随着全球对环保节油的要求越来越苛刻以及消费者对汽车油耗的要求,车企通过不断对发动机技术的提升,希望能降低排量与油耗,但根据能量守恒定律,能量在传递过程中,不可避免会以热、摩擦等形式损耗,导致车辆的节油能力始终有局限。因此,如何能提升燃油经济性这问题一直困扰着各大车企。

都在标榜轻量化,那汽车轻量化是否大势所趋?-复合材料网

近年来,为了解决这问题,车企从F1赛车中受到启发,把赛车专属的轻量化技术应用到民用车。所以,市场上一股“汽车轻量化”热潮兴起。

汽车轻量化真的好?

在上世纪初,赛车运动协会对参赛赛车的重量提出限制要求,催生了汽车轻量化技术的诞生。在当时,使用铝、镁、塑料等轻量化材料、结构设计优化、先进制造工艺可使汽车的整备质量有着显著下降而不影响汽车的安全性能。

科普一下,钢的密度是7.8,而铝的密度是2.7,密度越高则质量大。所以,如果车身使用高强度钢替代普通钢材能减重约11%,而采用铝合金则能减重约40%。第四代路虎揽胜首次引入全铝车身技术,凭此比第三代车型轻了39%,成功减重350kg。

使用铝合金材质虽然可令车身重量下降,但并没有降低安全性,反而是提升了。同等强度的钢板与铝合金厚度比为1:1.4,而重量比仅为1:0.5。只要算一下就知道,仅需一半重量的铝合金便能达到钢的同等强度。所以,一般全铝车身用的铝合金板件要比普通低碳钢厚0.2-0.5mm,通过增加厚度能实现比高强度钢更高的车身钢性和抗扭性能,但整体质量还是要比钢质轻。

此外,根据惯性定律,物体的惯性与其质量是直接相关。因此,轻量化技术减轻车辆的整备质量,从而减少惯性。这样,车辆的运动状态更容易发生改变,同时其加速性能与制动性能均会提升。

举个例子,Lotus旗下的Lotus Elise Cup250整备质量仅有884KG,搭载一台可输出246匹马力的1.8T发动机配备6速手动波箱,可在3.9秒内完成破百。而同样搭载1.8T发动机的雷诺Alpine A110,更配备7速湿式双离合变速箱,能爆发出304匹马力,但在1100KG的整备质量下,破百需要4.5秒。由此可见,实现轻量化技术比压榨发动机马力更有助提升车辆的性能。

此外,根据欧洲铝协研究数据表明,若汽车的整备质量降低10%,除了可以使燃油效率可提供6-8%,0-60km/h加速时间提升8%以外,也可减少大约8%的尾气排放以及减少5%的刹车距离。所以,使用轻量化技术对汽车市场的发展有重大意义。

怎样实现轻量化

在现今的汽车市场上,轻量化材料是车企实现汽车轻量化的常用方法。众所周知,碳纤维、铝合金热成型钢在质量上都比传统的普通钢要轻,而且强度与韧度性都显优势,以碳纤维为例,其强度是钢的7-9倍,而且比钢轻50%。因此,近年来,车企会在汽车的承载白车身、发动机盖、悬挂等地方换用这些轻量化材质。

新一代宝马7系的白车身就是采用了钢、铝合金以及碳纤维复合材料三种材质来打造车身,相对于上一代车型,车身重量减少了130公斤。此外,在悬挂系统、制动系统的配件上换用铝合金材质。以全新BMW 740 Li为例,相比上一代车型,百公里综合油耗降低16.7%。

虽然轻量化材料是车企实现汽车轻量化的常用方法,但并不是唯一。除此之外,在不影响性能和耐用性为前提下,利用轻量化结构也能实现汽车轻量化。

以全新科鲁兹为例,借助CAE软件的计算与实车测试,在设计时去掉那些不起作用反而增重的材料,如在发动机盖上、车架上等运用减重孔、短凸缘、圆齿凸缘等技术减重,使科鲁兹较上代减重120公斤,百公里油耗降至5.7L。

除此之外,先进的工艺也能达到轻量化的效果。就拿常见的轮毂和悬架摆臂来说,其制造工艺对重量有着极大影响。例如锻造轮圈由于其材料更加致密的原因,轮辐结构更细更薄,重量自然就减下来了。

另外,车身和其他部件的连接工艺也会对车重产生影响。现今大部分车辆都会采用激光焊接的工艺来焊接车身,减少车身上柳丁的使用。这样,没有柳丁的外加重量,一体化的车身既美观又能做到轻量化,而且是自动化的焊接,提高生产效益,车企何乐而不为。

除了以上几种主流的轻量化方式,汽车工程师为了实现汽车轻量化还在其他方面进行专研。

大势所趋

在过往,这些轻量化技术只用于F1、勒芒耐力赛等大型比赛的车型上,为应对赛车协会的要求。直到1994年,奥迪把铝制车身用于A8上,令汽车轻量化技术在量产车型上得到普及。而现在,不管是豪华品牌还是合资品牌,都在使用轻量化技术。

近年来,大众不断为旗下朗逸、宝来、途观等热销车型引入MQB平台。而MQB平台则是汽车轻量化技术的一个载体,里面包含了轻量化材质、结构以及工艺,令MQB平台车型比上代车型整车减重40—60kg。虽然比起碳纤维这样更高一级的轻量化技术,大众MQB平台的轻量化有点微不住道,但可知,轻量化技术在我们身边无处不在。

此外,随着国家不断调整排放标准,最苛刻的国六排放标准将在2019年7月开始在重点城市提前实施国六排放标准,在2023年7月全国轻型车强制执行。而现今,无论是小型SUV还是中大型SUV,基本都是采用了铝合金材质的发动机缸体与缸盖来进行轻量化,但都不能应对国六排放标准。在首批达到国六排放标准的机动车的环保信息中,第一批仅三款SUV车型能达标。因此,除了不断提升发动机技术之外,把汽车轻量化技术再往更深一步走也是有效应对途径之一。

汽车轻量化技术不止在传统燃油车上有着重要地位,在新能源汽车上也是如此。如今的特斯拉model S、蔚来ES8、荣威 marvel x等中高端新能源汽车无不例外是使用全铝车身来提高续航里程。可这样还是不够,因为电池的质量与续航是个矛盾体。如果增加电池的量来提升续航里程,那随着而来的重量也会影响续航里程。

以捷豹I-PACE为例,仅是电池系统的重量就高达613kg,快占普通中型SUV的整备质量的一半。与其增加电池来提升新能源汽车的续航里程,不如把轻量化技术进行到底,在新能源汽车上尽可能使用,从而增加续航里程。因此,轻量化技术在新能源汽车发展中有着重要地位。

雅斯顿小结

虽然汽车轻量化会使汽车的售价有所提高,但能买来动力性能更强大,安全性能更高以及更环保的汽车,相信消费者也是明白事理,愿意为此埋单。

雅斯顿原创文章 | 竹寺