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基础知识储备之-汽车车身轻量化的那些事

2017-12-11 08:45    艾森ECU升级(北京运营中心)

我们都知道,车身轻量化是整车轻量化的核心目标之一,除了我们比较常见的在结构设计轻量化举措之外,在这其中最重要的便是车身材料的轻量化。从钢到铝,我们迈进了一大步,然而在此之后,事情似乎又出现了一些“倒退”,难道那些曾经鼓吹许久全铝车身的厂家们要打自己的脸了吗?

○ 为何要减轻车身重量?

  就像姑娘减肥一样,你永远不知道她减到多少才满意,但总归越轻越好。对于一台汽车而言,在保证安全强度的情况下也同样是越轻越好,更轻的重量能够让其“负担”更小,车辆更容易“推动”,自然也就更加节油,而对于操控性而言,更轻的车身还能带来更加灵活的车身动态响应。几乎从各方面来说,轻量化都是优势。

○ 全铝车身:可替换材料的出现

  在全铝车身诞生之前,车企们一般会通过打孔等改变零件结构和用料量的方式,实现车轻量化。但这种方式只能实现有限程度的轻量化优化,想要实现更进一步的车身轻量化,就势必要通过更换更轻的材料去实现。就像本田NSX的诞生一样,他们希望做一台能够叫板法拉利328的跑车,而要想做到极致,除了提高发动机,车身轻量化这一项目便成为了研发重点,并且也正因为他们的执着,促成了世界上第一款全铝车身的量产车。

  80年代末的时候,想要通过更换材料去让车身做到极致轻量化,就一定要用到铝合金材料。相比传统钢材而言,铝合金的密度更小,同体积下重量更轻,并且在还能保证一定刚性,其轻量化优势明显。

  虽然铝合金很贵,但这并不妨碍一些豪华品牌车使用这种材料,像第一代(D2)、第二代(D3)奥迪A8(虽然官方从未称其用在奥迪A8上的ASF车身为全铝形式,但是在这两代奥迪A8上,它确实为全铝车身)、捷豹XJ这些车都采用了全铝车身的形式,反正我贵我任性。举个例子来说,在NSX量产之后,该车的价格曾一度是所有日本车中卖价最高的(曾高达800万日元以上),同理,奥迪A8和捷豹XJ这样的旗舰产品就更不用说了。

○ 在合适的地方用合适的材料

  当然对于车用铝合金的制造成本来说,现阶段它已经大大低于从前,按道理说继续发展下去,全铝车身的前景应该非常可观才对。然而,正是这种之前被奥迪等车企寄予厚望的车身形式,反而到现在被一步步“抛弃掉”,转向了更为全面平衡的钢铝混合车身。

  为何全铝车身会“惨遭嫌弃”?这里就要说到全铝车身的一个问题:相比具备热成型钢(超高强度钢)加持的车身,全铝车身在刚性和保障乘员舱完整性方面不占优势,这主要因为铝合金的强度问题。而现在的全球安全体系的要求一年比一年严格,全铝车身的安全强度问题就暴露的越来越明显了。当然,虽然强度不及热成型钢,但这不代表铝合金材料完全没有优势,比如在吸能方面,铝合金材料就要比热成型钢好很多,适合设计在具备比较充足缓冲区的车头部位。另外,铝合金板材用来代替传统冷轧钢板也可以实现不错的轻量化效果。

  而对于在碰撞事故中承担保持乘员生存空间作用的车身笼型结构而言,由于在A、B、C柱以及门槛梁等位置需要的强度非常高,因此使用热成型高强度钢材在如今看来则是更好的选择。得益于工艺的不断进步,这种材料的加工成本正在逐步变得平易近人,在做到更高强度的同时也可以兼顾轻量化的效果。

  既然热成型钢有这么大的优势,那为何车身结构不大量采用热成型钢呢?首先,热成型钢的成本再低,也要高于一般钢材,从整车成本上来看并不划算;另外热成型钢有一个明显缺点就是韧性不足,换言之就是吸能效果不好,受到碰撞的时候“硬碰硬”。

 

  在新能源车领域,轻量化也是车身设计的关键。就目前而言,现阶段可以实现量产的电池都是化学电池,它们的能量密度还没有出现爆发式的提升,因此重量普遍很大,这就导致很多电动车想要增加续航里程,对整车重量的控制非常重要。

  但是,这种钢铝混合车身在制造方面也绝非易事。举个简单的例子来说,如果是两种相同的材料实现拼接,那么只需要采用焊接技术就行。但如果是两种差异很大的材料相拼接,那么要想继续采用焊接技术的话,其难度将非常之大,并且焊接强度难以保证。

  就目前而言,想要实现钢铝混合车身,做到“车身全能化”,就势必要在材料拼接工艺上下功夫。也就是说,这种钢铝混合车身的制造难点已经从材料问题转变成了制造工艺问题,而各大车企采用的方案也都是根据不同位置、不同强度和不同材料,采用不同的拼接工艺。

  所以说,从轻量化角度来说,这种钢铝混合车身的诞生和普及算得上是一种“理性的回归”,它是一种在安全性、刚性、轻量化、成本之间博弈之后,平衡出来的解决方案。有些车型得益于此会变得更强更轻,而有些车型会因此平衡掉了之前的一些不足。

○ 未来:新兴材料+优化结构设计+多材料混合车身

  至于说未来就一定是钢铝混合车身的天下吗?短期内来看,这种车身优势很大,但要放眼遥远的未来,也许还有更多更优秀的材料可以替换其中,但不变的一个道理是,车身采用什么形式都会成为一把“双刃剑”,世界上没有一种完美的车身,也没有一种完美的材料,并且根据车辆形式和所要达到的目标定位不同,车身也将有着质的变化。

 

  而说到车身材料拼接方面,既然未来混合车身是大势所趋,无论混合什么样的材料,它们之间的拼接将成为未来白车身发展的关键。上文提到了一种高强度结构胶拼接工艺,据我所知,现阶段用于车身拼接的某些高强度结构胶,其粘接强度可以达到700MPa左右,加上其受制于拼接材料的限制较小,结构胶将可能成为未来解决混合车身组装问题的主流解决方案。

 

  车身轻量化的发展其实并不复杂,不过一味地追求极致轻量化,从某些角度上讲可以看做是一种“得不偿失”的做法。诚然,全铝车身改变了我们对车身轻量化的认知与看法,但在时代发展的过程当中,日益严峻的安全法规和车身结构强度提升让全铝车身渐渐暴露出一些问题。我相信“好钢用在刀刃上”这句话是正确的,在未来,只有在合适的地方用合适的材料与结构,才是最理想的车身。

 

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