在之前的的文章《車重皮厚就等於安全? 看完這幾個例子後發現自己被打臉》, 已經和大家分享過關於車重的問題. 實際上, 隨著汽車節能減排的需求越來越嚴苛, 輕量化已經成為各品牌在研發新車時非常重要的考量. 而隨著汽車的發展, 車身尺寸不斷增大, 安全係數不斷提高, 配置越來越豐富, 結構越來越複雜, 又要保持合理的車重, 並不是簡單減去幾塊鐵就能完成的事情. 可以說, 輕量化的手段和效果如何, 真正體現了品牌之間的研發核心技術差距.
在說到輕量化的手段之前, 我們首先說說輕量化有什麼用.
WHY為什麼
油耗降低
對於輕量化的最直接效果來說, 就是油耗的降低. 按照現在比較認可的研究結果表明, 一般汽車質量降低10%, 燃油效率可以提升6%到8%; 汽車質量每減少100公斤, 百公裡油耗可以降低0.3—0.5L. 對於現在日益嚴格的環保要求, 和消費者對油耗越來越敏感的情況下, 有效降低車重可以明顯提升車型的競爭力.
續航裡程提升
對於電動車來說, 續航裡程可以說是生命線般的存在. 一般而言, 電動車的續航能力取決於車身上的電池容量大小, 而電池容量大小又取決於電池的數量. 因此續航較長的電動車電池通常較多, 車身也更重. 但是車身重量越重, 行駛慣性越大, 加速和刹車時需求電機提供的能量也就越大, 電量消耗也越嚴重, 縮短電動車的行駛續航裡程.
車身輕量化和電動車的續航能力有著非常密切的關係.
另外, 傳統燃油汽車隨著裡程的增加, 燃油會逐漸減少, 變相車重也會逐漸降低. 但電動車並不會隨著電量降低而降低重量, 在電量電壓都降低的情況下要推動依舊沉重的車身, 耗能狀況會進一步惡化. 因此, 減輕車身重量, 對於電動車提升續航裡程有相當積極的意義.
舒適性和操控性能提升
一般而言, 車身的質量越小, 車身慣性也越低, 操控時的動作可以更敏捷. 另外, 較輕的車身不需要用很硬的彈簧和避震去支撐, 因此可以使用更軟的底盤設定, 吸震性能也會更好一些, 乘坐更舒適.
HOW怎麼辦
說到這裡, 大家都知道輕量化的好處了. 不過輕量化並不是簡單增減一些材料就能完事的事情. 現在的車尺寸越來越大, 配置越來越多, 安全性要求也越來越高. 在這個前提條件下去達成輕量化, 就更有難度了. 不過不少車企等都在尋求一些有效的輕量化手段, 我們就去看看他們究竟是怎樣做的.
替換輕量化材料
現在汽車白車身的生產材料, 主流是使用低碳鋼的冷軋鋼板. 低碳鋼性價比較高, 不過剛性不足, 而且密度也稍大, 於是不少車廠開始嘗試使用各種材料來替代它. 首選的就是高強度鋼 (即熱成型鋼) . 高強度鋼能夠增加材料剛性, 於是可以讓板材更薄, 使用原料更少, 就自然能降低車重. 當然了, 這類高強度鋼強度更高, 但韌性不足, 而且成本也較高, 更適合用於一些關付剛性的關鍵部位.
奧迪A8L採用了鋁作為車架主要製造材料, 不過關付結構強度的部分均使用了熱成型鋼 (紫色部分) . 由於這種材料為專利產品, 且價格非常昂貴, 雖然性能極佳, 但只會使用在關鍵部分.
另一種材料就是鋁合金. 現在不少車廠都開始尋求使用鋁合金去代替傳統的低碳鋼作為白車身的製造材料. 譬如平治, 捷豹, 奧迪, 本田等等的品牌都曾經推出過全鋁車身. 相對於鋼材, 鋁合金的韌性更好, 密度更低, 但剛性不足. 因此現在更多的車廠也在尋求共同混用高強度鋼和鋁合金作為白車身的主要製造材料, 以同時滿足剛性, 吸能和輕量化的需求.
第一代NSX為日本第一台使用全鋁車架的汽車, 而第二代NSX也採用了全鋁車架的設計.
以運動基因著稱的捷豹也堅持採用全鋁車架設計.
