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一文了解2017年全球8大车企的轻量化技术及工艺

随着排放法规的愈发严苛及提升燃油经济性的迫切需求,全球多家知名车企纷纷研发新工艺及新材料,旨在实现轻量化,为车企节省成本。回顾2017年,小编对“盖世新技术”版块的文件内容进行了整理,详见下文:

福特

关键词:生物材料、技术挑战

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福特采用生物材料

福特于上世纪20年代起就致力于生物材料,当时亨利·福特采用了麦草(wheat straw)。在上世纪40年代,福特又采用大豆、大麻(hemp)及其他天然材料,将其制成塑料。福特采用了大豆材质的泡沫、密封件、垫圈、蓖麻材质的泡沫、塑料及天然纤维增强材料,上述材料的平均用量为20-40磅/车。

福特面临的挑战

其中一项挑战是:务必确保生物材料拥有良好的光洁度(surface finish),然而用户却希望在材料表面能看到更多的天然纤维。

其他的问题还包括:气味、湿度敏感性(moisture sensitivity)、降解、耐风化强度(resistance to weathering)及耐恶劣环境,经济性也是一项重要因素。

对于聚乳酸(polylactic acid)或聚羟基脂肪酸酯(PHA)共聚合物,材料研发部的研究人员Alper Kiziltas表示:“这类材料不耐用,若将其用于汽车应用,尚无法实现经济性。此外,其密度要高于聚丙烯(polypropylene)材料。”

着眼于海洋内的塑料废弃物

福特研究员的科研人员表示,海洋内废弃物也是一大问题。研发人员表示应收集海洋内的塑料废弃物。

其他研发趋势还包括:车辆内饰中的抗生素添加剂(antimicrobial additives),确保共享车辆的用户不会沾染到上一位驾驶员可能携带的病菌。

FCA

关键词:轻量化、预处理工艺、隔绝噪音

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轻量化

在Surcar上,FCA材料工程漆部门的Roberto Selvestrel将与汉高Transplant OEM业务的销售总监Manfred Holzmueller将共同探讨为新款Giulia采用新款金属处理系统后的效果,这有利于促进车身工艺、工艺与材料工程、工艺材料供应商之间的合作。

新款Giulia的车身轻了90 kg,这是该车身材料使用了轻金属、新工艺材料及新的涂装技术。为实现减重并提升车辆的性能,FCA采用了铝材,其材料的重量占比达到了45%。公司采用突破性的整车声学包系统(acoustic package),提升了乘客的舒适度,减轻了车身重量。

预处理工艺

两步式磷酸盐处理金属预处理工艺(Bonderite two-step metal pretreatment process)是由汉高研发的,用于多金属车身,其铝含量所占比重极高(高达80%),抗腐蚀性能超强,同时还能降低投资额及加工成本。第一步:在浸涂工艺中采用磷酸锌对金属进行处理;第二步:在冲洗后采用对铝采进行处理。磷酸盐处理时油泥的生成量将降低30%-50%,消耗的化学物质也较少,因表面粗糙而导致的返工量也将减少。此外,由于操作温度较低,还能起到节能作用。

隔绝噪音

阿尔法·罗密欧Giulia还受益于汉高泰罗松(Henkel Teroson)旗下的高膨胀车柱填充物(high expansion pillar fillers)。当车身被送入电泳漆烘干室(e-coat oven)后,高温将致使模塑件膨胀至原始体积的十倍多,完全填满并密封车内空腔。在车辆运动时,可防止空气进入该空腔内,起到消除风噪(wind noise)的作用。

该款产品也是由汉高公司研发的,旨在降低因车身外壳震动而导致乘客舱(passenger compartment)而产生的噪声。FCA采用了阻尼性能测试(damping properties),在进行大量测试后,该产品的损耗因素在各类候选材料中排名最高。Giulia车型上的泰罗松AL7154的总重量比标准油泥垫轻了10%,后者被用于提供隔音效果。

通用

关键词:低碳钢、铝合金、镁材、碳纤维

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通用正竭力将轻量化材料与创新制造工艺相结合,并将其应用到旗下新款乘用车及卡车中。为此,通用多管齐下,引入新的装配线材料、鼓励工程师团队提出创新方案并应用到车辆制造中。

