宁少10马力不多1公斤!聊聊汽车轻量化

2016-06-05 汽车知识攻略 汽车知识攻略

  当很多人还在以车重论安全的时候,各大汽车品牌其实都在为了给车辆“减肥”伤透了脑筋。其实,汽车和人一样,多长几斤肉很容易,想减下来很难!一个胖子瘦下来,可以远离“三高”,身体更健康的同时动作能也更灵活;汽车如果能变得更轻,操控表现就能变得更好,而且不用换发动机就能跑得更快,更重要的一点是,能减少能源消耗和尾气排放,更加环保。因此也就有了题目这句话:宁少十马力,不多一公斤!有了这么多好处,大家当然要想方设法地给自己的产品减重,今天我们就主要聊聊利用材料给汽车“减肥”的几个经典妙招儿。


● 碳纤维——有钱任性的选择

  说到轻量化材料,相信大家首先会想到的就是“碳纤维”这三个字。其实我们常说的碳纤维材料,确切地讲应该叫做碳纤维增强聚合物或塑料,英文为CFRP,也就是Carbon Fiber Reinforced Polymer,或者Carbon Fiber Reinforced Plastic。CFRP以重量轻、强度大备受业界青睐,将其视为未来汽车的发展方向之一。同样体积的碳纤维材料部件重量仅为传统钢制部件的20%到30%,而其强度却为钢的10倍以上。不过,CFRP材料也有缺点,其中最大的问题那就是贵!所以我们很难在亲民的家用车上看到它的身影——当然,一些朋友在汽配城购买的贴纸和饰条除外。


  正因为CFRP的身价不算特别亲民,所以以往只有那些身价数十万美金(国内售价数百万人民币)的超级跑车才能消化其高昂的成本,而一些超级跑车不仅大量使用CFRP制作车身部件,而且还用这些昂贵的材料做成了一个整体的座舱架构,也被称为碳纤维单体座舱。如果有人告诉你他的跑车使用了碳纤维单体座舱结构,有两种可能:1.他在吹牛*;2.他是个壕;3.还有一种可能,我们稍后再聊。

  应该说,碳纤维单体座舱算得上是处于目前车身材料的金字塔尖位置,所以你所能看到使用这个结构的品牌也基本都是“高大上”的,不过,也有一些有追求的企业试图让这种昂贵的材料和结构“情怀落地”,但至今还没有真正实现。

  虽然本田没有实现他们美好的愿望,但宝马却切切实实地将CFRP材料的成本降了下来,并应用到了旗下两款新能源车型上i8和i3上。特别是i3,它的车身结构也算得上是一种碳纤维单体座舱,最低售价不足42万元人民币,就能让你享受到“奢华”的碳纤维材料了,是不是有一种赚到的感觉呢?

  此外,宝马也将碳纤维材料应用到了传统车型之上,全新一代宝马7系就采用了碳-铝混合材料制成的车身结构,相比老款车型更加轻盈,同时刚性不降反升,降低的车重对于车辆的动力和操控表现都有着积极的影响,相信这也是令宝马有信心推出采用4缸2.0T发动机的730Li的原因之一吧。



 总体来讲,CFRP材料在今天依然算是比较昂贵的,因此依然仅仅是少部分人的专利。不过,宝马7系的车身材料也引出了我们接下来要聊到的一种材料,它相对更加亲民,在我们的日常生活中随处可见,然而一旦出现在汽车上,其身价也会成倍增长——这就是铝合金。

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轻奢小资偏爱铝合金

● 铝合金——理性消费轻奢路线

  相比前面的CFRP材料,铝合金在汽车上的应用看起来离我们更近一些。铝合金没有CFRP那么轻,强度上也差一些,不过与传统的车用钢材相比,优势还是十分明显的:铝合金的密度约为2.7克/立方厘米,而钢材约为7.8克/立方厘米;在强度方面,铝合金的比强度约为85,而合金钢只有40。更重要的是,铝合金没有CFRP材料那么“高贵”,相对来说更加容易被人接受一些。




  除了全铝车身结构之外,铝合金也可以因地制宜地用在一些“赘肉”部位,这样既可以有效降低车身重量,同时也可以兼顾生产成本,令车辆价格更加“亲民”。比较常见的部位就是发动机舱盖以及后备厢盖/门,以及一些其它的车身覆盖件。像福特F-150这样采用非承载式车身的皮卡车型,甚至车身整体全部应用了铝合金材料,当然,这些部位并不是主要的承载结构。


  谈到铝合金车身,最令大家担心的恐怕就是在日常使用中的维修成本了。早年间,由于铝合金钣金的工具设备并不普及,甚至连4S店都不愿意为一两款销量不高的高端车型添置设备、开设工位。另外,尽管铝合金板材的钣金修复原理与传统钢材类似,但在手法和技巧方面有着更多的要求,也需要对工人进行相关的培训。因此当时对铝合金车身的修复方式几乎只有一招儿——换!如果在2000年左右撞上一辆奥迪A8,相信看到4S店维修报价单时候的感觉一定十分酸爽。


