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万字长文,不止蔚来!一文看懂汽车轻量化的过去、现在和未来

来源:新材料在线|

发表时间:2018-01-14

点击:1160

“这是全世界铝合金应用率最高的量产车,也是唯一一款采用了航空级7003铝合金的车。”蔚来汽车创始人李斌在ES8发布时信心满满的说到。


早在2014年,蔚来设立之初,就坚信轻量化一定是电动汽车未来的趋势。3年的研发、打磨,蔚来ES8成为国内首个独立研发并量产的轻量化全铝车身平台。且在车身最关键的传力路径和承载部位上,ES8也使用军工级7系铝合金及多种先进连接技术。这使得ES8全铝车身上铝材的使用率高达96.4%,成为全球量产的全铝车身中铝材应用量比例最高的车型。因此,蔚来ES8集结了轻盈、坚固、安全等特性。


全铝车身在蔚来汽车轻量化进程中功不可没——能耗消耗只占到新生产的5%;能耗过程中,可减少92%的温室气体排放;车身重量降低,提升配置的自由度,预留了充足的空间;能耗降低8%-10%,污染物排放减少7%;刹车距离减小3米,动能降低10%;百公里加速减小0.5秒,有效负载增加130kg。


ES8的白车身采用源于飞行器的全铝架构平台

图片来源于易车网


那么就让我们以蔚来ES8为契机了解一下什么是汽车轻量化吧!


◆什么是汽车轻量化?


汽车轻量化的概念就是在保证汽车的强度、刚度、模态以及安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力性和操控性,减少燃料消耗,降低排气污染。


汽车轻量化始于发达国家,最早由传统汽车巨头引领,经过发展已产生一定规模。汽车行业都是通过优化汽车结构和零部件的用材,选择合理的制造工艺,让合适的材料、最优的结构形状和尺寸用在汽车合适的位置,充分发挥每一部分材料的承载、吸能、加强等作用,来有效减少汽车重量。


汽车轻量化最早出现在赛车和超级跑车身上,通过在车身结构上铝合金、镁合金代替钢材料方式,减轻整车的重量,从而降低车辆的惯性,使得赛道上不管在减速、加速、还是过弯道、更快而更灵活,而且轻量化的运用,还会使得整车的重量分布更为均匀,提升赛车和超跑的操控性。


图片来源:http://www.fengsung.com


Rezvani在2015年发布了一款轻量化跑车Beast X,全车大量采用碳纤维材料,车身重量仅839公斤。


而在近来越来越多的企业在宣传新车型的时候,往往会将轻量化作为重要的宣传方向,为什么市场越来越看重汽车的“轻量化”呢?


◆为什么要汽车轻量化?


随着汽车保有量的逐年提升,汽车已经成为石油的消耗主体。因此我国为应对石油供应、全球变暖等能源及环保问题,严格制定了乘用车燃料消耗量标准法规,对乘用车燃料消耗量及应对二氧化碳的排放提出了严格的要求。


新修订的《乘用车燃料消耗量限值》标准对我国汽车的燃油消耗作了上限规定,并分两个阶段实施。标准第一阶段实施后我国现有的汽车油耗水平将降低5%-10%,第二阶段实施后油耗将比现在降低15%以上。每年将设置油耗达标值,到2020年汽车燃油限值将从2015年的6.9L/百公里降至5.0L/100公里,年均降幅达6.2%左右。


国家

2015

2020

2025

美国

6.7L/百公里

6.0L/百公里

4.8L/百公里

欧盟

5.0L/百公里

4.0L/百公里

日本

5.9L/百公里

4.9L/百公里

中国

6.9L/百公里

5.0L/百公里

4.0L/百公里


要实现节能降耗,汽车企业可以通过发展新能源汽车、调整产品结构、研发高效驱动系统、汽车轻量化等多种方式。其中,轻量化是汽车企业最易于采用并最为有效的方式。车身运行过程中,汽车牵引力需克服三个主要阻力:空气阻力、地面摩擦力和速度变化带来的惯性。惯性和摩擦力与车重成正比。汽车质量的降低可以大幅减小这两大阻力,起到提升汽车燃油经济性的效果。据了解,车身自重将消耗40%以上的燃油,而试验显示,汽车质量每减轻100千克,每百公里的燃油消耗将减少0.4-1升,汽车的自身质量每减少10%,燃油的消耗可降低6%-8%,汽车的废气排放也会有明显降低,而且汽车轻量化对消费者所关注的安全性能、操控性能、环保性能等指标都有重要意义。


