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汽車輕量化戰(zhàn)略中的三劍客——鎂、鋁、碳纖維

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-09-23
核心提示:汽車輕量化就是為汽車瘦身,在確保穩(wěn)定提升性能的基礎(chǔ)上,節(jié)能化設(shè)計(jì)各總成零部件,持續(xù)優(yōu)化車型。實(shí)驗(yàn)證明,若汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%;汽車重量降低1%,油耗可降低0.7%;汽車整備質(zhì)量每減少100千克,百公里油耗可降低0.3—0.6升。
汽車輕量化就是為汽車瘦身

 

  汽車輕量化就是為汽車瘦身

  汽車輕量化就是為汽車瘦身,在確保穩(wěn)定提升性能的基礎(chǔ)上,節(jié)能化設(shè)計(jì)各總成零部件,持續(xù)優(yōu)化車型。實(shí)驗(yàn)證明,若汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%;汽車重量降低1%,油耗可降低0.7%;汽車整備質(zhì)量每減少100千克,百公里油耗可降低0.3—0.6升。

  

本田NSX車采用了全鋁承載式車身

 

  本田NSX車采用了全鋁承載式車身

  目前輕量化被最廣泛應(yīng)用的是鋁合金的技術(shù),1990年9月開(kāi)始銷售的日本本田NSX車采用了全鋁承載式車身,比用冷軋鋼板制造的同樣車身輕200kg,引起全世界的矚目,近年來(lái)奧迪、捷豹、新攬勝都使用了全鋁式的車身結(jié)構(gòu),鋁合金已經(jīng)成為了一種比較理想的輕量化材料,鋁合金還可以按照添加合金的不同和比例的不同以及制造工藝的區(qū)別,應(yīng)用在車身、車架、制動(dòng)盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、氣缸蓋、活塞、進(jìn)氣歧管、搖臂、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架、空壓機(jī)連桿、傳動(dòng)器殼體、離合器殼體、車輪、制動(dòng)器零件、把手及罩蓋殼體類等地方。

  近年來(lái),鋁合金用于車身材料的加工方式的成本有所降低,以前都要將厚的鋁合金板沖壓成薄板再進(jìn)行加工,目前通用引入了和鋼板沖壓類似的熱沖壓成形技術(shù),這對(duì)工藝的要求是十分嚴(yán)格的,因?yàn)闆_壓時(shí)摩擦因數(shù)的增大,不僅會(huì)增加壓邊區(qū)材料進(jìn)入成形區(qū)的難度,并且在成形 區(qū)內(nèi),由于摩擦力的作用,截面各處材料流動(dòng)不均,容易在應(yīng)力集中地方產(chǎn)生急劇減薄而發(fā)生破裂。協(xié)調(diào)好壓邊力與沖壓力的關(guān)系,加上良好的潤(rùn)滑,是實(shí)現(xiàn)鋁合金熱沖壓再次降低材料成本的關(guān)鍵。

  當(dāng)然鋁合金作為大范圍量產(chǎn)的輕量化材料固然理想,也有自身的缺點(diǎn),比如工藝復(fù)雜且后續(xù)維修費(fèi)用高。對(duì)于本文,我們不對(duì)鋁合金的材料做重點(diǎn)闡述,我們將主要講解輕量化的其他發(fā)展方向。

  碳纖維的春天

  當(dāng)然,還有更多的輕量化材料和科技應(yīng)用在現(xiàn)在的汽車當(dāng)中,在文章開(kāi)篇中提到的第六代寶馬7系所使用的i3與i8輕量化科技,其中就包括了碳纖維車身。

  

寶馬i3碳纖維座艙

 

  寶馬i3碳纖維座艙  碳纖維的車身多見(jiàn)于超跑,昂貴的價(jià)格一直讓平民車對(duì)其敬而遠(yuǎn)之,寶馬i3的到來(lái)刷新了這一領(lǐng)域的歷史價(jià)格,要知道寶馬i3在海外的售價(jià)26.6萬(wàn)元起,突破了成本的制約,也許汽車碳纖維的春天已經(jīng)到來(lái)?