低碳钢

该材料一度成为轿车及轻卡的标配原材料。因为其价格较低廉、易于焊接、易于弯曲成形(bend to shape)、金属耐疲劳度也较高。然而,该类材料也存在许多瑕疵,例如:耐腐蚀性受限、分量较重。尽管上漆及电镀两项工艺几乎可以消除其在耐腐性性方面的不足,但却无法减轻低碳钢的重量。

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铝合金

这是通用首选的轻量化材料,易加工、经久耐用,其耐腐蚀性要强于低碳钢。通用采用铝板(sheet aluminum)制造车身钣金件、采用挤制铝材(extruded aluminum)制造车架滑轨(extruded aluminum)、采用复杂精细的铝铸件替换由数十个小零件组成的较大单元组,这样既减轻重量,又降低其结构的复杂性,还提升了材料的刚度及碰撞性能(crash performance)。铝材还被专门用于制造雪佛兰C7 Corvette及雪佛兰Malibu。新款凯迪拉克CT6则用铝材取代低碳钢,使该款全尺寸豪华轿车的重量比宝马5系轿车要轻许多。

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为此,通用采用了先进的点焊技术,使熔点不同的材料能够紧密的粘合在一起。车企将轻质铝皮(aluminum skin)与结实耐用的钢架组合在一起,使两种材料实现互补,在提升强度的情况下减轻车重。

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镁材

通用还在车辆的制造过程中使用了镁,因为该材料在所有金属中分量最轻。与铝材相较,分量轻了33%,其强度及耐腐蚀性却大幅提高。然而,镁的熔点较低,强度表现也并非很出色(与钢材相较),进而限制了该材料的应用。

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碳纤维

通用正致力于一项碳纤维车轮项目,承诺实现车辆减重40磅。车轮的重量被认为是“旋转质量及非悬挂重量(rotating and unsprung mass)”,这意味着每降低一盎司的重量,将大幅提升车辆的能效及驾驶动态性。

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据一名消息人士表示,碳纤维有望成为应用于皮卡车厢中的混合材料的一部分,其中包括铝。通用于2011年宣布与帝人集团(Teijin Ltd.)联合研发碳纤维增强热塑性塑料(carbon fiber-reinforced thermoplastic)。通用皮卡车厢将首次使用该碳纤维增强热塑性塑料。

捷豹

关键词:轻量化、悬架系统设计及材质

捷豹2018款E-PACE的轻量化表现

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该款车型的发动机罩、前护板(front fenders)、车顶及舱盖式后背门(tailgate)采用全铝材质打造,相较于钢制发动机罩,其发动机罩为该款捷豹车型减重22磅,而前护板为车身减重6.6磅。除提升燃油里程(gas mileage),该款轻量化的铝质发动机罩还降低了车辆的重心,提升了车辆的操控能力与稳定性。”而铝质舱盖式后背门则实现减重33磅。

该款车型设计先进,采用了铆接/粘合工艺、对某些选定结缝采用激光焊(laser welding),进一步优化了车重及品质。

捷豹2018款E-PACE悬架系统设计及材质

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前转向节(front knuckle)采用了轻量化的空心铸铝组件,旨在提升翘曲度(camber),尽可能降低操纵失灵。E-PACE的前副车架经过特殊调准,该结构硬度高。

悬架衬套(suspension bushing)及横向平衡杆(anti-roll bar)质地坚固,可提升转向响应速度,确保在低倾斜角下实现转向控制。

捷豹的工程师们采用了大量的轻量化铝质悬架组件,在提升的硬度的同时降低非簧载质量(unsprung mass),有助于实现车辆的动态性能。后悬架安全在轻质、坚固的钢质副车架上,优化转向响应速度,并进行了工艺细化。

宝马

关键词:碳纤维、成本过高

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据外媒报道,宝马工程师Florian Schek在美国汽车研究中心(Center for Automotive Research)举办的管理简报研讨会(Management Briefings Seminars)上表示,碳纤维材料由于价格极为高昂,成本难以降低,在汽车上的应用将不太乐观。碳纤维材料应用的主要挑战在于其成本过高,且该项技术的难度也较大,其用途十分有限,仅被用于一级方程式赛车、价格高昂的超豪华车型的车身及底盘。

