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汽車輕量化的未來思考

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2015-09-08  來源:unima塑料新材網(wǎng)  瀏覽次數(shù):160
核心提示:傳統(tǒng)汽車面臨降低開發(fā)成本的需求,車身輕量化技術(shù)是汽車技術(shù)發(fā)展的一個大方向,即便是在新能源動力時代,輕量化技術(shù)也是新能源車車身設(shè)計(jì)所必須考慮的第一要務(wù)。

傳統(tǒng)汽車面臨降低開發(fā)成本的需求,車身輕量化技術(shù)是汽車技術(shù)發(fā)展的一個大方向,即便是在新能源動力時代,輕量化技術(shù)也是新能源車車身設(shè)計(jì)所必須考慮的第一要務(wù)。

什么是汽車輕量化?

汽車輕量化是在滿足汽車使用要求、安全性和成本控制要求的條件下,將結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)與多種輕量化材料、輕量化制造技術(shù)集成應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品減重但在實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的同時,一個非常重要的前提是:不能以犧牲車輛安全性和NVH(噪音、振動、平順性)為代價(jià),汽車輕量化必須在預(yù)定整車減重目標(biāo)、整車成本控制目標(biāo)、安全性目標(biāo)和NVH控制水平的全面約束下進(jìn)行。

為什么要汽車輕量化?

首先,車身輕量化是實(shí)現(xiàn)整車節(jié)能減排的有效舉措之一。據(jù)研究表明,在采用相同動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的前提下,乘用車的整備質(zhì)量每減少10%,燃油消耗就可降低6%-8%。巴斯夫公司統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,汽車每減重100公斤,百公里油耗可降低0.4升、二氧化碳排放可減少1公斤。相比于動力技術(shù)的提升所帶來的燃油消耗降低,車身輕量化技術(shù)的投入相對較少,成效也要更加顯著。要知道在過去的近十年時間里,傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的提升所帶來的經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)的改善也就是在8%左右。

同時,汽車輕量化還有利于汽車安全性能的提升,從理論上說,汽車碰撞時的沖擊能量與汽車的質(zhì)量成正比。在同等條件下汽車越輕,碰撞時沖擊能量越小,車身結(jié)構(gòu)的變形、侵入量和乘員受到的沖擊加速度就越小,汽車對乘員的保護(hù)性能越好、越安全。另外,汽車制動時消耗的能量也與汽車質(zhì)量成正比,汽車越輕,在以相同初速度剎車時,制動器要消耗的能量就越小,制動減速度就越快,制動距離越短,制動性能就會有明顯改善,汽車主動安全性也會變好。

車用復(fù)合材料——CFRP

講到汽車輕量化,就離不開車身材料的輕量化,復(fù)合材料作為一種新型的輕量化材料,正日益成為汽車制造業(yè)中的新寵。特別在小批量車型應(yīng)用領(lǐng)域,它可謂一枝獨(dú)秀,成為歐美汽車制造商開發(fā)新車型的首選材料。

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料組成,其綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。其中, 碳纖維復(fù)合材料(CFRP)因其重量輕,以及具有高強(qiáng)度(是鋼鐵的5倍)、高模量和良好的耐熱、耐腐蝕性等特點(diǎn),已成為一種非常理想的汽車輕量化材料。如果一輛乘用車采用10kg的復(fù)合材料,每年新車產(chǎn)量2300萬輛,預(yù)計(jì)車用復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)將形成千億元的市場規(guī)模

由于碳纖維復(fù)合材料制造成本過高,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用有限,最初僅在一些F1 賽車、超級跑車、小批量車型上有所應(yīng)用,如蘭博基尼、柯尼塞格、雷克薩斯LFA、GT-R、保時捷911 GT3承載式車身等。但隨著碳纖維制造成本的下降、復(fù)合材料制造工藝的成熟,各大主機(jī)廠紛紛進(jìn)行碳纖維零部件的開發(fā),如今被廣泛地應(yīng)用于高價(jià)值民用轎車上。當(dāng)寶馬i3系列的橫空出世,讓業(yè)界對復(fù)合材料刮目相看。寶馬i3電動車不僅在車身鑲板中使用了碳纖維復(fù)合材料,還打造了碳纖維材質(zhì)的車架。

寶馬i3采用的CFRP結(jié)構(gòu)

寶馬i3創(chuàng)新的車體架構(gòu)由兩部分構(gòu)成(圖1):一個部分是由鋁合金材料制成、驅(qū)動車輛的Drive模塊,其中集成了驅(qū)動系統(tǒng)、底盤、蓄電池、結(jié)構(gòu)功能組件和防碰撞功能組件,另一個部分是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)制成、構(gòu)成車廂主體的Life 模塊。Life -Drive體系是電動力系統(tǒng)的完美集成。

