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精密儀器

成大勢(shì)所趨,揭秘汽車(chē)車(chē)身輕量化的實(shí)現(xiàn)

隨著新能源汽車(chē)的大行其道,但凡是對(duì)汽車(chē)有所了解的人都清楚,新能源汽車(chē)是節(jié)能環(huán)保的大趨勢(shì),但其實(shí),除卻新能源化外,汽車(chē)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(chē)運(yùn)動(dòng),它的優(yōu)勢(shì)其實(shí)不難理解,重量輕了,可以帶來(lái)更好的操控性,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力能夠產(chǎn)生更高的加速度。由于車(chē)輛輕,起步時(shí)加速性能更好。

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隨著“節(jié)能環(huán)?!痹絹?lái)越成為廣泛關(guān)注的話題,輕量化也廣泛應(yīng)用到普通汽車(chē)領(lǐng)域,在提高操控性的同時(shí)還能有出色的節(jié)油表現(xiàn)。

汽車(chē)的油耗主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的排量和汽車(chē)的總質(zhì)量,在保持汽車(chē)整體品質(zhì)、性能和造價(jià)不變甚至優(yōu)化的前提下,降低汽車(chē)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(chē)速、降低油耗、減少?gòu)U氣排放量、提升安全性。

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

汽車(chē)車(chē)身約占汽車(chē)總質(zhì)量的30%,空載情況下,約70%的油耗用在車(chē)身質(zhì)量上。因此,車(chē)身變輕對(duì)于整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性、車(chē)輛控制穩(wěn)定性、碰撞安全性都大有裨益。

汽車(chē)的輕量化是目前汽車(chē)工業(yè)發(fā)展中一項(xiàng)非常重要的項(xiàng)目,而汽車(chē)的輕量化表現(xiàn)在很多的方面,比如底盤(pán)的輕量化、內(nèi)飾的輕量化、動(dòng)力總成的輕量化等等,當(dāng)然,車(chē)身的輕量化表現(xiàn)的最明顯。

一般實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化會(huì)通過(guò)這樣三種途徑:一是應(yīng)用高強(qiáng)度和輕質(zhì)材料,二是優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu),三是運(yùn)用先進(jìn)的制造工藝技術(shù)。我們一一來(lái)看。

▋材料的輕量化

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

目前在汽車(chē)行業(yè)的材料輕量化已經(jīng)成為一種趨勢(shì),在不影響車(chē)身強(qiáng)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(chē)身自重,從而帶來(lái)更好的燃油經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度。

鋁的重量只有鐵的1/3,并且回收利用率高,汽車(chē)中的鋁有85%是可以回收的。但是鋁也有很多缺點(diǎn),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(chē)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(guò)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度不下降的物質(zhì)。

在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹,耐蝕性出類(lèi)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(wèn)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(chē)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(chē)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(qiáng)度和韌性的碳纖維組件,不僅能夠幫助整車(chē)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(guò)程幾乎不計(jì)成本,所以在車(chē)上大規(guī)模應(yīng)用碳纖維組件甚至整車(chē)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(chē),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(kāi)始碳纖維材料的小組件,如后視鏡、內(nèi)飾門(mén)板、空氣套件等等

在車(chē)身材料的輕量化上,造車(chē)新勢(shì)力的創(chuàng)新和嘗試也算是對(duì)汽車(chē)工業(yè)做出了不小的貢獻(xiàn)。比如蔚來(lái)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(ài)馳使用上鋼下鋁的車(chē)身結(jié)構(gòu)。

▋優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)

車(chē)身的優(yōu)化設(shè)計(jì)是很重要的輕量化方案,也在眾多的車(chē)企中被設(shè)計(jì)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(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化是通過(guò)采用先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和技術(shù)手段,在滿足車(chē)身強(qiáng)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(jìn)而優(yōu)化車(chē)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(shí)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(shí)現(xiàn)輕量化。

在當(dāng)下的科技環(huán)境中,使用CAD與CAE等計(jì)算機(jī)工具,是一個(gè)不錯(cuò)的輔助。

通過(guò)CAD對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行設(shè)計(jì),在軟件上模擬實(shí)體車(chē),然后對(duì)整車(chē)進(jìn)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(duì)整車(chē)設(shè)計(jì)完成以后,可以通過(guò)CAE進(jìn)行進(jìn)一步分析和運(yùn)動(dòng)干涉分析等,使輕量化材料能夠達(dá)到車(chē)身設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求。

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

比如3D打印帶來(lái)了通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面上達(dá)到輕量化的可行性。具體來(lái)說(shuō),3D打印通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面實(shí)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)、異性拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)。

通過(guò)3D打印是實(shí)現(xiàn)機(jī)械輕量化的一個(gè)重要方向。

▋先進(jìn)的制造工藝

在材料與優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)之外,往往需要革新制造工藝來(lái)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(qiáng)度和不同表面鍍層的板坯拼合起來(lái),然后整體進(jìn)行壓型。激光拼焊板工藝已在汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用成熟,用于制造車(chē)門(mén)內(nèi)板、加強(qiáng)板、立柱、底板和輪廓等部件。

比如對(duì)于高強(qiáng)度鋼的熱沖壓成形工藝,是因?yàn)樵趶?qiáng)度超過(guò)1000MPa以上時(shí),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(wú)法成形。

再比如一種鋁合金壓鑄新工藝。隨著鋁合金在車(chē)身上的應(yīng)用日益廣泛,工程師們開(kāi)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(wú)孔性壓鑄法等,其中無(wú)孔性壓鑄法最受歡迎,壓鑄時(shí)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(shí)現(xiàn)無(wú)氣孔且可熱處理的高質(zhì)量壓鑄件。

目前用無(wú)孔性壓鑄法生產(chǎn)的鋁合金大量應(yīng)用于車(chē)輪、進(jìn)氣歧管以及動(dòng)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(lái)說(shuō),汽車(chē)車(chē)身的輕量化,主要便體現(xiàn)在以上關(guān)于材料輕量化、車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、先進(jìn)的制造工藝等三個(gè)方面。

在現(xiàn)在的汽車(chē)市場(chǎng)上,汽車(chē)品牌的競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)嚴(yán)苛,而汽車(chē)的輕量化無(wú)疑就是一個(gè)十足的賣(mài)點(diǎn),無(wú)論是傳統(tǒng)燃油車(chē)還是新能源汽車(chē),汽車(chē)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(chē)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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