『干货』全球8大车企的轻量化材料及工艺
摘要
随着全球排放法规的加强和燃油经济性需求的提升，多家车企致力于研发新工艺和材料实现汽车轻量化。2017年，福特、FCA、通用等车企通过采用轻质材料、优化设计和运用计算机辅助设计等手段，取得了显著进展。尽管碳纤维材料因其高昂成本而受限，车企仍积极探索合金材料和创新工艺来实现轻量化。这些努力不仅提高了汽车操控性，还显著降低了油耗和排放，展现了汽车行业在环保和创新方面的承诺。
正文
随着排放法规的愈发严苛及提升燃油经济性的迫切需求，全球多家知名车企纷纷研发新工艺及新材料，旨在实现轻量化，为车企节省成本。回顾2017年，小编对新技术进行整理，介绍了福特、FCA、通用、捷豹、宝马、奥迪、马自达、兰博基尼的八大车企的轻量化进程。
轻量化的名词解释
轻量化这一概念最先起源于赛车运动，随着“节能环保”越来越成为了广泛关注的话题，轻量化也广泛应用到普通汽车领域，在提高操控性的同时还能有出色的节油表现。
汽车的油耗主要取决于发动机的排量和汽车的总质量，在保持汽车整体品质、性能和造价不变甚至优化的前提下，降低汽车自身重量可以提高输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性，提高车速、降低油耗、减少废气排放量、提升安全性。
有研究数字显示，若汽车整车重量降低10％，燃油效率可提高6％-8％；若滚动阻力减少10％，燃油效率可提高3％；若车桥、变速器等装置的传动效率提高10％，燃油效率可提高7％。汽车车身约占汽车总质量的30％，空载情况下，约70％的油耗用在车身质量上。因此，车身变轻对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。
汽车轻量化详解
主要指导思想：在确保稳定提升性能的基础上，节能化设计各总成零部件，持续优化车型谱。汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。
实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。
汽车轻量化的主要途径
①汽车主流规格车型持续优化，规格主参数尺寸保留的前提下，提升整车结构强度，降低耗材用量；
②采用轻质材料。如铝、镁、陶瓷、塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等；
③采用计算机进行结构设计。如采用有限元分析、局部加强设计等；
④采用承载式车身，减薄车身板料厚度等。
其中，当前的主要汽车轻量化措施主要是采用轻质材料。
下面就由小编带大家来看看8大车企的轻量化进程：
福特：生物材料、技术挑战
福特采用生物材料
福特于上世纪20年代起就致力于生物材料，当时亨利·福特采用了麦草。在上世纪40年代，福特又采用大豆、大 麻及其他天然材料，将其制成塑料。福特采用了大豆材质的泡沫、密封件、垫圈、蓖麻材质的泡沫、塑料及天然纤维增强材料，上述材料的平均用量为20-40磅/车。
福特面临的挑战
其中一项挑战是：务必确保生物材料拥有良好的光洁度，然而用户却希望在材料表面能看到更多的天然纤维。
其他的问题还包括：气味、湿度敏感性、降解、耐风化强度及耐恶劣环境，经济性也是一项重要因素。
着眼于海洋内的塑料废弃物
福特研究员的科研人员表示，海洋内废弃物也是一大问题。研发人员表示应收集海洋内的塑料废弃物。
