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成大勢所趨,揭秘汽車車身輕量化的實現(xiàn)

隨著新能源汽車的大行其道,但凡是對汽車有所了解的人都清楚,新能源汽車是節(jié)能環(huán)保的大趨勢,但其實,除卻新能源化外,汽車的輕量化也是不可或缺的。

輕量化這一概念最先起源于賽車運動,它的優(yōu)勢其實不難理解,重量輕了,可以帶來更好的操控性,發(fā)動機輸出的動力能夠產(chǎn)生更高的加速度。由于車輛輕,起步時加速性能更好。

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隨著“節(jié)能環(huán)?!痹絹碓匠蔀閺V泛關(guān)注的話題,輕量化也廣泛應(yīng)用到普通汽車領(lǐng)域,在提高操控性的同時還能有出色的節(jié)油表現(xiàn)。

汽車的油耗主要取決于發(fā)動機的排量和汽車的總質(zhì)量,在保持汽車整體品質(zhì)、性能和造價不變甚至優(yōu)化的前提下,降低汽車自身重量可以提高輸出功率、降低噪聲、提升操控性、可靠性、提高車速、降低油耗、減少廢氣排放量、提升安全性。

有研究數(shù)字顯示,若汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%-8%;若滾動阻力減少10%,燃油效率可提高3%;若車橋、變速器等裝置的傳動效率提高10%,燃油效率可提高7%。

汽車車身約占汽車總質(zhì)量的30%,空載情況下,約70%的油耗用在車身質(zhì)量上。因此,車身變輕對于整車的燃油經(jīng)濟性、車輛控制穩(wěn)定性、碰撞安全性都大有裨益。

汽車的輕量化是目前汽車工業(yè)發(fā)展中一項非常重要的項目,而汽車的輕量化表現(xiàn)在很多的方面,比如底盤的輕量化、內(nèi)飾的輕量化、動力總成的輕量化等等,當(dāng)然,車身的輕量化表現(xiàn)的最明顯。

一般實現(xiàn)車身輕量化會通過這樣三種途徑:一是應(yīng)用高強度和輕質(zhì)材料,二是優(yōu)化車身結(jié)構(gòu),三是運用先進的制造工藝技術(shù)。我們一一來看。

▋材料的輕量化

材料輕量化一般是通過采用輕量化的金屬和非金屬材料實現(xiàn),主要包括工程塑料以及各種復(fù)合材料。

目前在汽車行業(yè)的材料輕量化已經(jīng)成為一種趨勢,在不影響車身強度的情況下,使用更多的鋁合金、鎂合金、工程塑料等有助于降低車身自重,從而帶來更好的燃油經(jīng)濟性。

在材料使用方面,最受關(guān)注的是鋁合金和鎂合金,畢竟這兩種材料主要代替鋼鐵,江青重量、提高強度。

鋁的重量只有鐵的1/3,并且回收利用率高,汽車中的鋁有85%是可以回收的。但是鋁也有很多缺點,比如鋁不能夠焊接、不容易鈑金,噴漆也麻煩,安全性不如鋼。

目前,一些廠商只是部分使用鋁合金,車身大部分結(jié)構(gòu)還是鋼鐵的。

最理想的材料當(dāng)屬碳纖維。碳纖維是由化纖和石油經(jīng)過特殊工藝制成的纖維,除了和一般碳素材料一樣具備內(nèi)高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等特性外,它強度更高、質(zhì)量更輕,更耐腐蝕。

碳纖維的密度不到鋼的1/4,但抗拉強度卻是鋼的7-9倍,抗拉彈性也高于鋼,在2000攝氏度以上的高溫惰性環(huán)境中,是唯一強度不下降的物質(zhì)。

在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹,耐蝕性出類拔萃。而且它外形柔軟,可加工成各種織物,從使用的角度看,碳纖維不存在腐蝕生銹的問題,比普通金屬耐用。

在極端氣候條件下,碳纖維的性質(zhì)幾乎不發(fā)生改變,使用碳纖維制造車身,可以省去高成本、繁瑣的涂裝工藝,甚至有人稱,碳纖維幾乎是目前可知的最能讓汽車減重的完美材料。

摸上去手感與塑料差不多,卻有著鋼鐵一般強度和韌性的碳纖維組件,不僅能夠幫助整車有效減重,更由于其昂貴的特性而變成奢華的象征。

以法拉利、蘭博基尼、帕加尼等為代表的意大利超跑大家最為熟悉的,為了追求輕量化,由于制造過程幾乎不計成本,所以在車上大規(guī)模應(yīng)用碳纖維組件甚至整車使用碳纖維材料完全不是難題。