◆轻量化材料在汽车上的应用


汽车中占自重90%的6类材料大体分为:钢,铝及铝合金,铸铁,塑料,复合材料,陶瓷及玻璃。用新型板材及轻型材料替换车身骨架及内、外壁板是原有钢材实现车身轻量化的的重要途径之一。


图片来源:http://jckx.jc.gansu.gov.cn


选用新材料,包括高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金、塑料、复合材料等轻金属替代钢铁材料是汽车发展的重要方向,也是世界各汽车大公司争相开发的材料重点方向。



数据表明,汽车金属材料市场在2017年已增长至近600亿美元。目前,北美汽车轻量化材料是全球最大的市场。预计该地区的年复合增长率约为 5.6%,在2021 年达到362.3 亿美元。欧洲是全球第二大市场。而亚太地区轻量化材料市场将是这个行业中发展最快的地区。


◆应用现状


轻金属


在中国新能源汽车的高速发展的背景下,汽车轻量化用材进入高强钢与铝、镁混合应用的阶段,2017年中国汽车行业的轻量化举措也取得大量进展。


表 各车企轻金属应用情况


高强度钢


目前钢材仍是汽车轻量化的主角,钢铁企业和汽车制造企业合作研发高强度汽车用钢仍是实现汽车轻量化的主要方式之一。目前国内对于高强度钢的利用率仅有40%,而在国际上这个比例则高达70%。现在高强钢的推进工作不到位,在实际应用上,存在着汽车企业不愿意去推动的现象,由于更换新材料,在设计和工艺上需要重新设计,因此存在着成本和技术风险。

国产新速腾材料分布图(红色标注的热成型钢所占用的比例为10%)

图片来源:www.sohu.com


碳纤维复合材料


宝马(BMW)推出的纯电动汽车在量产车中率先采用了碳纤维车体,碳纤维一直有着汽车轻量化杀手锏之美誉。该车使用碳纤维取代了车体材料中过去最常用的钢铁。碳纤维以仅有钢铁4分之1的重量,实现了足够的强度和耐久性。


纤维材料技术目前主要研发企业包括KANEKA、积水化学、丰田、东丽、帝人、住友化学、戴姆勒、拜耳等,技术方向涉及碳纤维增强复合材料的制备及应用、挤压成型技术及装备、与其他材料的结合使用等。此类材料主要是应用在结构及非结构部位,包括底盘、无骨架车身、车顶、地板、引擎盖、挡泥板、保险杆等。


图片来源:http://www.evtimes.cn


然而目前碳纤维的广泛使用依然存在着五大挑战:成本高、循环周期长、加工成本高、设计和工程开发难度大,缺少成熟的数据库、材料回收困难。


塑料


数据表明,2015~2020 年间车用塑料的预期复合年增长率预计可达 15.4%. 到2020 年,全球汽车塑料市场复合年增长率预期可达13%。随着汽车轻量化需求扩张,车用塑料正进入蓬勃发展时期。据悉,目前汽车零部件早已使用了大量塑料零部件,包括保险杠、轮罩、牌照板、仪表盘、门板、旋钮,甚至发动机罩、进气系统等。


表 塑料在汽车轻量化中的应用


据中国汽车工业协会,我国2017年汽车产量2900万辆,同比增长3.5%,过去5年的年均复合增长率为6%。汽车塑料用量大约在100~220Kg/辆,预计随着新材料的快速发展,到2020年每辆车用塑料可达500Kg。按照每辆车用塑料200Kg测算,单车塑料的成本单价约3212.3元,按照一般原材料占总成本比例约50~70%测算,计算可得单车塑料件的价值约4589~6424.6元。按2900万辆的年产计算,国内汽车用塑料件的市场空间为1330.81~1863.134亿元。


在汽车中不同的部件所使用的改性塑料也会基于结构的需求和材料特性进行选择。


基于改性塑料的汽车轻量化整体解决方案

汽车零部件

改性塑料

内部饰件

仪表盘

改性PP、玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(GMT)PVC合金(仪表盘材料以PVC/ABS为主)