其他研发趋势还包括：车辆内饰中的抗生素添加剂，确保共享车辆的用户不会沾染到上一位驾驶员可能携带的病菌。
2
FCA：轻量化、预处理工艺、隔绝噪音
轻量化
新款Giulia的车身轻了90 kg，这是该车身材料使用了轻金属、新工艺材料及新的涂装技术。为实现减重并提升车辆的性能，FCA采用了铝材，其材料的重量占比达到了45%。公司采用突破性的整车声学包系统，提升了乘客的舒适度，减轻了车身重量。
预处理工艺
两步式磷酸盐处理金属预处理工艺是由汉高研发的，用于多金属车身，其铝含量所占比重高达80%，抗腐蚀性能超强，同时还能降低投资额及加工成本。第一步：在浸涂工艺中采用磷酸锌对金属进行处理；第二步：在冲洗后采用对铝采进行处理。磷酸盐处理时油泥的生成量将降低30%-50%，消耗的化学物质也较少，因表面粗糙而导致的返工量也将减少。
隔绝噪音
阿尔法·罗密欧Giulia还受益于汉高泰罗松旗下的高膨胀车柱填充物。当车身被送入电泳漆烘干室后，高温将致使模塑件膨胀至原始体积的十倍多，完全填满并密封车内空腔。在车辆运动时，可防止空气进入该空腔内，起到消除风噪的作用。
该款产品也是由汉高公司研发的，旨在降低因车身外壳震动而导致乘客舱而产生的噪声。FCA采用了阻尼性能测试，在进行大量测试后，该产品的损耗因素在各类候选材料中排名最高。Giulia车型上的泰罗松AL7154的总重量比标准油泥垫轻了10%，后者被用于提供隔音效果。
3
通用：低碳钢、铝合金、镁材、碳纤维
通用正竭力将轻量化材料与创新制造工艺相结合，并将其应用到旗下新款乘用车及卡车中。为此，通用多管齐下，引入新的装配线材料、鼓励工程师团队提出创新方案并应用到车辆制造中。
铝合金
这是通用首选的轻量化材料，易加工、经久耐用，其耐腐蚀性要强于低碳钢。通用采用铝板制造车身钣金件、采用挤制铝材制造车架滑轨、采用复杂精细的铝铸件替换由数十个小零件组成的较大单元组，这样既减轻重量，又降低其结构的复杂性，还提升了材料的刚度及碰撞性能。新款凯迪拉克CT6用铝材取代低碳钢，使该款全尺寸豪华轿车的重量比宝马5系轿车要轻许多。
为此，通用采用了先进的点焊技术，使熔点不同的材料能够紧密的粘合在一起。车企将轻质铝皮与结实耐用的钢架组合在一起，使两种材料实现互补，在提升强度的情况下减轻车重。
镁材
通用还在车辆的制造过程中使用了镁，因为该材料在所有金属中分量最轻。与铝材相较，分量轻了33%，其强度及耐腐蚀性却大幅提高。然而，镁的熔点较低，强度表现也并非很出色（与钢材相较），进而限制了该材料的应用。
碳纤维
通用正致力于一项碳纤维车轮项目，承诺实现车辆减重40磅。车轮的重量被认为是“旋转质量及非悬挂重量”，这意味着每降低一盎司的重量，将大幅提升车辆的能效及驾驶动态性。
据一名消息人士表示，碳纤维有望成为应用于皮卡车厢中的混合材料的一部分，其中包括铝。通用于2011年宣布与帝人集团联合研发碳纤维增强热塑性塑料。通用皮卡车厢将首次使用该碳纤维增强热塑性塑料。
4
捷豹：轻量化、悬架系统设计及材质
捷豹2018款E-PACE的轻量化表现
该款车型的发动机罩、前护板、车顶及舱盖式后背门采用全铝材质打造，相较于钢制发动机罩，其发动机罩为该款捷豹车型减重22磅，而前护板为车身减重6.6磅。除提升燃油里程，该款轻量化的铝质发动机罩还降低了车辆的重心，提升了车辆的操控能力与稳定性。而铝质舱盖式后背门则实现减重33磅。
该款车型设计先进，采用了铆接/粘合工艺、对某些选定结缝采用激光焊，进一步优化了车重及品质。
捷豹2018款E-PACE悬架系统设计及材质
