Jaguar Land Rover 转向更为环保的铝制车身
本文摘要（由AI生成）：
Jaguar Land Rover (JLR) 作为全球知名的高端汽车制造商，致力于技术创新和产品卓越。公司采用铝制车身替代传统钢制，不仅提升性能，还大幅减少二氧化碳排放，彰显环保承诺。通过先进仿真软件和制造技术，JLR实现车身及底盘大幅减重，提升NVH性能，增强耐久性和安全性。目标是相较于同车型钢制车至少减重100 kg，路虎揽胜SUV则减重400 kg。JLR采用集成方案，跨部门合作确保品质，同时创新接合技术降低成本、提高效率。选用高强度铝合金和回收材料，提升环保效益。利用CAE工具优化设计和材料使用，减少测试需求，加速产品开发。JLR的铝制车身战略展现技术创新与环保关怀，为全球客户提供高性能环保车辆，树立行业新标杆。
用铝制车身代替钢制车身的过程中，Jaguar Land Rover 必须彻底地重新思考车辆的设计和装配方式。专业的仿真软件助力该公司满足二氧化碳排放要求，提高整个流程的效率。
Jaguar Land Rover (JLR) 是一家生产高端乘用车的老牌制造商，拥有国际知名品牌，具备屡获大奖的独家车辆产品组合，分销网络遍布全球，并具有超强的研发 (R&D) 实力。该公司战略基于三大支柱：客户至上、卓越产品以及环境创新，它们均以开发并应用先进技术和流程为支撑。
JLR 精明的客户总是想获得最佳的产品。因此，该公司不断对车辆品质进行评估，并开发改进措施，以期完善自己的产品。
为保证车辆的功能和外形，该公司采用集成方案，即设计、工程、流程规划、制造、供应商管理和供应链团队在整个产品生产过程中共同协作，从而为客户提供一流产品。此外，JLR 致力于采用侧重于产品创新、资源效率、闭环流程和社区投资的协作运营模型，最大程度降低对环境的影响并提高自身对社会的贡献。
最近，该公司因开发高档轻质架构设计概念并将其应用于最新路虎揽胜 (Range Rover) 车型而斩获大奖。本文将探索 JLR 如何利用先进技术制造出既符合客户极高的预期又能降低碳排放量的车辆。
新型设计理念
JLR 的轻型车 (LWV) 战略涉及用铝制车身代替钢制车身。制造的车辆既要符合全球汽车二氧化碳排放标准，又要满足客户需求，既要有一流的噪声、振动和舒适性 (NVH) 性能，又要具备极高的耐久性、安全性。最终，该公司减轻了车身及底盘系统的重量并实现了相关系统的二次减重，同时在车身制造过程中最大程度地实现材料的循环使用并减少能耗。用铝制车身代替钢制车身虽然减轻了重量，但却提高了零部件设计与生产的复杂性。JLR 采用一种整体方案来检查各个设计和制造环节，充分利用新颖、先进的仿真和制造技术。JLR 设立了与同车型钢制车辆相比，至少减重 100 kg 的目标，而对于路虎揽胜 (Range Rover) SUV 车型，设定的目标是减重 400 kg。“之所以实现轻量化，是因为我们希望它确实能够大幅减重，从而让客户感受到实实在在的益处。”Jaguar Land Rover 产品开发部先进车身首席工程师 Mark White 表示。
虽然铝的单位成本要高于钢，但铝的用量较少，加之未使用的金属能够循环利用，因此能够节省大量成本，而且为制造流程提供了一种新思路。“我们早就意识到，如果能够回收利用制造过程中未使用的金属，并按合金牌号对其分类，从中获取最大价值，之后就能以相当低的成本以及相当低的能耗将其快速转化为优质材料。”White 表示。“首先，我们要努力解决用铝替代钢所带来的各种技术问题，其次，还要尽力缩小铝和钢之间的成本差距，使铝更实惠，从而广泛应用于各种车型。”
设计限制促成新的设计灵感
要用铝制车身代替钢制车身，JLR 需要重新审视整个设计流程。“如果我们照搬钢制车身的设计方案，只把材料换成铝，就得不到最佳设计方案。我们并没有照搬原有设计，而是研究了使用铝材质后原设计方案的利弊。”White 表示。
首先，铝制零部件点焊就颇具挑战，因此JLR 决定采用铆接技术来代替。铆接技术与粘合技术相结合形成的接合点比钢点焊形成的接合点更结实。同时，这种接合方法能够大幅提高接合点的长期耐久性。
JLR 采用了计算机辅助工程 (CAE) 工具，其中包括独特的接合解决方案，确定了粘合剂和铆钉的最佳位置及最佳用量。铆钉和粘合剂具有两种不同的功能。铆钉可增强强度，而粘合剂可提高刚度、NVH 性能和耐久性。