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宝马明确表示,下一代宝马5系车辆将不会再使用碳纤维,但宝马i3、宝马i8及宝马7系尚未放弃该材质。他表示大约在2020年,宝马旗下车辆将大量采用碳纤维。宝马的i3和i8的整个车身件均采用了碳纤维,而宝马7系的白车身则采用多种复合材料,涉及碳纤维板、强化钢质及铝质元件。

奥迪

关键词:碳纤维白车身、超快速树脂传递模塑

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碳纤维白车身

奥迪将MSS作为一款工具,旨在将先进的碳纤维复材应用到白车身(body-in-white,BIW)中,从而减轻车重并提升车辆的性能。随着车辆电气化的不断推进,奥迪更坚定了这一构想。奥迪轻量化设计中心碳纤维复材(CFRP)技术研发专员David Roquette表示,第一代奥迪R8车型采用了铝材,但奥迪决定在第二代R8中采用MSS项目所研发的碳纤维复材。

据Roquette透露,2016款R8 Spyder和Coupé车型的后壁均采用了碳纤维复材,从而大幅提升了扭应力(torsional stress)及车辆的刚度(vehicle stiffness),还实现车身减重。

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奥迪的设计工程师们将单向碳纤维织物加强件(woven carbon fiber fabric reinforcements)与快速硫化环氧树脂体系(fast-cure epoxy resin system)相结合。奥迪采用泡沫夹层,其旨在减少各结构件、B柱填充物、强化件(consolidate part)中碳纤维的用量,同时提升其强度及刚度。奥迪希望采用树脂传递模塑(resin transfer molding,RTM)工艺,向被碳纤维包裹的泡沫材料中注入环氧树脂。在对复材泡沫芯材进行加工时,无需进行机加工及研磨。此外,据Diebold称,聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)材料拥有均质芯材结构(homogenous cell structure),可耐受液压静力(hydrostatic testing)试验。

超快速树脂传递模塑的研发之路

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RTM工艺的精整(refinement),奥迪期望利用新工艺将各类材料融合到一起。最终,奥迪决定将该项工作移交给了一家一级供应商,由其负责相关的生产工作。双方对RTM工艺中的(fine-tune)了注塑压力、压缩力(compression force)及模具间隙进行了精准调整(微调),从而进一步优化了该模塑工艺。

对于奥迪R8 Spyder的夹层结构(sandwich structures),注塑压力不超过40 bar,最大模塑间隙可达0.6毫米,最大压缩力可达500 MT,而模具温度不得超过123℃。凭借该项新工艺,注塑时间可缩短至15秒,而整体生产周期时间可控制在5分钟以内。

新工艺向制造商的推广应用之路

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等到奥迪材料及工艺的自主研发取得成果,并将其成果转交给负责实际生产的两大欧洲复材供应商时,对方也对觉得该合作所涉及的技术与产品均存在不确定性。为此,奥迪为供应商提供了相关的技术展示,告知其新技术的应用方法。最终,奥迪说服了供应商,由后者负责这类零部件的生产,供应商为此也承担了许多风险。作为一家车企的供应商,要做到这一点确实很不容易。

成本居高制约制造 奥迪继续探索新工艺

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2017年,奥迪引入了一款四座豪华车奥迪A8,该款车型采用了碳纤维复材后壁及后窗台板(upper rear shelf),上述两款部件都采用了碳纤维复材,也都采用了超快速RTM工艺。如今,公司将目光放在产品的方方面面,不仅仅是碳纤维的价格问题,还有RTM工艺的生产速度。此外,还要考虑树脂价格、粘合剂价格,整个材料链的价格。为此,我们务必采用全新的理念。

马自达

关键词:座椅、车身、底盘

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据外媒报道,马自达正在研发新一代汽车平台,其重点关注以下三个方向:1. 座椅:可随车辆的簧上质量(sprung mass)而移动;2. 车身:在动力传递时可实现最小延迟(minimal delay);3. 底盘:可减缓簧下质量(unsprung masses)的输入。马自达采用扭力梁式(torsion beam)悬架系统替换了上一代多连杆式后悬架系统。当该平台与Skyactiv-X火花控制压燃汽油发动机搭配后,下一代马自达3或将成为一款全能型车型。

