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詳解汽車輕量化技術,看完你就明白車重不等于安全

詳解汽車輕量化技術,看完你就明白車重不等于安全

輕量化是汽車工業當前遇到重要挑戰,許多主機廠商都對該命題展開了巨大的研發投入,雖已經取得了非常大的成就,相比五、六十年前的汽車,當前的汽車平均重量已經下降了50%,但輕量化依然還有很大可以深挖的余地...
 
 
在國家部委聯合發布的《中國制造2025》中,已把輕量化當成汽車產業發展的重要方向,當節能減排成為當前汽車工業面對的必然要求時,汽車輕量化對于節省能源和保護環境都有著非常重要的意義。接下來就為大家介紹汽車輕量化的相關內容,以及汽車輕量化的途徑方法,解析汽車輕量化與安全性之間的影響。
 
 
什么是汽車輕量化?輕量化系數又是什么?
 
汽車輕量化并不是一味地降低質量或門板厚度,與“減重”的概念并不能簡單等同。汽車輕量化是在完善或改進汽車綜合性能的基礎上,盡可能地降低車身重量,達到質量降低、結構優化、安全性能提高和成本降低這四者有機結合的目標。根據相關研究表明,汽車75%的油耗都與其質量有關,比如滾動阻力、加速阻力和梯度阻力等,汽車整備質量每下降10%,油耗即可下降6-8%,排放下降4%;車輛質量降低100KG,百公里油耗即可降低0.3-0.6L。因此,汽車質量越大,燃油經濟性就表現的越差。
 
隨著材料科技和制造工藝的進步,汽車輕量化的趨勢也越來越明顯。汽車工業為了研究汽車的輕量化水平,還提出了汽車輕量化系數指標來進行衡量:汽車輕量化系數L=白車身(無門蓋、無前后風擋玻璃)質量×1000/(車身扭轉剛度×四輪間正投影面積),該系數越小,表示車輛輕量化水平越高。因此,汽車輕量化的途徑就主要有以下內容構成(途徑一與白車身質量有關,途徑二和途徑三與車身扭轉剛度有關):
 
途徑一:采用輕質復合和高強度材料
 
 
汽車輕量化常采用的新型材料包括:輕金屬材料和非金屬材料(陶瓷、碳纖維、工程塑料等),在輕金屬材料中,鋁合金是目前輕量化材料中應用最多,也是最成熟的材料,它的密度只有鋼的三分之一,抗沖擊性能好、耐腐蝕,減重效果明顯,可廣泛應用于車身、底盤和發動機等部件上;鎂合金具備密度小、比強度高、比彈性模量大等優點,相比鋁合金減重效果還要高15-20%,目前在汽車輪轂、進氣歧管、離合器、傳動外殼、齒輪箱等應用較多,在航天領域應用更廣泛;此外,航空領域昂貴的鈦合金也在汽車工業中也有少量應用。
 
在非金屬材料中,碳纖維具備非常低的密度(比鋁合金強2-4倍減重效果),拉伸強度是鋼的7-9倍,還具有耐腐蝕、高模量特性,同樣限于成本原因,在風力發電和航空航天領域應用非常普遍,如今在汽車領域也逐漸開始普及,如例如寶馬i8、i3等車型上碳纖維復合增強材料的比例已占60%, i8的輕量化系數已經達到0.99,i3也已經達到1.26,輕量化效果非常明顯。
 
 
工程塑料如PP、PUR、PVC、ABS、PE等等也在汽車上得到了廣泛的應用。此外,還有精細陶瓷、玻璃增強材料、紡織復合材料、高強度結構發泡材料等等。
 
 
  高強度材料則是在傳統鋼材上繼續挖掘潛能,性能卻更加優越(部分材料的屈服強度可超過1000Mpa),如高強度鋼板、熱沖壓成型鋼、高強度鑄鐵等,成本相比普通鋼材有所增加,但是相較之上述輕質復合材料而言還是顯得便宜得多。高強度鋼材在汽車底盤橫梁加強板、懸架支架、發動機支架等地方應用非常廣泛。
 
