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行业报告——汽车轻量化趋势

粘接资讯2019-05-28 23:05:58


若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%-8%;汽车重量降低1%,油耗可降低0-7%;汽车整备质量每减少100千克,百公里油耗可降低0.3-0.6L。


汽车轻量化不是什么新鲜的名词,但却是在近两年被提及的越来越频繁,从试点过渡到普遍的应用技术,汽车轻量化的优势不言而喻,然而每个企业对于轻量化的方向不同,所以也引发了很多争议。


在海外媒体的报道中,第六代宝马7系也重点突出了其多种轻量化技术,宝马i3和i8使用的多种轻量化技术将在新一代7系中得到应用,除了传统的铝合金和钢材之外,还将使用碳纤维强化树脂,预计整备质量将被降低150千克左右。碳纤维强化树脂将被用于车顶、发动机盖和行李箱盖、车辆的承力件上等部件。整备质量的降低不仅有助于减少油耗,还可以增强操控、制动性能和加速性能。


宝马i3和i8使用的多种轻量化技术将在新一代7系中得到应用


新一代宝马7系对于轻量化更进一步的使用,可以联想到旗下更多热门产品也将使用这些最新的多种轻量化技术。轻量化的概念并不新鲜,应用这些技术的车辆范围也在逐年扩大,而不断有新的技术被推向更多的汽车总成、零部件。曾经有人预言今后汽车的90%部分都将使用轻量化材料,现在看来一点也不夸张。


什么是汽车轻量化


汽车轻量化就是为汽车瘦身


汽车轻量化就是为汽车瘦身,在确保稳定提升性能的基础上,节能化设计各总成零部件,持续优化车型。实验证明,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%;汽车重量降低1%,油耗可降低0.7%;汽车整备质量每减少100千克,百公里油耗可降低0.3—0.6升。


本田NSX车采用了全铝承载式车身


目前轻量化被最广泛应用的是铝合金的技术。1990年9月开始销售的日本本田NSX车采用了全铝承载式车身,比用冷轧钢板制造的同样车身轻200kg,引起全世界的瞩目。


近年来奥迪、捷豹、新揽胜都使用了全铝式的车身结构,铝合金已经成为了一种比较理想的轻量化材料,铝合金还可以按照添加合金的不同和比例的不同以及制造工艺的区别,应用在车身、车架、制动盘、发动机气缸体、气缸盖、活塞、进气歧管、摇臂、发动机悬置支架、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件、把手及罩盖壳体类等地方。


奥迪ASF全铝车身结构


近年来,铝合金用于车身材料的加工方式的成本有所降低。以前都要将厚的铝合金板冲压成薄板再进行加工,目前通用引入了和钢板冲压类似的热冲压成形技术。


这对工艺的要求是十分严格的,因为冲压时摩擦因数的增大,不仅会增加压边区材料进入成形区的难度,并且在成形区内,由于摩擦力的作用,截面各处材料流动不均,容易在应力集中地方产生急剧减薄而发生破裂。协调好压边力与冲压力的关系,加上良好的润滑,是实现铝合金热冲压再次降低材料成本的关键。


当然铝合金作为大范围量产的轻量化材料固然理想,也有自身的缺点,比如工艺复杂且后续维修费用高。对于本文,我们不对铝合金的材料做重点阐述,我们将主要讲解轻量化的其他发展方向。


碳纤维的春天


当然,还有更多的轻量化材料和科技应用在现在的汽车当中,在文章开篇中提到的第六代宝马7系所使用的i3与i8轻量化科技,其中就包括了碳纤维车身。


宝马i3碳纤维座舱


碳纤维的车身多见于超跑,昂贵的价格一直让平民车对其敬而远之,宝马i3的到来刷新了这一领域的历史价格,要知道宝马i3在海外的售价26.6万元起,突破了成本的制约,也许汽车碳纤维的春天已经到来?


