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隨著排放法規的愈發嚴苛及提升燃油經濟性的迫切需求，全球多家知名車企紛紛研發新工藝及新材料，旨在實現輕量化，為車企節省成本。回顧2017年，小編對新技術進行整理，介紹了福特、FCA、通用、捷豹、寶馬、奧迪、馬自達、蘭博基尼的八大車企的輕量化進程。 福特 關鍵詞：生物材料、技術挑戰 福特采用生物材料 福特于上世紀20年代起就致力于生物材料，當時亨利·福特采用了麥草（wheat straw）。在上世紀40年代，福特又采用大豆、大麻（hemp）及其他天然材料，將其制成塑料。福特采用了大豆材質的泡沫、密封件、墊圈、蓖麻材質的泡沫、塑料及天然纖維增強材料，上述材料的平均用量為20-40磅/車。 福特面臨的挑戰 其中一項挑戰是：務必確保生物材料擁有良好的光潔度（surface finish），然而用戶卻希望在材料表面能看到更多的天然纖維。 其他的問題還包括：氣味、濕度敏感性（moisture sensitivity）、降解、耐風化強度（resistance to weathering）及耐惡劣環境，經濟性也是一項重要因素。 對于聚乳酸（polylactic acid）或聚羥基脂肪酸酯（PHA）共聚合物，材料研發部的研究人員Alper Kiziltas表示：“這類材料不耐用，若將其用于汽車應用，尚無法實現經濟性。此外，其密度要高于聚丙烯（polypropylene）材料。” 著眼于海洋內的塑料廢棄物 福特研究員的科研人員表示，海洋內廢棄物也是一大問題。研發人員表示應收集海洋內的塑料廢棄物。 其他研發趨勢還包括：車輛內飾中的抗生素添加劑（antimicrobial additives），確保共享車輛的用戶不會沾染到上一位駕駛員可能攜帶的病菌。 FCA 關鍵詞：輕量化、預處理工藝、隔絕噪音 輕量化 在Surcar上，FCA材料工程漆部門的Roberto Selvestrel將與漢高Transplant OEM業務的銷售總監Manfred Holzmueller將共同探討為新款Giulia采用新款金屬處理系統后的效果，這有利于促進車身工藝、工藝與材料工程、工藝材料供應商之間的合作。 新款Giulia的車身輕了90 kg，這是該車身材料使用了輕金屬、新工藝材料及新的涂裝技術。為實現減重并提升車輛的性能，FCA采用了鋁材，其材料的重量占比達到了45%。公司采用突破性的整車聲學包系統（acoustic package），提升了乘客的舒適度，減輕了車身重量。 預處理工藝 兩步式磷酸鹽處理金屬預處理工藝（Bonderite two-step metal pretreatment process）是由漢高研發的，用于多金屬車身，其鋁含量所占比重極高（高達80%），抗腐蝕性能超強，同時還能降低投資額及加工成本。第一步：在浸涂工藝中采用磷酸鋅對金屬進行處理；第二步：在沖洗后采用對鋁采進行處理。磷酸鹽處理時油泥的生成量將降低30%-50%，消耗的化學物質也較少，因表面粗糙而導致的返工量也將減少。此外，由于操作溫度較低，還能起到節能作用。 隔絕噪音 阿爾法·羅密歐Giulia還受益于漢高泰羅松（Henkel Teroson）旗下的高膨脹車柱填充物（high expansion pillar fillers）。當車身被送入電泳漆烘干室（e-coat oven）后，高溫將致使模塑件膨脹至原始體積的十倍多，完全填滿并密封車內空腔。在車輛運動時，可防止空氣進入該空腔內，起到消除風噪（wind noise）的作用。 該款產品也是由漢高公司研發的，旨在降低因車身外殼震動而導致乘客艙（passenger compartment）而產生的噪聲。FCA采用了阻尼性能測試（damping properties），在進行大量測試后，該產品的損耗因素在各類候選材料中排名最高。Giulia車型上的泰羅松AL7154的總重量比標準油泥墊輕了10%，后者被用于提供隔音效果。 通用 關鍵詞：低碳鋼、鋁合金、鎂材、碳纖維 通用正竭力將輕量化材料與創新制造工藝相結合，并將其應用到旗下新款乘用車及卡車中。