座椅

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马自达座椅质地更硬,可确保压缩轴(compression axis)平稳,使骨盆和上升保持自然的肢体活动,使乘客的头部更平稳。为此,对这类核心区域的座架(seat frame)进行了强化,使得骨盆横向侧位移(lateral pelvic displacement)的最大降幅达到了83%,进而提升舒适度,并感受细微的不同。当在座椅上做好后,身体将得到支撑,“甩头(head toss)”的情况将大幅减少。若乘坐的车辆减震性能不好,您的头部势必会出现晃动或摇摆,我相信甩头绝对是一项恼人的搭乘体验。

车身设计

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马自达在现款马自达3的基础上做了大量的改动。车身的打造通常会采用三个矩形构架(rectangular frames)设计——其分别跨越前舱壁(across the front bulkhead)、跨越B柱(across the B-pillar)、位于后舱壁。马自达为最新款底盘设计了全方位的环形结构,在前后减震器刚性支承(rigid front and rear damper mount)间构建斜向能量路径(diagonal energy paths),将最新款车身从前端减震器到后减震器的屈曲(flexion)传输速度提升了近三成。

除提升车身刚度(body stiffness)外,马自达还致力于降噪,其在车身结构内嵌入了16个减震弹性体,可避免多余的振动,保留热能。这类减震节点及减震结合处(damping nodes and bonds)有助于降低噪声信号变动的速率,前者会使人不太愉快。从设计角度看,可从声音变动的振幅或频率来进行调整,这样乘客所能感知到的刺耳声音将减少。

使簧下质量定时控制平顺化

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马自达从车轮、轮胎、制动器等方面入手。首先,公司为轮胎配置了一块质地较软的侧壁,降低前/后轮行程,然后又采用了新款衬套设计,提升前悬架臂意味着马自达可更为精细地调控簧下质量的定时控制。马自达采用扭力梁式(torsion beam)悬架系统替换了上一代多连杆式后悬架系统。当被问及原因时,车辆研发部的总经理Hiroyuki Matsumoto表示:“该结构更为简单,易于调节。”

显然,在未来两年内,还将对马自达下一代平台进行调整。其他方面也有可圈可点之处。电辅助转向的运营声音较轻,其电制动系统也表现也很有意思,还需要对制动模块进行些许调整。当该平台与Skyactiv-X火花控制压燃汽油发动机搭配后,下一代马自达3或将成为一款全能型车型。

兰博基尼

关键词:碳纤维、钢材、铝材

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据外媒报道,兰博基尼于2017年12月4日宣布,公司推出了兰博基尼Urus,车身重量低于5000磅,采用钢、铝两种材料,是一款“超级SUV”。兰博基尼公司强调,该款车型“融合了铝材及钢材。”得益于其轻量化设计,兰博基尼Urus车车重为4850磅。该款车型的车身也采用了轻量化设计,选用了铝、钢两种金属材料。该款SUV拥有无框车窗,无C柱后车窗则采用玻璃材质。

前桥配置了铝质副车架,而后桥则配置了铝钢并合构造单元(aluminum and steel hybrid construction cell)

底盘高度是可控的,作为Urus的标配——Easyload Assist可调低Urus车型的后桥高度。

该款车辆售价为20万美元,这一点不足为奇,因为该车型搭载的驾驶辅助系统,只处于2级自动驾驶水平,并非奥迪A8这类三级自动驾驶车辆。

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兰博基尼正与休斯敦卫理公会研究所(Houston Methodist Research Institute)合作研发生物工程碳纤维复合材料。兰博基尼还与美国机构开展合作,研究碳纤维铸造件,该实验室位于西雅图附近。而在不远处的华盛顿州摩西湖市,有一家公司正在为宝马i8和i3的车身钣金件及其他零部件生产碳纤维材料。

盖世小结

上述车企在进行轻量化进程时,碳纤维和成为炙手可热的材料,旨在大幅减轻车身重量。然而,由于其价格较高,应用量并不大。相反,许多车企纷纷从工艺及合金材料着手,在提升汽车部件强度的同时减轻车重。钢、铝等合金材料及热塑工艺、结构部件的设计也成诸多车企轻量化战略中的重要组成部分。(

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责任编辑:hongljiang
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