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行業新聞

都在標榜輕量化,那汽車輕量化是否大勢所趨?

2019年06月14日


隨著全球對環保節油的要求越來越苛刻以及消費者對汽車油耗的要求,車企通過不斷對發動機技術的提升,希望能降低排量與油耗,但根據能量守恒定律,能量在傳遞過程中,不可避免會以熱、摩擦等形式損耗,導致車輛的節油能力始終有局限。因此,如何能提升燃油經濟性這問題一直困擾著各大車企。
 

近年來,為了解決這問題,車企從F1賽車中受到啟發,把賽車專屬的輕量化技術應用到民用車。所以,市場上一股“汽車輕量化”熱潮興起。

汽車輕量化真的好?

在上世紀初,賽車運動協會對參賽賽車的重量提出限制要求,催生了汽車輕量化技術的誕生。在當時,使用鋁、鎂、塑料等輕量化材料、結構設計優化、先進制造工藝可使汽車的整備質量有著顯著下降而不影響汽車的安全性能。

科普一下,鋼的密度是7.8,而鋁的密度是2.7,密度越高則質量大。所以,如果車身使用高強度鋼替代普通鋼材能減重約11%,而采用鋁合金則能減重約40%。第四代路虎攬勝首次引入全鋁車身技術,憑此比第三代車型輕了39%,成功減重350kg。

使用鋁合金材質雖然可令車身重量下降,但并沒有降低安全性,反而是提升了。同等強度的鋼板與鋁合金厚度比為1:1.4,而重量比僅為1:0.5。只要算一下就知道,僅需一半重量的鋁合金便能達到鋼的同等強度。所以,一般全鋁車身用的鋁合金板件要比普通低碳鋼厚0.2-0.5mm,通過增加厚度能實現比高強度鋼更高的車身鋼性和抗扭性能,但整體質量還是要比鋼質輕。

此外,根據慣性定律,物體的慣性與其質量是直接相關。因此,輕量化技術減輕車輛的整備質量,從而減少慣性。這樣,車輛的運動狀態更容易發生改變,同時其加速性能與制動性能均會提升。
 

舉個例子,Lotus旗下的Lotus Elise Cup250整備質量僅有884KG,搭載一臺可輸出246匹馬力的1.8T發動機配備6速手動波箱,可在3.9秒內完成破百。而同樣搭載1.8T發動機的雷諾Alpine A110,更配備7速濕式雙離合變速箱,能爆發出304匹馬力,但在1100KG的整備質量下,破百需要4.5秒。由此可見,實現輕量化技術比壓榨發動機馬力更有助提升車輛的性能。

此外,根據歐洲鋁協研究數據表明,若汽車的整備質量降低10%,除了可以使燃油效率可提供6-8%,0-60km/h加速時間提升8%以外,也可減少大約8%的尾氣排放以及減少5%的剎車距離。所以,使用輕量化技術對汽車市場的發展有重大意義。

怎樣實現輕量化

在現今的汽車市場上,輕量化材料是車企實現汽車輕量化的常用方法。眾所周知,碳纖維、鋁合金熱成型鋼在質量上都比傳統的普通鋼要輕,而且強度與韌度性都顯優勢,以碳纖維為例,其強度是鋼的7-9倍,而且比鋼輕50%。因此,近年來,車企會在汽車的承載白車身、發動機蓋、懸掛等地方換用這些輕量化材質。

新一代寶馬7系的白車身就是采用了鋼、鋁合金以及碳纖維復合材料三種材質來打造車身,相對于上一代車型,車身重量減少了130公斤。此外,在懸掛系統、制動系統的配件上換用鋁合金材質。以全新BMW 740 Li為例,相比上一代車型,百公里綜合油耗降低16.7%。

雖然輕量化材料是車企實現汽車輕量化的常用方法,但并不是唯一。除此之外,在不影響性能和耐用性為前提下,利用輕量化結構也能實現汽車輕量化。

以全新科魯茲為例,借助CAE軟件的計算與實車測試,在設計時去掉那些不起作用反而增重的材料,如在發動機蓋上、車架上等運用減重孔、短凸緣、圓齒凸緣等技術減重,使科魯茲較上代減重120公斤,百公里油耗降至5.7L。

除此之外,先進的工藝也能達到輕量化的效果。就拿常見的輪轂和懸架擺臂來說,其制造工藝對重量有著極大影響。例如鍛造輪圈由于其材料更加致密的原因,輪輻結構更細更薄,重量自然就減下來了。

另外,車身和其他部件的連接工藝也會對車重產生影響。現今大部分車輛都會采用激光焊接的工藝來焊接車身,減少車身上柳丁的使用。這樣,沒有柳丁的外加重量,一體化的車身既美觀又能做到輕量化,而且是自動化的焊接,提高生產效益,車企何樂而不為。

除了以上幾種主流的輕量化方式,汽車工程師為了實現汽車輕量化還在其他方面進行專研。

大勢所趨

在過往,這些輕量化技術只用于F1、勒芒耐力賽等大型比賽的車型上,為應對賽車協會的要求。直到1994年,奧迪把鋁制車身用于A8上,令汽車輕量化技術在量產車型上得到普及。而現在,不管是豪華品牌還是合資品牌,都在使用輕量化技術。
 

近年來,大眾不斷為旗下朗逸、寶來、途觀等熱銷車型引入MQB平臺。而MQB平臺則是汽車輕量化技術的一個載體,里面包含了輕量化材質、結構以及工藝,令MQB平臺車型比上代車型整車減重40—60kg。雖然比起碳纖維這樣更高一級的輕量化技術,大眾MQB平臺的輕量化有點微不住道,但可知,輕量化技術在我們身邊無處不在。

此外,隨著國家不斷調整排放標準,最苛刻的國六排放標準將在2019年7月開始在重點城市提前實施國六排放標準,在2023年7月全國輕型車強制執行。而現今,無論是小型SUV還是中大型SUV,基本都是采用了鋁合金材質的發動機缸體與缸蓋來進行輕量化,但都不能應對國六排放標準。在首批達到國六排放標準的機動車的環保信息中,第一批僅三款SUV車型能達標。因此,除了不斷提升發動機技術之外,把汽車輕量化技術再往更深一步走也是有效應對途徑之一。

汽車輕量化技術不止在傳統燃油車上有著重要地位,在新能源汽車上也是如此。如今的特斯拉model S、蔚來ES8、榮威 marvel x等中高端新能源汽車無不例外是使用全鋁車身來提高續航里程。可這樣還是不夠,因為電池的質量與續航是個矛盾體。如果增加電池的量來提升續航里程,那隨著而來的重量也會影響續航里程。

以捷豹I-PACE為例,僅是電池系統的重量就高達613kg,快占普通中型SUV的整備質量的一半。與其增加電池來提升新能源汽車的續航里程,不如把輕量化技術進行到底,在新能源汽車上盡可能使用,從而增加續航里程。因此,輕量化技術在新能源汽車發展中有著重要地位。

 
文字、圖片來自造車網
 

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