為此，通用多管齊下，引入新的裝配線材料、鼓勵工程師團隊提出創新方案并應用到車輛制造中。 低碳鋼 該材料一度成為轎車及輕卡的標配原材料。因為其價格較低廉、易于焊接、易于彎曲成形（bend to shape）、金屬耐疲勞度也較高。然而，該類材料也存在許多瑕疵，例如：耐腐蝕性受限、分量較重。盡管上漆及電鍍兩項工藝幾乎可以消除其在耐腐性性方面的不足，但卻無法減輕低碳鋼的重量。 鋁合金 這是通用首選的輕量化材料，易加工、經久耐用，其耐腐蝕性要強于低碳鋼。通用采用鋁板（sheet aluminum）制造車身鈑金件、采用擠制鋁材（extruded aluminum）制造車架滑軌（extruded aluminum）、采用復雜精細的鋁鑄件替換由數十個小零件組成的較大單元組，這樣既減輕重量，又降低其結構的復雜性，還提升了材料的剛度及碰撞性能（crash performance）。鋁材還被專門用于制造雪佛蘭C7 Corvette及雪佛蘭Malibu。新款凱迪拉克CT6則用鋁材取代低碳鋼，使該款全尺寸豪華轎車的重量比寶馬5系轎車要輕許多。 為此，通用采用了先進的點焊技術，使熔點不同的材料能夠緊密的粘合在一起。車企將輕質鋁皮（aluminum skin）與結實耐用的鋼架組合在一起，使兩種材料實現互補，在提升強度的情況下減輕車重。 鎂材 通用還在車輛的制造過程中使用了鎂，因為該材料在所有金屬中分量最輕。與鋁材相較，分量輕了33%，其強度及耐腐蝕性卻大幅提高。然而，鎂的熔點較低，強度表現也并非很出色（與鋼材相較），進而限制了該材料的應用。 碳纖維 通用正致力于一項碳纖維車輪項目，承諾實現車輛減重40磅。車輪的重量被認為是“旋轉質量及非懸掛重量（rotating and unsprung mass）”，這意味著每降低一盎司的重量，將大幅提升車輛的能效及駕駛動態性。 據一名消息人士表示，碳纖維有望成為應用于皮卡車廂中的混合材料的一部分，其中包括鋁。通用于2011年宣布與帝人集團（Teijin Ltd.）聯合研發碳纖維增強熱塑性塑料（carbon fiber-reinforced thermoplastic）。通用皮卡車廂將首次使用該碳纖維增強熱塑性塑料。 捷豹 關鍵詞：輕量化、懸架系統設計及材質 捷豹2018款E-PACE的輕量化表現 該款車型的發動機罩、前護板（front fenders）、車頂及艙蓋式后背門（tailgate）采用全鋁材質打造，相較于鋼制發動機罩，其發動機罩為該款捷豹車型減重22磅，而前護板為車身減重6.6磅。除提升燃油里程（gas mileage），該款輕量化的鋁質發動機罩還降低了車輛的重心，提升了車輛的操控能力與穩定性。”而鋁質艙蓋式后背門則實現減重33磅。 該款車型設計先進，采用了鉚接/粘合工藝、對某些選定結縫采用激光焊（laser welding），進一步優化了車重及品質。 捷豹2018款E-PACE懸架系統設計及材質 前轉向節（front knuckle）采用了輕量化的空心鑄鋁組件，旨在提升翹曲度（camber），盡可能降低操縱失靈。E-PACE的前副車架經過特殊調準，該結構硬度高。 懸架襯套（suspension bushing）及橫向平衡桿（anti-roll bar）質地堅固，可提升轉向響應速度，確保在低傾斜角下實現轉向控制。 捷豹的工程師們采用了大量的輕量化鋁質懸架組件，在提升的硬度的同時降低非簧載質量（unsprung mass），有助于實現車輛的動態性能。后懸架安全在輕質、堅固的鋼質副車架上，優化轉向響應速度，并進行了工藝細化。 寶馬 關鍵詞：碳纖維、成本過高 據外媒報道，寶馬工程師Florian Schek在美國汽車研究中心（Center for Automotive Research）舉辦的管理簡報研討會（Management Briefings Seminars）上表示，碳纖維材料由于價格極為高昂，成本難以降低，在汽車上的應用將不太樂觀。碳纖維材料應用的主要挑戰在于其成本過高，且該項技術的難度也較大，其用途十分有限，僅被用于一級方程式賽車、價格高昂的超豪華車型的車身及底盤。 寶馬明確表示，下一代寶馬5系車輛將不會再使用碳纖維，但寶馬i3、寶馬i8及寶馬7系尚未放棄該材質。