圖1 Life模塊和Drive模塊

并且,在Life模塊(圖2),我們可以明顯地看到CFRP在整個車身結(jié)構(gòu)件中占到了接近50%。

圖2 Life模塊重量分布圖

寶馬i3在復(fù)合材料的創(chuàng)新應(yīng)用方面,不論是汽車界還是材料屆,都對其贊不絕口。國內(nèi)很多人都去參觀過寶馬i3的工廠,看到其整個生產(chǎn)線與傳統(tǒng)汽車的生產(chǎn)線很不一樣,車身和車架都是采用碳纖維一次成型。整個生產(chǎn)流程相比以前大大地提高了生產(chǎn)效率,在車身制備中心,相比以前減少了50%的生產(chǎn)前置時間,生產(chǎn)周期小于10分鐘,僅有130個部件,膠結(jié)總長為173m,100%的全自動化,100%質(zhì)量控制,100%標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人,100%自動化過程,且具備靈活的擴(kuò)充結(jié)構(gòu)。與相似大小和驅(qū)動性能的車輛相比,由于整合了一個電子的動力總成,獲得了100%的重量差點(diǎn)補(bǔ)償。

我國CFRP在汽車輕量化應(yīng)用上遇到的難題

然而,我國在復(fù)合材料的創(chuàng)新應(yīng)用上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美日國家,想在汽車上推廣應(yīng)用還面臨諸多挑戰(zhàn),主要難題有:

設(shè)計(jì)能力:碳纖維復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng),零部件集成設(shè)計(jì)、碳纖維復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)能力(包括鋪層層數(shù)、角度、方式)等都需要大量的經(jīng)驗(yàn)積累,才能最大限度的發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢;

材料選擇:根據(jù)編織方式的不同(如平紋,斜紋,多軸向),每個牌號的碳纖維織物性能各有差異,因此,在滿足安全性能的前提下,選用何種牌號何種編織方式的碳纖維織物都是需要我們進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)來決定的;

價(jià)格降低:相對于傳統(tǒng)的鋁材,復(fù)合材料的成本較高,需通過碳纖維規(guī)?;纳a(chǎn)及應(yīng)用,來降低碳纖維價(jià)格。隨著各碳纖維廠家紛紛擴(kuò)產(chǎn),相信碳纖維價(jià)格降低指日可待;

零件加工工序:碳纖維通常經(jīng)過編織-鋪貼-與樹脂浸潤-高溫成型,耗費(fèi)大量勞力且生產(chǎn)效率較低,還需進(jìn)一步優(yōu)化工藝或研究新的工藝,縮短加工周期;

材料連接:碳纖維復(fù)合材料屬于脆性材料,機(jī)械連接會產(chǎn)生應(yīng)力集中,造成多種形式的失效,需要充分考慮復(fù)合材料連接部位的力學(xué)分布情況,設(shè)計(jì)連接位置及強(qiáng)度,另外碳纖維具有導(dǎo)電性能,與金屬部件連接會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕,造成結(jié)構(gòu)失效,需要研究合適的膠接或機(jī)械連接材料,達(dá)到最好的裝配性能;

材料回收:碳纖維復(fù)合材料不溶不熔,以前只能靠填埋或粉碎進(jìn)行回收,不環(huán)保而且資源浪費(fèi),需要在回收熱固性樹脂的同時,最大限度的保持纖維強(qiáng)度,將碳纖維進(jìn)行回收利用;

產(chǎn)業(yè)銜接:產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合不夠緊密,沒有明確定位、合理分工,基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)研究的有機(jī)銜接不夠.企業(yè)規(guī)模小而分散,輕量化技術(shù)開發(fā)能力薄弱,研發(fā)人才短缺.工藝水平落后。

目前在我國汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

但值得慶幸的是,現(xiàn)在國內(nèi)很多汽車主機(jī)廠及研發(fā)單位都在加快汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步。由中國汽車工程學(xué)會牽頭的國家汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟,把汽車產(chǎn)業(yè)和學(xué)校、科研院所以及上下游集中起來,投資6億,最終研發(fā)出5款輕量化的車型,而且已經(jīng)上市了。

幾款上市的車型,包括一汽的奔騰X80 它整個減重了6%的重量,集成了高強(qiáng)度鋼、鋁合金、以及復(fù)合材料等等的一些先進(jìn)的技術(shù)。北汽非常重視汽車輕量化發(fā)展,并成立了董事長帶頭的輕量化領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu),也成立了一批專家隊(duì)伍,共同成立了北汽輕量化的工作。 具體的行動計(jì)劃就是定了“十三五”期間的一個585的計(jì)劃,圍繞5款車型,單車減重不少于80公斤。長安、奇瑞汽車等代表的部分企業(yè)也也已開始聯(lián)手零部件供應(yīng)商、輕質(zhì)化材料商以及車企三方都積極投入于汽車輕量化的進(jìn)程中。

隨著汽車領(lǐng)域?qū)μ祭w維復(fù)合材料的不斷研究和應(yīng)用,輕質(zhì)、高強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用成本下降,碳纖維復(fù)合材料零部件的應(yīng)用將會越來越廣泛。我們期待這種革命性的變化,相信復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用會是未來的發(fā)展方向。
 

 
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