碳纤维材料材料强度可媲美钢材


宝马i3的碳纤维座舱,是宝马与德国SGL碳纤维公司合资建立全新工厂内以高度自动化的方式生产的。该材料强度可媲美钢材,但密度小了50%,甚至比铝材还低30%。其实迈凯轮和兰博基尼都成功地大幅度降低了碳纤维合成材料的生产成本,只是这次宝马的步履明显加快了。


碳纤维材料本身并不昂贵,然而要把碳纤维加工成适合车辆行驶、碰撞的成品才真正是其价值所在。


传统胶合过程时间耗费大


一般来说,一款超级跑车承载结构的车身从胶合、烘干到冷却需要4天时间,例如帕格尼风之子。交错织成的纤维布可形成匀称的菱形图案。纤维布已用松脂浸湿(一道化学过程,即先用化学制剂进行浸渍),不过在胶合之前必须冷却,以便松脂在炉中进行反应。总之这是一个颇长的、几乎无法使其自动化的进程,因而也是一个昂贵的过程。


剁断碳纤维用于汽车制造的新工艺


所以大大缩短时间是降低碳纤维成本的一个方法,迈凯轮和兰博基尼使用的不是碳纤维布, 而是单个的、部分是很短且很薄的剁断碳纤维(Chopped Carbon)。它们被一束束捆起来,在松脂中浸湿,然后使其成形。成形的碳纤维再放进由钢制成的机器中,在那里加压升温(锻造过程),引起结构的化学反应。


这个过程必须在6分钟内完成,这样就恰好适于大批量生产线的进程。虽然碳纤维增强合成材料良好的形状既没有达到用化学制剂进行预处理的完美的菱形,也没有达到完美的坚固性,但是这种方法得到的材料强度仍然可以和钢媲美,关键在于重量只是钢材的二分之一。


碳纤维从跑车过渡到平民用车只是时间的问题,悄无声息的战争已经展开,2011年,宝马和大众就竞相增持碳纤维供应商西格里(SGL)的股权。12月2日,德国宝马宣布与美国波音航空公司展开合作。共同开发碳纤维材料技术,用于新型汽车和飞行器。这次合作意味着宝马与竞争对手大众再次争夺碳纤维技术领域的伙伴,大众也已通过旗下的兰博基尼品牌与波音达成碳纤维方面的合作。


顺便说一句改装市场充斥的各种所谓的碳纤维,山寨能力绝对堪称一流,但是价格确实相差很多。所以您在购买的时候一定要多比较,二者的不同也是非常明显的。


镁合金的制约


虽然碳纤维能够用于制造汽车的很多部位,但是全部使用碳纤维是不可能的,所以,你也会发现,很多汽车所使用的轻量化技术是多元化的,各种轻量化的材料齐上阵,镁合金也是其中的一种。


镁的密度约为铝的2/3,在实际应用的金属中是最轻的。镁的密度约为铝的2/3,在实际应用的金属中是最轻的。


镁的密度约为铝的2/3,在实际应用的金属中是最轻的。镁合金的吸振能力强、切削性能好、金属模铸造性能好,很适合制造汽车零件。镁合金大部分以压铸件的形式在汽车上应用,镁压铸件的生产效率比铝高30%~50%。新开发的无孔压铸法(Pore Free Diecast)可生产出没有气孔且可热处理的镁压铸件。


镁合金车轮轮辋


镁铸件在汽车上使用最早的实例是车轮轮辋。在汽车上应用镁合金的实例还有离合器壳体、离合器踏板、制动踏板固定支架、仪表板骨架、座椅、转向柱部件、转向盘轮芯、变速箱壳体、发动机悬置、气缸盖和气缸盖罩盖等。