他表示大約在2020年，寶馬旗下車輛將大量采用碳纖維。寶馬的i3和i8的整個車身件均采用了碳纖維，而寶馬7系的白車身則采用多種復合材料，涉及碳纖維板、強化鋼質及鋁質元件。 奧迪 關鍵詞：碳纖維白車身、超快速樹脂傳遞模塑 碳纖維白車身 奧迪將MSS作為一款工具，旨在將先進的碳纖維復材應用到白車身（body-in-white，BIW）中，從而減輕車重并提升車輛的性能。隨著車輛電氣化的不斷推進，奧迪更堅定了這一構想。奧迪輕量化設計中心碳纖維復材（CFRP）技術研發專員David Roquette表示，第一代奧迪R8車型采用了鋁材，但奧迪決定在第二代R8中采用MSS項目所研發的碳纖維復材。 據Roquette透露，2016款R8 Spyder和Coupé車型的后壁均采用了碳纖維復材，從而大幅提升了扭應力（torsional stress）及車輛的剛度（vehicle stiffness），還實現車身減重。 奧迪的設計工程師們將單向碳纖維織物加強件（woven carbon fiber fabric reinforcements）與快速硫化環氧樹脂體系（fast-cure epoxy resin system）相結合。奧迪采用泡沫夾層，其旨在減少各結構件、B柱填充物、強化件（consolidate part）中碳纖維的用量，同時提升其強度及剛度。奧迪希望采用樹脂傳遞模塑（resin transfer molding，RTM）工藝，向被碳纖維包裹的泡沫材料中注入環氧樹脂。在對復材泡沫芯材進行加工時，無需進行機加工及研磨。此外，據Diebold稱，聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）材料擁有均質芯材結構（homogenous cell structure），可耐受液壓靜力（hydrostatic testing）試驗。 超快速樹脂傳遞模塑的研發之路 RTM工藝的精整（refinement），奧迪期望利用新工藝將各類材料融合到一起。最終，奧迪決定將該項工作移交給了一家一級供應商，由其負責相關的生產工作。雙方對RTM工藝中的（fine-tune）了注塑壓力、壓縮力（compression force）及模具間隙進行了精準調整（微調），從而進一步優化了該模塑工藝。 對于奧迪R8 Spyder的夾層結構（sandwich structures），注塑壓力不超過40 bar，最大模塑間隙可達0.6毫米，最大壓縮力可達500 MT，而模具溫度不得超過123℃。憑借該項新工藝，注塑時間可縮短至15秒，而整體生產周期時間可控制在5分鐘以內。 新工藝向制造商的推廣應用之路 等到奧迪材料及工藝的自主研發取得成果，并將其成果轉交給負責實際生產的兩大歐洲復材供應商時，對方也對覺得該合作所涉及的技術與產品均存在不確定性。為此，奧迪為供應商提供了相關的技術展示，告知其新技術的應用方法。最終，奧迪說服了供應商，由后者負責這類零部件的生產，供應商為此也承擔了許多風險。作為一家車企的供應商，要做到這一點確實很不容易。 成本居高制約制造 奧迪繼續探索新工藝 2017年，奧迪引入了一款四座豪華車奧迪A8，該款車型采用了碳纖維復材后壁及后窗臺板（upper rear shelf），上述兩款部件都采用了碳纖維復材，也都采用了超快速RTM工藝。如今，公司將目光放在產品的方方面面，不僅僅是碳纖維的價格問題，還有RTM工藝的生產速度。此外，還要考慮樹脂價格、粘合劑價格，整個材料鏈的價格。為此，我們務必采用全新的理念。 馬自達 關鍵詞：座椅、車身、底盤 據外媒報道，馬自達正在研發新一代汽車平臺，其重點關注以下三個方向：1. 座椅：可隨車輛的簧上質量（sprung mass）而移動；2. 車身：在動力傳遞時可實現最小延遲（minimal delay）；3. 底盤：可減緩簧下質量（unsprung masses）的輸入。馬自達采用扭力梁式（torsion beam）懸架系統替換了上一代多連桿式后懸架系統。當該平臺與Skyactiv-X火花控制壓燃汽油發動機搭配后，下一代馬自達3或將成為一款全能型車型。 