前转向节采用了轻量化的空心铸铝组件，旨在提升翘曲度，尽可能降低操纵失灵。E-PACE的前副车架经过特殊调准，该结构硬度高。悬架衬套及横向平衡杆质地坚固，可提升转向响应速度，确保在低倾斜角下实现转向控制。
捷豹的工程师们采用了大量的轻量化铝质悬架组件，在提升的硬度的同时降低非簧载质量，有助于实现车辆的动态性能。后悬架安全在轻质、坚固的钢质副车架上，优化转向响应速度，并进行了工艺细化。
5
宝马：碳纤维、成本过高
据外媒报道，宝马工程师表示，碳纤维材料由于价格极为高昂，成本难以降低，在汽车上的应用将不太乐观。碳纤维材料应用的主要挑战在于其成本过高，且该项技术的难度也较大，其用途十分有限，仅被用于一级方程式赛车、价格高昂的超豪华车型的车身及底盘。
宝马明确表示，下一代宝马5系车辆将不会再使用碳纤维，但宝马i3、宝马i8及宝马7系尚未放弃该材质。他表示大约在2020年，宝马旗下车辆将大量采用碳纤维。宝马的i3和i8的整个车身件均采用了碳纤维，而宝马7系的白车身则采用多种复合材料，涉及碳纤维板、强化钢质及铝质元件。
6
奥迪：碳纤维白车身、超快速树脂传递模塑
碳纤维白车身
奥迪将MSS作为一款工具，旨在将先进的碳纤维复材应用到白车身中，从而减轻车重并提升车辆的性能。第一代奥迪R8车型采用了铝材，但奥迪决定在第二代R8中采用MSS项目所研发的碳纤维复材。
据透露，2016款R8 Spyder和Coupé车型的后壁均采用了碳纤维复材，从而大幅提升了扭应力及车辆的刚度，还实现车身减重。
奥迪的设计工程师们将单向碳纤维织物加强件与快速硫化环氧树脂体系相结合。奥迪采用泡沫夹层，其旨在减少各结构件、B柱填充物、强化件中碳纤维的用量，同时提升其强度及刚度。奥迪希望采用树脂传递模塑工艺，向被碳纤维包裹的泡沫材料中注入环氧树脂。在对复材泡沫芯材进行加工时，无需进行机加工及研磨。
超快速树脂传递模塑的研发之路
RTM工艺的精整，奥迪期望利用新工艺将各类材料融合到一起。最终，奥迪决定将该项工作移交给了一家一级供应商，由其负责相关的生产工作。双方对RTM工艺中的了注塑压力、压缩力及模具间隙进行了精准调整（微调），从而进一步优化了该模塑工艺。
对于奥迪R8 Spyder的夹层结构，注塑压力不超过40 bar，最大模塑间隙可达0.6毫米，最大压缩力可达500 MT，而模具温度不得超过123℃。凭借该项新工艺，注塑时间可缩短至15秒，而整体生产周期时间可控制在5分钟以内。
新工艺向制造商的推广应用之路
等到奥迪材料及工艺的自主研发取得成果，并将其成果转交给负责实际生产的两大欧洲复材供应商时，对方也对觉得该合作所涉及的技术与产品均存在不确定性。为此，奥迪为供应商提供了相关的技术展示，告知其新技术的应用方法。最终，奥迪说服了供应商，由后者负责这类零部件的生产，供应商为此也承担了许多风险。作为一家车企的供应商，要做到这一点确实很不容易。
成本居高制约制造
奥迪继续探索新工艺
2017年，奥迪引入了一款四座豪华车奥迪A8，该款车型采用了碳纤维复材后壁及后窗台板，上述两款部件都采用了碳纤维复材，也都采用了超快速RTM工艺。如今，公司将目光放在产品的方方面面，不仅仅是碳纤维的价格问题，还有RTM工艺的生产速度。此外，还要考虑树脂价格、粘合剂价格，整个材料链的价格。为此，我们务必采用全新的理念。
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马自达：座椅、车身、底盘
据外媒报道，马自达正在研发新一代汽车平台，其重点关注以下三个方向：
