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新材料应用在汽车轻量化设计中的现状分析

近年来,能源与环境的危机加速了各国政府对汽车行业的产品能耗和排放的严格控制。到2020年,除美国之外的全球主要的汽车生产与消费国家和地区对乘用车燃油油耗的要求都将严格限制在5L/100km以下的水平,并且碳排放也更为严格(国内在2020将采用国Ⅵ的排放尺度)。

这迫使新能源汽车技术和汽车轻量化设计成为了目前改善能耗问题的两大须要途径。关于新能源汽车技术的发展趋势以及目前主流技术解读这两年在飞灵的文章中我都有过详细的解读,这篇文章主要是想聊聊目前的汽车轻量化技术。

轻量化设计实现的路径与发展现状

关于目前实现汽车轻量化设计的路径,主要有两种形式:一种是通过结构的合理、精准化设计,对车体的主要承力部件进行加强、非主要承力部件进行合理的弱化,在性能满足的前提下尽量减小传力通道截面大小,合理、精细化的选用材料板厚等来实现结构轻量化设计。另一种是使用新材料替代普通钢材来实现轻量化设计,好比用铝合金、GFRP(玻璃纤维增强塑料)和CFRP(碳纤维)等密度更小的新材料来代替钢材来实现轻量化设计,好比用强度更高、板厚更薄的热成型材料(热成型材料素质上还是钢材)代替普通高强度钢来减少加强结构零件的数量实现轻量化设计。

在实际的汽车设计中,这两种轻量化途径很多时候都是彼此结合使用来最大限度的实现车体的轻量化设计,同时还促进了相互的发展。好比在车身A柱上边梁、B柱等结构的设计中,目前主流设计都是采用热成型材料来替代普通高强度钢材的设计,热成型材料的使用自己是一种材料轻量化的设计,但是热成型材料的使用又可以让这些车身区域减少加强件结构的设计,不等厚热成型板的使用甚至可以让B柱取消原有的铰链加强板、限位器加强板等结构。而精细化的结构设计又促进了不等厚板材、激光拼焊板材、铝合金等的发展。

结构轻量化设计由于在车型的功能性差别,且各大OEM对于自身车体性能目标的设定也存在差异性等因素,设计思路上会不太一致,这里就不展开详说。并且结构轻量化所带来的效果并不如材料轻量化那般立竿见影,需要大幅改善动力性能、操控性能、能耗的新车型上,目前主要还是依赖材料轻量化。

由于受到整体工业发展水平、OEM研发实力和生产条件、产品品牌因素等限制,目前主流OEM轻量化设计的现状是结构轻量化各花结各果,材料轻量化却只能是少数一流厂家的“炫技”。这篇文章也主要就是想和大家聊聊主流OEM材料轻量化的现状。

既能保证车体结构的性能,又能大幅度降低车体重量的材料,目前行业内遍及使用的是碳纤维、铝合金、mei合金、工程塑料等密度较小的材料。这些材料在车体结构中的使用,轻量化效果非常明显。以铝合金车身的福特F150为例,车身实现了40%以上的减重,整备质量降低了300kg。车身采用碳纤维和铝合金粘连工艺而成的宝马i3,轻量化效果更为明显,作为纯电动车型整备质量却只有1195kg,比拟同尺寸的常规车型来说,都要轻了150Kg摆布。

这里要说说铝合金车身的几个问题。所谓的全铝车身,实际是铝合金车身而并非是纯铝车身。并且目前量产的铝合金车身的车型中,主流还是采用铝合金和钢制的复合结构:上车体的A柱上边梁、B柱加强板、车门防撞梁、机舱前挡板下部加强板或者前纵梁后段等与碰撞安适相关的主要承力结构件依然会采用热成型钢板,好比宝马7系、凯迪拉克CT6等都是钢铝复合车身。目前行业内并没有完全的铝合金车身,即即是号称全铝的特斯拉,铝合金的使用率实际也只是98%,车体中也使用了其他复合材料,好比非天窗版的顶盖板采用的是树脂材料等。

目前车用轻量化新材料的成本遍及都偏高,目前国内每吨车用冷轧汽车板材的成本在5000——9000之间,而每吨铝合金的材料成本高达4.5万摆布,碳纤维的材料成本则更高,每吨约在80万摆布,又因为其较高的成型废品率问题,让很多中低端车型在碳纤维的使用上更是望而却步。所以目前采用铝合金、碳纤维等新材料作为车身主结构的车型售价基本都在40万以上,铸铝件则较早就在发动机壳体、悬架摆臂、副车架等底盘和动力系统部件上使用,因所占车型开发成本比例较小,搭载车型级别纷歧。

OEM使用新型轻量化材料还会涉及到传统生产线设备的改造,四大工艺中冲压、焊接、涂装生产线基本都需要面临着工位的大幅改造或者重建,动辄几亿的投入对于目前很多还处在温饱线的自主品牌来说,更是心有余而力不足。其次是铝合金、碳纤维等材料供应链在国内也较为稀缺,铝板的供应商也仅有江苏的诺贝丽斯和天津神户等工厂,而且能供应全系铝板的也仅有诺贝丽斯一家,目前主要给捷豹路虎等高端车型供货,碳纤维的主要供应商为日本的东丽和帝人,占据了全球的大半份额,但是碳纤维的加工工艺技术最先进的是德国。

全球主流OEM轻量化材料的使用现状