座椅 馬自達座椅質地更硬，可確保壓縮軸（compression axis）平穩，使骨盆和上升保持自然的肢體活動，使乘客的頭部更平穩。為此，對這類核心區域的座架（seat frame）進行了強化，使得骨盆橫向側位移（lateral pelvic displacement）的最大降幅達到了83%，進而提升舒適度，并感受細微的不同。當在座椅上做好后，身體將得到支撐，“甩頭（head toss）”的情況將大幅減少。若乘坐的車輛減震性能不好，您的頭部勢必會出現晃動或搖擺，我相信甩頭絕對是一項惱人的搭乘體驗。 車身設計 馬自達在現款馬自達3的基礎上做了大量的改動。車身的打造通常會采用三個矩形構架（rectangular frames）設計——其分別跨越前艙壁（across the front bulkhead）、跨越B柱（across the B-pillar）、位于后艙壁。馬自達為最新款底盤設計了全方位的環形結構，在前后減震器剛性支承（rigid front and rear damper mount）間構建斜向能量路徑（diagonal energy paths），將最新款車身從前端減震器到后減震器的屈曲（flexion）傳輸速度提升了近三成。 除提升車身剛度（body stiffness）外，馬自達還致力于降噪，其在車身結構內嵌入了16個減震彈性體，可避免多余的振動，保留熱能。這類減震節點及減震結合處（damping nodes and bonds）有助于降低噪聲信號變動的速率，前者會使人不太愉快。從設計角度看，可從聲音變動的振幅或頻率來進行調整，這樣乘客所能感知到的刺耳聲音將減少。 使簧下質量定時控制平順化 馬自達從車輪、輪胎、制動器等方面入手。首先，公司為輪胎配置了一塊質地較軟的側壁，降低前/后輪行程，然后又采用了新款襯套設計，提升前懸架臂意味著馬自達可更為精細地調控簧下質量的定時控制。馬自達采用扭力梁式（torsion beam）懸架系統替換了上一代多連桿式后懸架系統。當被問及原因時，車輛研發部的總經理Hiroyuki Matsumoto表示：“該結構更為簡單，易于調節。” 顯然，在未來兩年內，還將對馬自達下一代平臺進行調整。其他方面也有可圈可點之處。電輔助轉向的運營聲音較輕，其電制動系統也表現也很有意思，還需要對制動模塊進行些許調整。當該平臺與Skyactiv-X火花控制壓燃汽油發動機搭配后，下一代馬自達3或將成為一款全能型車型。 蘭博基尼 關鍵詞：碳纖維、鋼材、鋁材 據外媒報道，蘭博基尼于2017年12月4日宣布，公司推出了蘭博基尼Urus，車身重量低于5000磅，采用鋼、鋁兩種材料，是一款“超級SUV”。蘭博基尼公司強調，該款車型“融合了鋁材及鋼材。”得益于其輕量化設計，蘭博基尼Urus車車重為4850磅。該款車型的車身也采用了輕量化設計，選用了鋁、鋼兩種金屬材料。該款SUV擁有無框車窗，無C柱后車窗則采用玻璃材質。 前橋配置了鋁質副車架，而后橋則配置了鋁鋼并合構造單元（aluminum and steel hybrid construction cell） 底盤高度是可控的，作為Urus的標配——Easyload Assist可調低Urus車型的后橋高度。 該款車輛售價為20萬美元，這一點不足為奇，因為該車型搭載的駕駛輔助系統，只處于2級自動駕駛水平，并非奧迪A8這類三級自動駕駛車輛。 蘭博基尼正與休斯敦衛理公會研究所（Houston Methodist Research Institute）合作研發生物工程碳纖維復合材料。蘭博基尼還與美國機構開展合作，研究碳纖維鑄造件，該實驗室位于西雅圖附近。而在不遠處的華盛頓州摩西湖市，有一家公司正在為寶馬i8和i3的車身鈑金件及其他零部件生產碳纖維材料。 小結 上述車企在進行輕量化進程時，碳纖維和成為炙手可熱的材料，旨在大幅減輕車身重量。然而，由于其價格較高，應用量并不大。相反，許多車企紛紛從工藝及合金材料著手，在提升汽車部件強度的同時減輕車重。鋼、鋁等合金材料及熱塑工藝、結構部件的設計也成諸多車企輕量化戰略中的重要組成部分。 |
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