  今天,随着采用铝合金车身部件或车身结构的车型越来越多,尽管还没有成为主流,但不论在4S店还是稍具规模的汽修店,铝钣金设备已经不是什么稀罕物了——当然这些设备的售价相比之前也便宜了很多。因此,很多品牌表示,如今的铝合金车身不论在使用成本还是维修费用方面都与传统钢材没有什么区别。

  除了在车身方面的应用,铝合金还被大量用于制造车辆底盘悬架部件。很多人津津乐道的铝合金下控制臂就是最好的例子。与铝合金车身相比,铝合金制成的底盘部件与我们的距离更近,很多家用车型的底盘很早就开始使用这种材料了。


  总体来看,铝合金材料在车身上的应用已经不算罕见了,但依然局限在相对高档一些的豪华品牌车型上,当然也有部分比较亲民的车型在部分车身覆盖件上采用了这种材料。而在底盘方面,铝合金部件的能见度相对更高一些。总体来看,在今天使用轻量化铝合金材料来为车辆减重算是一种“轻奢”的路线,不过,对于那些没有使用轻量化材料的汽车来说,就真的没有办法“减肥”了吗?

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“减肥”也能经济实惠

● 钢材——精打细算方法多

  虽然铝合金材料相比之前已经亲民很多了,但造价成本仍远高于传统的钢材,对于一些由于定位和售价原因,没有办法消化这些额外成本的车型来说,依然还是“然并卵”。但是对于更加重视经济性的经济型车来说,因为选择这些车型的消费者们对于燃油消耗更加敏感,所以轻量化的优势无疑更加重要,于是很多企业就在传统的钢材方面动起了脑筋。



  降低重量的前提是要保证强度,车身结构的强度不仅仅关乎车辆的安全水准,同时也能影响操控性。价格昂贵的碳纤维材料和铝合金都能做到在同样强度的情况下远低于钢材的重量,那么能不能通过一些特殊工艺做出具有类似性能的钢材呢?答案就是很多人都听说过的高强钢。




  这种“局部金属压铸”技术由本田和供应商Gestamp花了三年时间研制。在压制结构件之前,首先把钢板加热到930摄氏度;在接下来的冲压塑形步骤里,本田在结构件目标区域里覆盖上一些冷却管道,因此整块结构件不同区域的回火速率不同,所以这就使得在同一块钢板上能形成不相同强度的区域。根据本田的资料,这种压铸技术可以在同一块钢板的不同区域做出从590到1500Mpa不等的拉伸强度。





  这种局部可变强度压铸方式的最大好处是:在不牺牲车身整体抗扭、抗弯刚度的前提下,做出吸能溃缩区,并且车架质量更加轻。按照本田的说法,新思域轿车版的车身抗扭刚度,比上一代提升了25%。

  除了高强钢之外,通过精确的计算和分析,工程师也可以通过在钢制部件上打孔或重新设计部件的形状或结构而减少钢材的使用,从而降低重量。相比那些更换材料的做法,这种减重手段相对成本更低,但需要具有非常科学和精确的计算能力。


  在经济型家用轿车的领域,通过对钢材进行改造而为车辆减重是一个最为普遍的现象。尽管减重的幅度与那些昂贵的轻量化材料相比有着一定的差距,但胜在经济实惠,消费者无需花太多的钱,也可以享受到轻量化的成果。

● 工程塑料及高分子材料——能内能外

  最后我们要聊的一种材料,是与我们日常生活关系最为密切的,那就是塑料。很多人认为又软又轻的塑料只能用来造玩具车,如果造真车的话岂不是开玩笑么?这又回到了我们老生常谈的话题:决定车辆安全性的是车身结构,而不是车辆的表皮。当然,我们今天先不讨论这个有撕逼风险的话题,只是在这里告诉大家,工程塑料其实早就被用在了一些并不受力的车身覆盖件上。


  除了用于车外的覆盖件,塑料或高分子材料还被用于内饰部件、管路甚至底盘零件,以及大家都十分熟悉的汽车的胃——油箱。通过对这种材料的应用,可以从点滴细节中减轻车身的重量。



  除了传统的工程塑料之外,还有一种高分子材料值得一讲,那就是玻璃纤维材料。玻璃纤维材料全称为GFRP,也就是Glass Fiber Reinforced Plastic,是不是与碳纤维材料CFRP很像呢?其实,二者从结构上有一定的相似性,都是纤维材料与基材(也就是塑料)的混合物。如果说GFRP这个名字看起来有点陌生的话,那么还有一个名字你一定有所耳闻,那就是玻璃钢。




  应用塑料等高分子材料减重同样不会带来特别大的成本压力,同时由于这些材料塑形容易,因此不仅在轻量化方面贡献颇多,同时在功能和布置方面也会带来不少变化和优势。

总结:

  不论使用何种材料,最终的目的都是为车辆“减肥”,从效果上来看,昂贵的材料当然会有更优秀的性能和更轻的重量,但不同级别的车型也会根据各自不同的定位和定价来选择适合自己的材料。随着排放法规的日益严格,汽车轻量化也成为了所有汽车品牌的一个必修课程,相信随着材料科学的不断进步,汽车也将在轻量化的道路上越走越远。(文/图 汽车之家 张戈)

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