论坛的举办将为汽车产业打造从传统汽车制造到未来汽车设计、研发、生产、制造的盛大平台。