目前,碳纖維材料在民用量產(chǎn)汽車,尤其是中檔產(chǎn)品應(yīng)用也十分廣泛,很多廠商也已經(jīng)開始碳纖維材料的小組件,如后視鏡、內(nèi)飾門板、空氣套件等等

在車身材料的輕量化上,造車新勢力的創(chuàng)新和嘗試也算是對汽車工業(yè)做出了不小的貢獻。比如蔚來ES8高比例使用鋁材,與之相似的還有前途使用全碳纖維覆蓋件和全鋁骨架、愛馳使用上鋼下鋁的車身結(jié)構(gòu)。

▋優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)

車身的優(yōu)化設(shè)計是很重要的輕量化方案,也在眾多的車企中被設(shè)計師所青睞,它能在盡量少的增加成本的基礎(chǔ)上做到比較理想的效果。

車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化是通過采用先進的優(yōu)化設(shè)計方法和技術(shù)手段,在滿足車身強度、模態(tài)、剛度和碰撞安全性等諸多方面的性能要求,以及相關(guān)的法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)前提下,進而優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)參數(shù),提高材料的利用率,去處零部件冗余部分,同時又使部件薄壁化、小型化、中空化和復(fù)合化以減輕重量,最后實現(xiàn)輕量化。

在當(dāng)下的科技環(huán)境中,使用CAD與CAE等計算機工具,是一個不錯的輔助。

通過CAD對汽車結(jié)構(gòu)布局進行設(shè)計,在軟件上模擬實體車,然后對整車進行分析,得到零部件的安置情況以及選擇合適的輕量化材料,在對整車設(shè)計完成以后,可以通過CAE進行進一步分析和運動干涉分析等,使輕量化材料能夠達到車身設(shè)計的各項要求。

還有一種是目標(biāo)在不增加成本低額前提下,維持車身功能與抗擊安全性的同時再減輕汽車的重量,就是我們前文所說的采用小型化的結(jié)構(gòu)。

比如3D打印帶來了通過結(jié)構(gòu)設(shè)計層面上達到輕量化的可行性。具體來說,3D打印通過結(jié)構(gòu)設(shè)計層面實現(xiàn)輕量化的主要途徑有四種:中空夾層/薄壁加筋結(jié)構(gòu)、鏤空點陣結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)、異性拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

通過3D打印是實現(xiàn)機械輕量化的一個重要方向。

▋先進的制造工藝

在材料與優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)之外,往往需要革新制造工藝來滿足材料和結(jié)構(gòu)的變化,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的激光拼焊板、熱沖壓成形和液壓成形等工藝。

比如激光拼焊板可將不同材質(zhì)、不同厚度、不同強度和不同表面鍍層的板坯拼合起來,然后整體進行壓型。激光拼焊板工藝已在汽車領(lǐng)域應(yīng)用成熟,用于制造車門內(nèi)板、加強板、立柱、底板和輪廓等部件。

比如對于高強度鋼的熱沖壓成形工藝,是因為在強度超過1000MPa以上時,一些幾何形狀比較復(fù)雜的零件,使用常規(guī)的冷沖壓工藝幾乎無法成形。

再比如一種鋁合金壓鑄新工藝。隨著鋁合金在車身上的應(yīng)用日益廣泛,工程師們開發(fā)了一系列鋁合金壓鑄新工藝,如沖壓壓鑄法、針孔壓鑄法和無孔性壓鑄法等,其中無孔性壓鑄法最受歡迎,壓鑄時注入型腔的金屬液與氧氣發(fā)生反應(yīng),型腔內(nèi)隨即形成真空狀態(tài),從而實現(xiàn)無氣孔且可熱處理的高質(zhì)量壓鑄件。

目前用無孔性壓鑄法生產(chǎn)的鋁合金大量應(yīng)用于車輪、進氣歧管以及動力轉(zhuǎn)向殼等部件上,由于應(yīng)用鋁材且壁厚減小,輕量化效果顯著。

總的來說,汽車車身的輕量化,主要便體現(xiàn)在以上關(guān)于材料輕量化、車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、先進的制造工藝等三個方面。

在現(xiàn)在的汽車市場上,汽車品牌的競爭越發(fā)嚴(yán)苛,而汽車的輕量化無疑就是一個十足的賣點,無論是傳統(tǒng)燃油車還是新能源汽車,汽車的輕量化都是一直在不斷的突破與創(chuàng)新的。我們更應(yīng)該知道,汽車上每一克的減重,都有著工程師們付出的不懈努力。

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