  

碳纖維材料材料強(qiáng)度可媲美鋼材

 

  碳纖維材料材料強(qiáng)度可媲美鋼材  寶馬i3的碳纖維座艙,是寶馬與德國(guó)SGL碳纖維公司合資建立全新工廠內(nèi)以高度自動(dòng)化的方式生產(chǎn)的。該材料強(qiáng)度可媲美鋼材,但密度小了50%,甚至比鋁材還低30%。其實(shí)邁凱輪和蘭博基尼都成功地大幅度降低了碳纖維合成材料的生產(chǎn)成本,只是這次寶馬的步履明顯加快了。

  碳纖維材料本身并不昂貴,然而要把碳纖維加工成適合車輛行駛、碰撞的成品才真正是其價(jià)值所在。

  

傳統(tǒng)膠合過(guò)程時(shí)間耗費(fèi)大

 

  傳統(tǒng)膠合過(guò)程時(shí)間耗費(fèi)大  一般來(lái)說(shuō),一款超級(jí)跑車承載結(jié)構(gòu)的車身從膠合、烘干到冷卻需要4天時(shí)間,例如帕格尼風(fēng)之子。交錯(cuò)織成的纖維布可形成勻稱的菱形圖案。纖維布已用松脂浸濕(一道化學(xué)過(guò)程,即先用化學(xué)制劑進(jìn)行浸漬),不過(guò)在膠合之前必須冷卻,以便松脂在爐中進(jìn)行反應(yīng)??傊@是一個(gè)頗長(zhǎng)的、幾乎無(wú)法使其自動(dòng)化的進(jìn)程,因而也是一個(gè)昂貴的過(guò)程。

  

剁斷碳纖維用于汽車制造的新工藝

 

  剁斷碳纖維用于汽車制造的新工藝  所以大大縮短時(shí)間是降低碳纖維成本的一個(gè)方法,邁凱輪和蘭博基尼使用的不是碳纖維布, 而是單個(gè)的、部分是很短且很薄的剁斷碳纖維(Chopped Carbon)。它們被一束束捆起來(lái),在松脂中浸濕,然后使其成形。成形的碳纖維再放進(jìn)由鋼制成的機(jī)器中,在那里加壓升溫(鍛造過(guò)程),引起結(jié)構(gòu)的化學(xué)反應(yīng)。

  這個(gè)過(guò)程必須在6分鐘內(nèi)完成,這樣就恰好適于大批量生產(chǎn)線的進(jìn)程。雖然碳纖維增強(qiáng)合成材料良好的形狀既沒(méi)有達(dá)到用化學(xué)制劑進(jìn)行預(yù)處理的完美的菱形,也沒(méi)有達(dá)到完美的堅(jiān)固性,但是這種方法得到的材料強(qiáng)度仍然可以和鋼媲美,關(guān)鍵在于重量只是鋼材的二分之一。

  碳纖維從跑車過(guò)渡到平民用車只是時(shí)間的問(wèn)題,悄無(wú)聲息的戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)展開(kāi),2011年,寶馬和大眾競(jìng)就相增持碳纖維供應(yīng)商西格里(SGL)的股權(quán)。12月2日,德國(guó)寶馬宣布與美國(guó)波音航空公司展開(kāi)合作。共同開(kāi)發(fā)碳纖維材料技術(shù),用于新型汽車和飛行器。這次合作意味著寶馬與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手大眾再次爭(zhēng)奪碳纖維技術(shù)領(lǐng)域的伙伴,大眾業(yè)已通過(guò)旗下的蘭博基尼品牌與波音達(dá)成碳纖維方面的合作。

  順便說(shuō)一句改裝市場(chǎng)充斥的各種所謂的碳纖維,山寨能力絕對(duì)堪稱一流,但是價(jià)格確實(shí)相差很多。所以您在購(gòu)買的時(shí)候一定要多比較,二者的不同也是非常明顯的。

  合金的前景

  

<a href=http://www.shanmeijituan.net target=_blank class=infotextkey>鎂</a>的密度約為鋁的2/3,在實(shí)際應(yīng)用的金屬中是最輕的

 

  的密度約為鋁的2/3,在實(shí)際應(yīng)用的金屬中是最輕的  雖然碳纖維能夠用于制造汽車的很多部位,但是全部使用碳纖維是不可能的,所以,你也會(huì)發(fā)現(xiàn),很多汽車所使用的輕量化技術(shù)是多元化的,各種輕量化的材料齊上陣,合金也是其中的一種。

  的密度約為鋁的2/3,在實(shí)際應(yīng)用的金屬中是最輕的。合金的吸振能力強(qiáng)、切削性能好、金屬模鑄造性能好,很適合制造汽車零件。合金大部分以壓鑄件的形式在汽車上應(yīng)用,壓鑄件的生產(chǎn)效率比鋁高30%~50%。新開(kāi)發(fā)的無(wú)孔壓鑄法(Pore Free Diecast)可生產(chǎn)出沒(méi)有氣孔且可熱處理的壓鑄件。

  

<a href=http://www.shanmeijituan.net target=_blank class=infotextkey><a href=http://www.shanmeijituan.net target=_blank class=infotextkey>鎂</a>合金</a>車輪輪輞