1. 座椅：可随车辆的簧上质量而移动；
2. 车身：在动力传递时可实现最小延迟；
3. 底盘：可减缓簧下质量的输入。
马自达采用扭力梁式悬架系统替换了上一代多连杆式后悬架系统。当该平台与Skyactiv-X火花控制压燃汽油发动机搭配后，下一代马自达3或将成为一款全能型车型。
座椅
马自达座椅质地更硬，可确保压缩轴平稳，使骨盆和上升保持自然的肢体活动，使乘客的头部更平稳。为此，对这类核心区域的座架进行了强化，使得骨盆横向侧位移的最大降幅达到了83%，进而提升舒适度，并感受细微的不同。当在座椅上做好后，身体将得到支撑，“甩头”的情况将大幅减少。若乘坐的车辆减震性能不好，您的头部势必会出现晃动或摇摆，我相信甩头绝对是一项恼人的搭乘体验。
车身设计
马自达在现款马自达3的基础上做了大量的改动。车身的打造通常会采用三个矩形构架设计——其分别跨越前舱壁、跨越B柱、位于后舱壁。马自达为最新款底盘设计了全方位的环形结构，在前后减震器刚性支承间构建斜向能量路径，将最新款车身从前端减震器到后减震器的屈曲传输速度提升了近三成。
除提升车身刚度外，马自达还致力于降噪，其在车身结构内嵌入了16个减震弹性体，可避免多余的振动，保留热能。这类减震节点及减震结合处有助于降低噪声信号变动的速率，前者会使人不太愉快。从设计角度看，可从声音变动的振幅或频率来进行调整，这样乘客所能感知到的刺耳声音将减少。
使簧下质量定时控制平顺化
马自达从车轮、轮胎、制动器等方面入手。首先，公司为轮胎配置了一块质地较软的侧壁，降低前/后轮行程，然后又采用了新款衬套设计，提升前悬架臂意味着马自达可更为精细地调控簧下质量的定时控制。马自达采用扭力梁式悬架系统替换了上一代多连杆式后悬架系统。
其他方面也有可圈可点之处。电辅助转向的运营声音较轻，其电制动系统也表现也很有意思，还需要对制动模块进行些许调整。当该平台与Skyactiv-X火花控制压燃汽油发动机搭配后，下一代马自达3或将成为一款全能型车型。
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兰博基尼：碳纤维、钢材、铝材
据外媒报道，兰博基尼于2017年12月4日宣布，公司推出了兰博基尼Urus，车身重量低于5000磅，采用钢、铝两种材料，是一款“超级SUV”。兰博基尼公司强调，该款车型“融合了铝材及钢材。该款车型的车身采用了轻量化设计，选用了铝、钢两种金属材料。该款SUV拥有无框车窗，无C柱后车窗则采用玻璃材质。前桥配置了铝质副车架，而后桥则配置了铝钢并合构造单元，底盘高度是可控的，作为Urus的标配——Easyload Assist可调低Urus车型的后桥高度。
该款车辆售价为20万美元，这一点不足为奇，因为该车型搭载的驾驶辅助系统，只处于2级自动驾驶水平，并非奥迪A8这类三级自动驾驶车辆。
兰博基尼正与休斯敦卫理公会研究所合作研发生物工程碳纤维复合材料。兰博基尼还与美国机构开展合作，研究碳纤维铸造件，该实验室位于西雅图附近。而在不远处的华盛顿州摩西湖市，有一家公司正在为宝马i8和i3的车身钣金件及其他零部件生产碳纤维材料。
小结
小结
上述车企在进行轻量化进程时，碳纤维和成为炙手可热的材料，旨在大幅减轻车身重量。然而，由于其价格较高，应用量并不大。相反，许多车企纷纷从工艺及合金材料着手，在提升汽车部件强度的同时减轻车重。钢、铝等合金材料及热塑工艺、结构部件的设计也成诸多车企轻量化战略中的重要组成部分。
文章来源：一览众车
