材料輕量化的“三駕馬車”

 

　　基于結構和制造工藝的積累與進步，新材料的使用呈現出多元化的發展，綜合來看，可以將其形象化為“三駕馬車”。

 

　　超高強度鋼

 

　　在低碳鋼鋼板基礎上，采用不同強化機制得到高強度鋼板，并利用高強度特性，在保證車身機械性能的前提下，減薄厚度，進而降低汽車質量。有研究表明：當鋼板厚度分別減小0.05mm、0.1mm、0.15mm時，車身質量可分別減少6%、12%、18%。

 

　　以沃爾沃為例，S60長軸版在車輛A、B、C柱、側面防撞梁、底盤加強梁、后保險杠等這些關鍵部位，超高強度硼鋼使用率為37.6%，白車身重量僅為321Kg，而在同尺寸車型中，白車身重量一般在350~400Kg。

 

　　相比高強度硼鋼，熱成型鋼的使用更為主流，將鋼板經過950℃高溫加熱之后一次成形，再迅速冷卻淬火，屈服度可達1000Mpa之高，車身重量保持不變時，承受力可提高30%。現在熱成型鋼板的使用已經下探到10萬級別以下車型中，多集中在A、B柱上，在更高價格的汽車上，也逐漸應用于中通道、底盤橫梁、縱梁等部位。

 

　　鋁合金

 

　　鋁合金密度小、比強度和比剛度高、彈性和抗沖擊性好，還耐腐蝕，剛開始應用于發動機罩和行李箱蓋，后被廣泛用于汽車車身及底盤。按照使用區域來劃分，主要應用在車架及大型鋁合金型材件、前后防撞梁、車門外板等覆蓋件及底盤傳動部分零部件全鋁化三個方向。

 

　　現在很多A級車也會用鋁合金取代傳統的鋼制覆蓋件，比如別克新英朗的發動機蓋就是鋁制結構。而對于底盤部件的優化，鋁合金不僅能夠減輕簧下質量，還能有效降低車重，可謂一舉兩得。

 

　　以奧迪A8L為例，其采用的空間框架結構(ASF)是由22%的擠壓成形鋁合金件、35%的高精真空鑄造鋁件、35%的液壓成形鋁合金板材和8%的強化鋼材組成。

 

　　考慮到車身骨架是由鋁質的擠壓型材和壓鑄零件構成，焊接工藝采用激光焊接和沖鉆鉚接，白車身質量只有241kg，較傳統鋼質結構車身具有40%的輕量化優勢，結構剛性與抗扭強度較上代產品提升了25%。這種工藝還使用在TT、R8等眾多量產車型上。

 

　　鋁合金相比超高強度鋼，在輕量化上優勢明顯，原材料成本上差距也不大，但鋁合金材料的加工和焊接成本對傳統的制造工藝要求高，設備和技術的升級使得相當一部分廠家很是頭疼。而且鋁合金材料在修復問題上還沒有明顯進展，這將直接導致高額的維修成本。

 

寶馬BMW7的C柱加固件

 

　　復合材料主要指碳纖維增強復合材料，它比鋁輕30%、比鋼輕50%，強度卻是鋼的7~9倍。早在20世紀80年代，碳纖維就開始應用于航空等高精尖領域，其下放到民用級汽車上還是在21世紀以后。

 

　　自2003年寶馬E46M3CSL的車頂開始使用碳纖維開始，BMW車輛上很多零部件都用了碳纖維，例如發動機支撐桿、傳動軸、后視鏡等。得益于陶氏復合材料結構膠注射粘接技術，全新BMW7系的車體框架中，碳纖維增強復合材料被用于加固車頂橫梁結構以及B柱和C柱、底部側圍、中央通道和后部支撐。相比上一代車型，全新BMW7系最大減重達130kg。

 

　　以上復合材料是作為加強件而存在的，這相當考驗復合材料和鋼材或鋁合金之間的連接技術，也提升了膠結或鉚接技術在這方面的應用前景。此外，BMWi系列采用的全碳纖維車身設計則更為直接，碳纖維零件的預成型模具可由多個接合在一起，來生產表面積較大的碳纖維部件，最終通過特殊的粘接劑組裝。

 

　　不同于碳纖維材料，工程塑料用于替代汽車上的有色金屬及合金部件，其剛性大，電絕緣性好，能在較寬的溫度范圍內承受機械應力，還能在苛刻的化學物理環境中使用。玻璃鋼(FRP)、ABS、PVC、PA等都屬于這個范疇，以玻璃鋼為例，可用于制造保險杠、艙門板、翼子板、儀表臺等。目前在汽車上，非金屬材料占26%~28%，塑料占9%，仍有相當大的提升空間。

 

　　事實上國外發達國家已經將汽車中塑料的占比來衡量汽車制造和設計水準。以汽車工業大國德國為例，每輛汽車使用塑料制品為300Kg，約占汽車材料消耗總量的22%，相比2000年，發達汽車國家的塑料平均使用量僅為120Kg(世界平均水平為105Kg)，可見發展速度迅猛。而在2010年，中國每輛汽車平均塑料用量才為70千克，還不及發達國家十年前的水平。

 

　　雖然我們把各項技術單拎出來談，但汽車輕量化材料的發展并不是單打獨斗，比如奧迪A8L在ASF車身結構中還加入了鎂合金(頂吧)以及CFRP碳纖維增強塑料(后壁板)，凱迪拉克CT6采用了鋼鋁混合車身結構(鋁合金比例64%)等，奔馳GL級的發動機支架采用了巴斯夫聚酰胺材料(塑料件)。合理利用各種材料的特性，并結合對應汽車部件的功能，就目前來說更加可取。

 

　　輕量化材料與自動駕駛

 

　　新時代下，汽車輕量化和汽車安全性之間的聯系變得越發緊密。隨著智能網聯汽車技術的發展，汽車整體安全性必然會有提升，輕量化技術可以從中獲得更多的可能性，我們不再需要一味加強車身來提高碰撞安全。

 

　　基于新形式下的需求，低速電動車采用的一次成型整體車身優勢明顯。通過滾塑整體成型工藝，能一次性制備出具有復雜曲面的大型或者超大型的中空塑料制品。很多一體成型車身采用內置鋼網結構或添加強化材料如玻璃纖維等來增強車身的結構強度，這正好滿足了轎車車身體積大、外觀線條流線、曲面圓滑的要求。

丹麥節能電動車ECOmoveQBEAK。

 

　　以丹麥節能電動車ECOmoveQBEAK為例，車身尺寸為3,000×1,750×1,630mm，整車質量僅為425Kg。而同尺寸的傳統轎車車身重量基本在1,000千克以上，即使是尺寸更小的Smart，車身尺寸2,695×1,663×1,555mm，整車質量也有920-963千克。

 

　　將來的汽車必然會向質量更輕、加工更加簡便的工程塑料方向發展。不僅是從廠家角度考量，對于用戶來說也是如此。技術優化后，傳統轎車的承載式車身結構也會被打破，取而代之的是無骨架車身結構，這種類似于F1賽車所采用的碳纖維單體殼式車身結構，采用了仿生原理，安全性更高、內部空間更大。

 

　　小結  

　　不論是諸如沃爾沃這樣的保守派，還是寶馬這樣的激進派，都在自己專注的領域突破著，“三駕馬車”還遠沒有達到各自的頂峰。在更遠的未來，隨著智能網聯汽車技術的發展與成熟，輕量化材料的格局可能會變化，工程塑料和復合材料的使用會更加普遍。