奔驰SL/SLK跑车折叠镁合金车顶框架结构


奔驰SL/SLK跑车折叠车顶框架结构镁合金压铸件获得欧洲镁协2011年度汽车镁应用创新一等奖。在2012年欧洲镁协20届年会上,来自奔驰汽车公司的专家介绍了镁合金在奔驰汽车中的应用,特别是奔驰新一代SLK跑车折叠车顶框架是由四个镁合金压铸件组成,分别是车顶框架(3825g)、后窗框架(2075g)、左右C柱(980g)。这些镁合金压铸件都在奔驰Esslingen-Mettingen的镁压铸厂生产。


全球化基石 通用汽车中国前瞻技术中心


美国通用汽车公司计划扩大轻量化零部件在汽车中的应用。通用汽车公司开发出了采用热成型加工镁合金板材零部件并且可以防止腐蚀的方法,并且正在对开发出的零部件进行测试。通用使用的镁合金防腐蚀的方法是尽量减少两块材料之间的铆合,能使用一整块镁合金就不将其分成两块。另外,还要在镁合金的表面刷上防氧化腐蚀的化学制剂。


采用此种方法,可以用高强镁合金板材来替代钢和铝板材件。通用汽车公司已经对该方法申请了专利。该方法将镁材料加热到450°C后进行热成型。通用汽车公司已经采用该方法开发出了用于汽车后备箱盖的板材件,并成功通过了相关冲击测试。


通用公司将推广镁合金在汽车上的使用


由于镁制车身板件的应用,可以得到更好的车身操控,更佳的性能表现以及更经济的燃油成本,更轻的车身将在整体层面上提升车辆的性能。


相比于铝制板材件,镁合金车身板件的成本要高出3至4倍


镁合金在汽车上的应用虽然很早就开始展开,但是目前镁合金并没有广泛的推广开来,估计通用会是最早将镁合金在汽车行业量产推广的公司,在制造加工方面,制造薄板的镁合金包含有96%的镁、3%的铝以及1%的锌,并且需要在约450摄氏度的环境下以一个非常慢的过程进行冲压成型。


这使得制造的工艺要求和制造成本非常高。相比于铝制板材件,镁合金车身板件的成本要高出3至4倍。另外,由于镁合金板材的特殊性,在修复工艺方面或许与传统的钢铁板件存在一定差异。


因此,室温下的制造是镁合金的研究方向,可以更好的控制镁合金制件的成本。今天镁在汽车制造业中的情形,就好像铝材料在25年前一样;而日后对镁合金更加广泛的应用将会最终把成本摊薄。


以上我们列举了一些材料在轻量化中的应用,不断进步科技和制造工艺让轻量化有了更多的延展空间,但是你不要忘记了,汽车归根到底都是机械制造的产物,机械构成才是不断革新的最根本因素,所以结构上的改变是轻量化的另一个方向。


结构的改变—发动机的轻量化


这个方向的主要趋势是整合零件,减少零件数量,减小总成零件的体积,当然是在不影响汽车安全和性能的前提下。目前很多厂家都在积极的进行总成的轻量化,发动机是个非常典型的例子。


发动机的轻量化不那么容易


对于发动机总成的轻量化由来已久,上至豪车下至平民车型都在积极推进,发动机作为一部整车最重要的大总成,其轻量化意义重大。


为了达到控制废气排放和提高动力性等发动机性能的目的,发动机又必须引入新的组件,如涡轮增压器、EGR、后处理器和电控系统等,或强化原有零部件,如喷油泵的加强等,这样一来又会使发动机的重量有所增加。由此可见,要实现发动机轻量化并非易事,决不是通过较单一的措施就能实现的。


发动机的轻量化可以通过替代材料减轻重量,还有就是结构组成的优化,另外对组件的模块化和关键零件的结构优化也可以达到轻量化的目的。


EA211发动机轻量化结构的一些举措


我们以大众横置模块化MQB平台而全新研发的为EA211发动机为例,可以直观的了解结构的改变对于发动机减排的影响。


在驱动器件及相关附件中,由于从应用于EA111的金属材质的传动链改成用于EA211的非金属齿形带,加上包括张紧、连接链轮和带轮的不同,已使后者重量有所下降;再次,驱动系统的外罩部件是一重要的外附件,EA111采取的是集成、整体式铝合金链轮罩壳(其中还包含了机油滤清器等功能件),而在EA211中则变成了分体式结构,3个外罩件中,除了中间那个安装滤清器的为铝制件,另二个均为塑料件,从而大大减轻了后者重量;最后,EA111的壳体为薄钢板冲压件,其上还固定了一个用于润滑的由链轮驱动的油泵。