而第三種材料就是各種複合材料的運用, 簡單說就是碳纖維, 塑膠等化工材料的運用. 首先說說碳纖維, 這裡先不說那些年產量只有十幾二十台的碳纖維單體殼超跑, 說說量產車型. 最早使用碳纖維製造整個車架的應該就是BMWi3和i8. 而在新一代的7繫上, 也使用了碳纖維製造車頂橫樑結構以及B柱和C柱, 底部側圍, 中央通道和後部支撐.
寶馬i8和i3為寶馬碳纖維車架的試驗田.
奧迪R8採用了全鋁車架, 不過在座椅背板, 馬鞍位和B柱的部分均使用了高強度的碳纖維構件 (黑色部分) .
除了寶馬以外, 第二代奧迪R8和第五代A8也採用了碳纖維作為車架材料之一. 當然, 還有不少品牌謀求採用碳纖維輪圈以降低簧下質量對性能的影響, 其中包括福特, 通用等企業.
正所謂 (輪下一公斤, 輪上10公斤) , 減輕簧下質量對於行駛品質有非常大的飛躍, 因此不少高端和性能品牌也開始研究使用碳纖維輪圈製品. 圖為也麼GT350R使用的碳纖維輪圈, 比一般同尺寸的鋁合金輪圈輕40%, 由澳洲CarbonRevolution提供, 單只售價2萬歐元.
同樣的, 不少品牌也在研究採用塑膠製造尾門. 不過, 碳纖維的製造成本比較昂貴, 且如何和其他金屬構件有效結合在一起也是一大難題.
以前有LotusElan使用玻璃纖維製造車身外殼, 後來有Smart使用塑膠製造車身外殼, 都是一個字 '輕' .
優化車身結構的輕量化設計
現在不少品牌都在開展新架構和新平台的研發. 除了提昇平台部件通用率, 降低不同車型之間的生產成本以外, 也能盡量優化平台的設計, 其中輕量化也是一個重要的目標.
豐田TNGA新架構, 除了提高平台部件通用率, 輕量化設計也是當中的一個重點.
新平台和新架構的開發可以大量採用模組化整合設計. 不同模組部分進行結構拓撲優化, 以減少無用材料, 降低壁厚, 減少零部件數量等, 從而實現輕量化的目的. 譬如豐田最新的TNGA架構, 組件設計更加緊湊, 重心下移, 提升輕量化效果, 最大程度的提高整車核心性能. 同時使用大量通用化零部件, 最初通用比例為20%至30%, 最終將達到70%至80%.
運用先進的製造工藝技術
這裡說的製造工藝本身並不能發揮輕量化的效果, 不過提升了製造工藝, 能夠讓材料和結構達到最佳的效果, 就能採用上述的更輕量化的材料, 和降低補強部件和降低材料使用量, 以達到輕量化的效果. 譬如採用雷射拼焊, 輥壓成形保證整車結構的安全性. 譬如凱迪拉克就採用獨創的電阻電焊工藝, 寶馬等則用雷射焊接等, 實現鋼鋁焊接.
凱迪拉克創新的電阻電焊工藝可以實現較佳的鋁合金焊接強度.
另外, 採用高強度鋼熱成形, 內高壓成形等方式提升構件結構的力學性能. 採用結構膠粘接, 材料鉚接等技術等, 可以實現材質構件之間的高強度連接等.
捷豹的全鋁車架大量採用了鉚接和膠粘技術. 除了提供媲美焊接的連接強度以外, 通過優化鉚接部位, 還能通過減少鉚接點來縮減鉚釘使用量, 間接降低重量.
寶馬新7系車架使用了碳纖維座車頂橫樑和門框部分的加強, 不同材料使用了鉚接的方法來連接.
這一切的生產工藝手段, 可謂是一切輕量化手段實現的基礎. 譬如捷豹所使用的全鋁車架, 就使用了高強度膠粘和鉚接等技術.
總結
可以說, 現在輕量化已經成為不少車廠拉開技術差距的重要因素, 而不少前瞻性較強的自主品牌也開始在輕量化上投入了極大的資金. 北汽新能源建成了北汽新能源德累斯頓輕量化技術中心, 在多材料輕量化整車, 碳纖維複合材料關鍵車身, 底盤零部件等領域進行研發; 吉利集團則在鋁合金, 塑料運用和輕量化結構設計上已經逐漸接近歐洲主流水平.