门内板

ABSPPPP发泡、TPU、玻璃纤维增强不饱和聚酯片状模塑料(SMC)、天然纤维/PP

底座

玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(GMT)

地板

玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(GMT)

脚踏板

玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(GMT)

外部饰件

车顶盖

PC合金(PC/PBT),玻璃纤维增强不饱和聚酯片状(SMC)

发动机罩

玻璃纤维增强不饱和聚酯片状(SMC)GMT

行李舱盖

玻璃纤维增强不饱和聚酯片状(SMC)

前翼子板

玻璃纤维增强不饱和聚酯片状(SMC)

尾板

玻璃纤维增强不饱和聚酯片状(SMC)

后背门

GMT

底盘耐磨零件

改性PBT,改性POM

结构件

保险杆

PPPC/ABSPC/PBTPP发泡材料、TPO、玻纤增强PP材料

燃油箱

超高分子量高密度聚乙烯、共聚PAEVCH树脂

进气歧管

玻纤增强PA

发动机周边零件

PA66

离合器执行系统

长玻纤增强黑色尼龙LFRT

车身

碳纤维复合材料

底盘

碳纤维复合材料



先进加工工艺在汽车上的应用


应用在汽车轻量化中的新型生产工艺主要包括激光拼焊板技术、TRB 轧制板技术、液压成型技术、超高强度钢热成型技术、新型连接技术


①激光拼焊板技术

汽车门框传统加工工艺

汽车门框激光拼接焊板工艺


据统计在汽车制造中采用激光拼焊板材后,可使零件数量减少 19%,零件重量相对减轻 24%,焊点下降 49%,生产效率提高 24%。


② TRB轧制板技术



TRB 技术的减重效果比激光拼焊接更好,除此之外,不等厚钢板的力学性能变化连续、适应性强,过渡区不存在压力峰值等特点。


③ 液压成型技术

液压成形技术采用液态物质作为施力介质,使坯料在施力介质的作用下,贴合凸摸或凹模面而成形。其工艺如下图所示,与传统的液压成型工艺相比能够降低 11%的零件成本,并能减轻 7.3%的质量



④ 超高强度钢热成型技术


乘用车为提高主动安全性,越来越多地在主要安全件中采用超高强度钢。其抗拉强度和屈服强度可分别达到1500MPa 和1200MPa,因此热成型钢在汽车车身中的运用提高了车身整体安全性,在碰撞中对车内人员起到很好保护作用。高强度的热成型钢可以在保证安全性的前提下减少汽车中钢材的运用量,从而减轻汽车质量。


⑤ 其他工艺处理

胶接技术在汽车工业上的应用,不仅能连接不同的材料,如非金属与金属、复合材料;还可以提高抗冲击性、耐疲劳性、结构的韧性和耐腐蚀性,同时还有到增强隔热减振、汽车结构、紧固防锈,能够取代某些部件的焊接和铆接等传统工艺,达到减轻质量、简化组装工序、提高制品质量等效果。


蔚来的轻量化布局


① 碳纤维材料的应用

2017年6月22日上午,康得新、康得复材与蔚来在上海举行智能电动汽车碳纤维部件量产定点采购协议签字仪式,康得复材将为蔚来提供大规模的碳纤维复合材料总成部件,价值高达十余亿元人民币。

图片来源:蔚来官网


2017年2月23日,蔚来汽车EP9车型在美国得克萨斯美洲赛道以每小时257公里的速度创造了无人驾驶时速纪录,这款汽车就是一辆全碳纤维车身结构的智能纯电动超级跑车,之所以具有极佳的性能,全碳纤维的轻量化车身为其提供了关键的基础。


② 江淮汽车建成全铝车身工厂

江淮汽车集团有限公司建成全铝车身工厂,本次大热的ES8的全铝车身就是由江淮代工而成,引爆热点。


除此之外,蔚来也在与其他供应商积极合作中,进一步使用新工艺,新材料新技术来革新新能源汽车的轻量化。2018年2月5日,我们将走进蔚来,拥抱未来,有以下材料提供的欢迎联系我们——SMC材料;碳纤维材料;高强度铸造材料;成熟的低散发、低VOC材料;先进链接工艺和成型工艺;3D打印。

碳材料产业链通讯录 汽车非金属材料行业通讯录

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