而EA211油底壳的材质是铸铝,其上除了带有机油泵外,还固定了一个机油滤清器和一个空调压缩机,显然后者的集成化程度较前者更高。


曲轴的轻量化


曲轴的轻量化更加明显,EA211发动机曲轴减少扇板数量,从传统的8片减少到4片;减小扇板的宽度,并进行形状优化;缩小主轴颈的尺寸,平均缩小10%。


这样一些列的工作下来,EA211系列发动机的质量减轻了约22kg,达到18%左右,燃油消耗也相应地下降了8%~10%。碳排放水平来看,EA211的减排效果也很明显,以有可比性的1.6L MPI发动机为例,每公里CO2的排放量可减少10g左右。


结构的改变—变速器轻量化


变速器是汽车动力总成的主要组成部分,而变速器齿轮传动机构又称为汽车变速器机构的主要组成部分,其其量化技术同样是一个系统工程,可采用细化(小型化)、优质、减免、整合、改质、异构、优化等措施进行轻量化技术设计。


变速器的轻量化


日产2009年实现量产化的CVT7变速箱的最大特点就是全球首次采用副变速箱技术。改变结构的这一创新既缩小了变速器的体积又增加了速比。


我们知道,传统的CVT变速箱主要是靠改变主动轮和从动轮的直径来实现改变传动比的。不过日产的CVT7变速箱,在此基础上创新性地加入副变速箱。这个副变速箱其实就是一套行星齿轮组,位于从动轮与输出轴之间,可以实现两个档位以及倒档的功能。一挡的速比为1.821,二档的速比为1.000。


另外由于将前后切换装置与副变速器一体化的设计,同时采用更小的主、从动带轮,从而实现小型化、轻量化。这款变速箱在原来基础上,减少了10公斤的重量。


所以,伟大的科研人员总是能通过突破性的改变其内部结构来实现车辆的轻量化。汽车轻量化深入到每个零部件中,研发人员为其掏空心思,于是我们的车辆耗材越来越环保,性能不断攀升,油耗却逐年降低。


效率的增加—发动机的小型化


各种零件和总成的小型化我认为也可以归结到轻量化的科技中,不过尽管这些和效率的关系更加密切。三缸发动机在近两年的时间突发猛进发展,并且大有燎原之势。


EcoBoost1.0L三缸直喷增压发动机


如果更小型的发动机也可以达到相对更高排量发动机的效果,那么何乐而不为呢?


福特在早前就发布了超小的EcoBoost1.0L三缸直喷增压发动机,这款投影面积仅为一张A4纸大小的小排量发动机,是由福特在英国的唐顿技术中心和在德国的Merkenich技术中心共同设计开发的,福特1.0L Ecoboost三缸发动机的最大功率为123马力,最大扭矩为201牛·米。也一举夺得了在德国举办的国际年度发动机大奖。这款发动机将取代福特的1.6升四缸自然进气发动机。


EcoBoost1.0L三缸直喷增压发动机


福特EcoBoost技术采用包括涡轮增压、燃油直喷和可变气门正时在内的三大先进技术,从而使一款小体积的发动机能输出与大体积发动机相当的动力,并将燃油经济性提高近20%。


也有人觉得三缸发动机难成大器,毕竟受到进气量的制约,这种伪装的新技术也只不过是廉价的挡箭牌。但是,我个人觉得,效率永远要比容量重要。宝马旗下的1.5T三缸增压发动机已经装载到了宝马i8、全新MINI以及将发布的1系GT上。