  當然了,鋼材并沒有全部敗給輕合金陣營,值得注意的是,奧迪全新A8就逆潮流而動,“拋棄”了堅持了二十余年的全鋁合金車身。全新A8內部40%的車身結構件將使用鋼鐵,17%車身結構件將由熱成形用鋼(PHS),屈服強度高達1500Mpa,相比全鋁合金車身強度更高,“相對”輕量化程度更好,雖然相比上一代車型增重了51KG,但車身剛度增強,安全性大幅增強,同時也大幅降低了成本,為汽車輕量化的方向提出了新的解決方案。
 
  目前輕量化材質主要面對的問題確實是應對制造成本升高的挑戰,這些高科技材料只有通過技術進步或規模效應來降低成本,才能使得它們從專業級賽車、超跑、豪華車型陣營下放到經濟車型中來。
 
  途徑二:車身結構優化設計和計算機輔助集成(CAX)
 
 
  車身結構優化設計可以很好地解決因上述新材料所帶來的成本問題,在保證碰撞安全和操控穩定性的基礎上,通過結構優化設計(如傳力路徑的優化,環形回路設計提升剛性)、拓撲優化等,來達到在相同的材質基礎上提升受力性能。
 
  當前,汽車設計工程師還會通過計算機系統進行CAD和CAE進行輔助分析和優化等,與結構優化一起結合,保證汽車的綜合性能。此外,提高汽車零件總成水平,減少零件數量和體積,按工況優化零部件的形狀,提高組件集成化程度等也可以達到優化的目的。
 
  途徑三:輕量化制造工藝技術
 
 
  汽車輕量化制造工藝技術包括了新的材料成型方法和連接技術,比如激光焊接、液壓成型、半固態鑄造技術、噴射成型技術等,這些技術可以大幅度減少零部件數量、提高車身質量穩定性、提高結構可靠性,在高強度負荷下可以保持強度均衡。不過這些技術都會導致整個生產線技術的更迭,對于規模較小的汽車企業來說,制造成本壓力將非常大。
 
  汽車輕量化反而有助于提升安全性
 
  汽車碰撞安全性能并不能簡單地通過車重來衡量,有人列舉坦克撞轎車的例子有失偏頗,但即便是坦克高速行駛時發生碰撞,內部人員同樣也會受到巨大的傷害。對于該問題,其實要去追究汽車本身安全設計的碰撞吸能結構、高強度材料和受力載荷傳遞等內容是否優秀,碰撞后乘員艙的完整程度等,其實都與汽車重量的大小沒有直接關系,國內外各大安全碰撞測試機構都有大量的數據來驗證,有些網友到現在還在根據鋼板的厚度來判斷汽車安全,那可真是典型的鍵盤俠了。輕量化并不是簡單地減重,而是匯聚了目前汽車工業最頂尖的制造科技和工藝,安全性一定能夠得到更好的保證。
 
  而反過來在汽車制動方面,由于輕量化所致汽車質量降低,在相同速度減速時,減速系統所消耗的能量就會降低,相同的制動器條件下,制動效果就更大,制動距離也會縮短,制動性能則有明顯的提升,因此,汽車在輕量化之后,主動安全性能反而會得到提升。
 
結語
 
  到底如何看待以上的這些輕量化的問題?輕量化并不難做到,而做到車輛的性能、安全、成本和重量四者之間的平衡才是我們需要去追求的,這四者只兼顧一方并不算是高明,而是四者做到和諧統一才是最高的境界。鋁合金、鎂合金等高科技材料的應用必然受到高昂的成本阻隔,但是在整車輕量化的大趨勢面前,相信汽車工程師們一定能找到更加完美的解決方案。
 
 
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