 

  合金車輪輪輞  鑄件在汽車上使用最早的實(shí)例是車輪輪輞。在汽車上應(yīng)用合金的實(shí)例還有離合器殼體、離合器踏板、制動(dòng)踏板固定支架、儀表板骨架、座椅、轉(zhuǎn)向柱部件、轉(zhuǎn)向盤(pán)輪芯、變速箱殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、氣缸蓋和氣缸蓋罩蓋等。

  

奔馳SL/SLK跑車折疊<a href=http://www.shanmeijituan.net target=_blank class=infotextkey><a href=http://www.shanmeijituan.net target=_blank class=infotextkey>鎂</a>合金</a>車頂框架結(jié)構(gòu)

 

  奔馳SL/SLK跑車折疊合金車頂框架結(jié)構(gòu)  奔馳SL/SLK跑車折疊車頂框架結(jié)構(gòu)合金壓鑄件獲得歐洲協(xié)2011年度汽車應(yīng)用創(chuàng)新一等獎(jiǎng)。在2012年歐洲協(xié)20屆年會(huì)上,來(lái)自奔馳汽車公司的專家介紹了合金在奔馳汽車中的應(yīng)用,特別是奔馳新一代SLK跑車折疊車頂框架是由四個(gè)合金壓鑄件組成,分別是車頂框架(3825g)、后窗框架(2075g)、左右C柱(980g)。這些合金壓鑄件都在奔馳Esslingen-Mettingen的壓鑄廠生產(chǎn)。

  美國(guó)通用汽車公司計(jì)劃擴(kuò)大輕量化零部件在汽車中的應(yīng)用。通用汽車公司開(kāi)發(fā)出了采用熱成型加工合金板材零部件并且可以防止腐蝕的方法,并且正在對(duì)開(kāi)發(fā)出的零部件進(jìn)行測(cè)試。通用使用的合金防腐蝕的方法是盡量減少兩塊材料之間的鉚合,能使用一整塊合金就不將其分成兩塊。另外,還要在合金的表面刷上防氧化腐蝕的化學(xué)制劑。想了解更詳細(xì)的內(nèi)容,可以點(diǎn)擊以上的擴(kuò)展閱讀。

  采用此種方法,可以用高強(qiáng)合金板材來(lái)替代鋼和鋁板材件。通用汽車公司已經(jīng)對(duì)該方法申請(qǐng)了專利。該方法將材料加熱到450°C后進(jìn)行熱成型。通用汽車公司已經(jīng)采用該方法開(kāi)發(fā)出了用于汽車后備箱蓋的板材件,并成功通過(guò)了相關(guān)沖擊測(cè)試。

  

通用公司將推廣<a href=http://www.shanmeijituan.net target=_blank class=infotextkey><a href=http://www.shanmeijituan.net target=_blank class=infotextkey>鎂</a>合金</a>在汽車上的使用

 

  通用公司將推廣合金在汽車上的使用  由于制車身板件的應(yīng)用,可以得到更好的車身操控,更佳的性能表現(xiàn)以及更經(jīng)濟(jì)的燃油成本,更輕的車身將在整體層面上提升車輛的性能。

  

相比于鋁制板材件,<a href=http://www.shanmeijituan.net target=_blank class=infotextkey><a href=http://www.shanmeijituan.net target=_blank class=infotextkey>鎂</a>合金</a>車身板件的成本要高出3至4倍

 

  相比于鋁制板材件,合金車身板件的成本要高出3至4倍  合金在汽車上的應(yīng)用雖然很早就開(kāi)始展開(kāi),但是目前合金并沒(méi)有廣泛的推廣開(kāi)來(lái),估計(jì)通用會(huì)是最早將合金在汽車行業(yè)量產(chǎn)推廣的公司,在制造加工方面,制造薄板的合金包含有96%的、3%的鋁以及1%的鋅,并且需要在約450攝氏度的環(huán)境下以一個(gè)非常慢的過(guò)程進(jìn)行沖壓成型。這使得制造的工藝要求和制造成本非常高。相比于鋁制板材件,合金車身板件的成本要高出3至4倍。另外,由于合金板材的特殊性,在修復(fù)工藝方面或許與傳統(tǒng)的鋼鐵板件存在一定差異。

  因此,室溫下的制造是合金的研究方向,可以更好的控制合金制件的成本。今天在汽車制造業(yè)中的情形,就好像鋁材料在25年前一樣;而日后對(duì)合金更加廣泛的應(yīng)用將會(huì)最終把成本攤薄。

 

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