宝马旗下的1.5T三缸增压发动机


这台三缸发动机装配有Valvetronic电子气门技术以及一个双涡管涡轮,压缩比超越了N20和N55达到了11:1,如何控制好发动机的爆震也显得尤为重要,该款发动机的输出功率最高可达到165kW,最大扭矩则能达到240Nm,将取代现有的1.6T增压引擎。宝马全新研发的1.5T三缸增压发动机将成为未来宝马B级以下车型搭载的主要动力系统之一。


安全与轻重无关


这是一个颇有争议的问题,这也代表好的科技不一定会带来好的销量,舆论的指向也会让消费者再三考虑。这是营销中的秘诀,它加入了人与人之间复杂的成分,所以,新的科技看起来总是弱一点。


就像是有一部分人会认为这些轻量化的技术不过是资本主义耍花招想挣我们口袋里的钱罢了,铝合金哪里有钢结实,哪里有钢经撞啊;钢板太薄啦,必须是厚厚的才结实嘛;某日系车从中间锯开,夹层是纸壳子啊,这安全还有保障嘛;你看那美国的校车,悍马都撞碎了,装甲级别的,你看看人家!(以上谬论可自行百度涨知识)


仔细想想这些传言也许当时只是探讨,后来变成了真理,也有一些是散播人的别有用心。所以就这样很多车子都被扣上了一撞就碎的帽子,永世不能翻身。


汽车的安全非常重要,对于车辆来说,汽车安全分为主动安全和被动安全两大方面。主动安全大多是一些辅助的电子系统。被动安全是指汽车在发生事故以后对车内乘员的保护,如今这一保护的概念已经延伸到车内外所有的人甚至物体。


车架是重要的被动安全设施


通常被动安全更容易被相互谈论,因为事故总是突如其来,令人印象深刻。车架在其中承担了非常重要的角色,车架的轻量化也使用了高强度的结构钢和铝合金,通常车架碰撞后的吸能、分散能量、抵御变形的能力的强弱才能真正起到保护车上人员的作用。


所以,由于车架设计的不合格,很有可能造成车虽然没怎么变形,但是人变成了吸能的介质,对于这个结果,还是宁愿让车子变形的多一点。


所以,每当我们指着一辆被撞得稀里糊涂的车,幽幽的说,这车质量真不好,都撞烂了,的时候,我们都在犯同样的错误。生命远比车可贵,如果想知道究竟哪种车的质量好,应该翻看全球的车辆事故死亡率报告。


碰撞试验科学严谨


除此之外,有专业标准的碰撞试验是科学严谨的,能够一定程度的检测车的质量。但毕竟实际的碰撞是复杂的,我们没有办法只通过碰撞试验去标定一辆车的安全程度,碰撞试验只是给予了我们一个参考的标准。


轻量化绝对是汽车发展的趋势,五六十年前的轿车,平均重量在2500公斤到3000公斤,而今天的轿车平均重量是1500公斤,重量几乎降低了50%。所以,如果你固执的觉得厚厚的钢板以及坦克的重量级才够安全,那我也没什么好说的了,因为脆弱的汽车的确不是坦克的对手。


但是轻量化是一个循序渐进的过程,我们不可能看到这些铝合金、镁合金、塑料家族一下攻城而上,一方面是钢材的高韧性还是其他轻金属材料达不到的,例如奥迪A8的B柱里面有热成型钢内衬,另一方面大范围的量产这些昂贵的工艺材料都会影响到汽车的价格和销量。各大车企正在积极推进轻量化的进程,循序渐进的让这些目前还是轻量化的材料成为普通的耗材。


自重轻的车可以节省能源、降低污染,更会降低交通事故的发生率。如果所有的轿车整体轻量化,整体动能降低,所以长远看来,轻量化的发展会减少交通事故的伤亡率。轻量化必定是汽车发展的趋势,喜欢那份厚重感的人们也需要望而兴叹了。(来源:材料+)

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