早先主要存在于汽車運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域
來自世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)的報(bào)告數(shù)據(jù)或許能說清楚原因:
■整車重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%
■汽車每減重100千克,百公里油耗可降低0.4升、二氧化碳排放可減少1千克
■在駕駛方面,汽車輕量化后其加速性能得到提高
■在制動(dòng)時(shí)由于滾阻力降低,制動(dòng)距離也將縮小。
通過這些數(shù)據(jù)可歸納出汽車輕量化設(shè)計(jì)的三個(gè)優(yōu)勢:節(jié)油、減排、提升性能
如今實(shí)現(xiàn)汽車輕量化主要有以下三種途徑
■汽車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)如結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化、底盤輕量化等
■應(yīng)用高強(qiáng)度和輕質(zhì)材料如應(yīng)用高強(qiáng)度鋼、鋁鎂合金、碳纖維、工程塑料等
■采用輕量化制造工藝如激光拼焊、內(nèi)高壓成形、結(jié)構(gòu)膠粘接等
三種途徑的有機(jī)結(jié)合與合理應(yīng)用,才能在控制成本、保證汽車性價(jià)比的前提下,有效實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化。
輕量化并不意味著降低汽車的安全性能和使用性能。設(shè)計(jì)上的優(yōu)化和制造工藝的提高反而有助安全性的提升,而且所采用的輕質(zhì)材料在剛性和強(qiáng)度上更優(yōu)秀。車沉而穩(wěn)錯(cuò)誤概念要屏蔽了 ,汽車的碰撞安全性不能用車的輕重和鈑金覆蓋件的薄厚來簡單衡量,汽車沉重不等于碰撞安全性就好。
在全球?qū)ζ嚢踩⒐?jié)能減排越來越嚴(yán)格的背景下,輕量化注定會(huì)越做越主流,越做越廣泛。其實(shí)輕量化并不局限于昂貴的鋁合金或碳纖維,各種輕量化技術(shù)已經(jīng)從身價(jià)高昂的豪華車和性能 車下探到民用車上,這些技術(shù)也成為了車企吸引大眾眼球的宣傳噱頭。
在北京車展發(fā)布的全新奧迪A4L官方宣傳較現(xiàn)款整車減重110千克,我們通過這款熱門車型說說輕量化都輕哪里。
全新奧迪A4L的車身框架并沒有采用奧迪ultra輕量化技術(shù)全鋁車身,在真空結(jié)構(gòu)鑄件、車身結(jié)構(gòu)型材以及結(jié)構(gòu)零部件上使用了超高強(qiáng)度鋼板+鋁合金。奧迪工程師表示這種復(fù)合車身綜合表現(xiàn)勝 過全鋼車身和全鋁車身。其設(shè)計(jì)理念是在車身不同結(jié)構(gòu)的不同部位使用不同的材料,從而在剛性、強(qiáng)度、車重和成本之間取得最佳平衡。
在門檻型材、立柱部件和車頭防撞結(jié)構(gòu)件使用高強(qiáng)度鋼,前懸塔頂和發(fā)動(dòng)機(jī)艙部分結(jié)構(gòu)采用鑄鋁和壓鋁制造,車頂、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋和前翼子板都將采用鋁合金制成。
各種材料組成的復(fù)合車身如何焊接呢?全新奧迪A4L所基于的MLB-Evo模塊化平臺(tái)將拋棄傳統(tǒng)的焊接鋼制全承載車身工藝,采用鉚接、激光焊接和流鉆螺釘?shù)雀鞣N高強(qiáng)度焊接技術(shù)。
新奧迪A4L底盤采用非金屬材質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)板以及底盤兩側(cè)毛氈材質(zhì)護(hù)板和尾部鋁合金護(hù)板,除了可以達(dá)到防腐的目的之外,輕量化設(shè)計(jì)也得以體現(xiàn)。新A4L前后懸架的主要部件均采用鋁合金材質(zhì),不僅讓懸架本身更輕盈能夠節(jié)能減排,還能提高整車運(yùn)動(dòng)性能。
對比新舊款?yuàn)W迪A4的懸架我們可以發(fā)現(xiàn),新舊平臺(tái)的前懸架設(shè)計(jì)基本保持不變,依然是類似于雙叉臂懸架的五連桿結(jié)構(gòu),但是在結(jié)構(gòu)件上全新A4L采用了輕量化的鋁制材料,并且在部件造型上也有變化,以達(dá)到提高結(jié)構(gòu)件剛性的目的。
一眼看去就能發(fā)現(xiàn)全新奧迪A4L的后懸架采用了全新設(shè)計(jì),比老款更加緊湊。去掉了下H擺臂,變?yōu)榱艘桓酒叫杏诤筝S的大托臂。螺旋彈簧的位置由減震器的前部(車頭方向),移到了減震器的內(nèi)側(cè)(后軸方向)。另外,防傾桿由前部移到了后部。從整體上來看,新懸架無論在材質(zhì)還是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上均實(shí)現(xiàn)了輕量化。
新一代奧迪A4仍將采用前縱置EA888發(fā)動(dòng)機(jī),這款發(fā)動(dòng)機(jī)并非全鋁發(fā)動(dòng)機(jī),采用全鋁缸蓋和鑄鐵缸體。有網(wǎng)友質(zhì)疑為什么不做全鋁缸體,可能是出于對成本和穩(wěn)定性的考慮。而且全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部也有鑄鐵成分,如果EA888采用普通結(jié)構(gòu)的鋁缸體,那么節(jié)省的重量應(yīng)該不超過10千克,體積反而會(huì)更大。在A4L這個(gè)級別上,奧迪估計(jì)更愿意體現(xiàn)性價(jià)比。
奧迪Ultra是其輕量化科技的命名,A4L的級別并沒有全面采用Ultra技術(shù),A8、A7、A6、A3等才是Ultra技術(shù)產(chǎn)品。最初也是應(yīng)用在高端奧迪賽車領(lǐng)域中,近些年不斷普及在民用量產(chǎn)車上。Ultra技術(shù)體現(xiàn)了奧迪對輕量化的理解:“對的材料,用在最合適的位置,提供最佳功能”。除此之外,在輕量化上宣傳度很高的車企還有凱迪拉克,那么我們一起看看凱迪拉克又是如何詮釋輕量化。
凱迪拉克CT6是上汽通用金橋工廠第一款下線車型,搭載了通用汽車諸多全球領(lǐng)先工藝,其中包括了我們今天的主題輕量化技術(shù)。我們先從其鋼鋁混合車身說起。
CT6的車身采用不同材質(zhì),圖中可以看到前防撞梁、前縱梁、前輪拱、底板橫梁等真空構(gòu)件和結(jié)構(gòu)型材均采用了鋁合金材質(zhì)。其中鋁材的體積占比為80%,重量占比為58%。
其實(shí)鋁材只是一個(gè)統(tǒng)稱,CT6的鋁構(gòu)件就來自鋁鎂硅合金、鋁鎂合金、高壓鑄鋁等。而高壓鑄鋁更有意思,比如CT6使用高壓鑄鋁T5和T7,T表示經(jīng)過了熱處理,后面的數(shù)字表示不同的熱處理狀態(tài),達(dá)到不同的塑形和韌性。
CT6與A4L遇到同樣的問題就是復(fù)合車身多材質(zhì)的焊接。CT6采用了自攻螺接、直沖鉚接、激光釬焊、電阻點(diǎn)焊4種焊接工藝,實(shí)現(xiàn)車身不同鋁材與鋼材的拼接。其中,螺接和鉚接在全鋼車身上較為罕見。
凱迪拉克官方介紹,CT6的車身框架比傳統(tǒng)鋼制車身減輕了約99千克。我們再看看其底盤做了哪些輕量化,首先CT6前懸架采用長短臂多連桿結(jié)構(gòu),擺臂以及轉(zhuǎn)向支柱均是鋁合金材質(zhì)。后懸架方面,連桿和軸承座也是鋁合金材質(zhì),可以說凱迪拉克CT6懸架成本不低。
CT6的前副車架、底盤護(hù)板等也是鋁合金,可以說凱迪拉克在CT6上打了“雞血”,底盤被全副武裝,輕量化率很高。
鋁合金車身可以說奧迪是先行者,凱迪拉克CT6大面積鋁材車身也讓人驚嘆,但接下來該是玩碳纖維的老手出場了。寶馬在碳纖維加工方面有獨(dú)特的優(yōu)勢,7系更是將鋁材、高強(qiáng)度鋼材和碳纖維融合在一起。
從寶馬7系的車身結(jié)構(gòu)可以看到碳纖維的使用比例很可觀。車頂型材、橫梁、車身ABC柱、車底中央通道以及后尾箱前沿均為碳纖維。這不僅減少了重量,而且大大提升了車身框架強(qiáng)度。
在頂蓋縱梁上采用“夾心”的設(shè)計(jì),外側(cè)使用高強(qiáng)度鋼進(jìn)行包裹,內(nèi)部為碳纖維。相對于單一的高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu),強(qiáng)度提升。B柱也采用相同的夾心結(jié)構(gòu)。
寶馬7系的懸掛系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)大量采用了輕量化設(shè)計(jì)其中僅鋁合金材質(zhì)的制動(dòng)總成便實(shí)現(xiàn)了1.3公斤的減負(fù)
如今7系與老款相比,自重就降低了130公斤,非簧載質(zhì)量降低15%。前后軸重量分配比例依然保持50:50的水平。據(jù)悉,在新一代的5系和3系上也將普及碳纖維的應(yīng)用。
總結(jié):通過具體車型輕量化技術(shù)的解讀,我們明白輕量化是在滿足汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛性、振動(dòng)噪聲、被動(dòng)安全性和耐久性條件下的輕量化。通過優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)和零部件用材,選擇合理的制造工藝,讓合適的材料、最優(yōu)的車身結(jié)構(gòu)用在汽車合適的位置,充分發(fā)揮每一部分材料的承載、吸能、加剛作用。不僅不會(huì)降低汽車被動(dòng)安全性,反而還有效改善汽車燃料經(jīng)濟(jì)性,提升汽車動(dòng)力性、制動(dòng)性能和通過性,降低有害氣體排放。但是遺憾的是當(dāng)下輕量化技術(shù)所耗成本比較可觀,中低端車型的普及率還不夠高,相信隨著消費(fèi)者對輕量化的認(rèn)知度提升,更多車企會(huì)加入這個(gè)行列。
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