“这种接合方法在车辆碰撞中能够发挥重要作用，这一点毋庸置疑。”White 谈道，“它之所以能够提升碰撞性能是因为它形成的接合点是连续的，连续接合点肯定优于单点接合点。”
借助铆接技术和粘合技术，JLR 减少了制造流程中所需的接合点数量。“例如，一辆普通的钢制汽车要有 5,000 - 6,000 个焊点。结合采用粘合技术后，我们的 Jaguar XJ 车型仅需约 3500 颗铆钉。”White 解释说。虽然对于单个接合点，铆接耗费的时间要比点焊略长，但由于铆接接合点较少，因此白色铝制车身接合作业所需的平均时间要短于同一车型的钢制车身。
重新思考设计方案的过程中，JLR 获得的另一项益处在于减少了零部件数量。如果只是简单地将材料从钢换成铝而不修改原有设计方案，那么所得的设计中，铝冲压零件的数量可能要多于钢冲压零件。零件越多意味着成本越高。“我们曾讨论过，如果采用铝质材料需要更多冲压零件，那么我们能不能探索其他不能生产钢零件，但能生产铝零件的制造工艺。”White 说，“从那以后，我们着手开发薄壁高压压铸技术。”
开发团队发现，可以将多个零件整合到单个压铸件中，并且仍可采用铆接和粘合工艺将其与其余结构接合。“例如，对于前减震器，我们就能够只使用一个铝制零件代替七个钢制零件。”White 表示，“将其应用于整车后，我们能用约 10 个铝制零件代替 30 或 40 个钢制零件。”而零件越少意味着接合点越少，也就能减少铆钉的数量。最终，JLR 设计团队在路虎揽胜 (Range Rover) 和其他 LWV 的整个设计过程中，广泛应用了优化技术。虽然铝比钢要轻，但若对材料进行高效利用，就能带来更轻的设计，并且能够节省成本。“先进的优化软件能够帮助我们获得适合的几何结构及规格，同时还能去除本不需要的材料，”White 补充道。
Jaguar Land Rover 因车辆轻量化设计将 2014 年度 Altair Enlighten Award 大奖揽入囊中，它开发出了新的 CAE 技术，对路虎揽胜 (Range Rover) 设计的碰撞、耐久性、噪声、振动和舒适性进行仿真。同时，该公司还研发了新型制造仿真技术，用于对轻量化车辆结构的冲压、铸造与接合进行仿真。
铝合金提升环保效益
用铝制车身代替钢制车身后，除了减轻重量从而提高燃油经济性之外，还能获得其他重大环保效益。例如，用于生产车身外板的铝板可以由回收材料制成。
铝制车的兴起约有 15 年的时间，并且从一开始就已融入Jaguar 和 LandRover 的 DNA 中。然而，许多铝制车都是轻量级跑车，空间相当狭小。“关注的重点在于减轻重量而非提高强度和长期耐久性，”White 表示。JLR 揽胜 (Range Rover) 这样的越野 SUV，运行工况比起一年在跑道上行驶数百英里的高端跑车要严峻得多。
White 解释说：“我们开始研发时，确实希望我们开发出的合金能够适用于我们制造的任何一款车型。”JLR 在过去 15 年中开发出了多种高强度铝合金，具体如下：AC300T61。这是一款 6000 系列铝合金，延展性极佳，因此是以一种可控制的方式吸收能量，而不会使材料发生断裂。材料断裂后，材料强度损失较大。除非可以对材料断裂位置进行预测，否则其缺乏可控的能量吸收。White 称：“我们希望此材料具有较高的延展性，从而获得优良的‘碰撞/变形性能’。
我们为路虎揽胜 (RangeRover) 车型开发了这种材料。”
AC170。此合金很容易成型，同时保持了较高的强度。该合金在喷漆车间烘烤硬化，可达到钢制车辆蒙皮壁板的同等强度。它用于制造挡泥板、车门蒙皮、车体侧面和其他复杂的外部蒙皮壁板。
RC5754。AA5754 是一种工业标准合金。RC5754 具有相同的性质，但是该合金是由回收度更高的材料制成。“我们与一家铝供应商合作，花了三到四年时间共同开发出这种新型合金，我将它称为高回收度合金。”White 表示，“它的性能与可以从任一家铝供应商买到的普通初级 5754 铝合金相同，但其中始终含有大量再生金属。我们的目标是在 RC5754 中包含 75% 以上的再生合金。”
此外，JLR 也在考虑能够添加回收材料的其他合金。“之所以从该合金入手，是因为它是一种相当常见的合金。我们知道我们可以从行业中获得以整体形式供应的 5754 废料。这对于我们的回收策略来说，是个不错的入手点，”White 表示。5754 是一种工业标准合金，对于伸长率和极限抗拉强度等机械特性，人们已有充分的认识。“我们希望达到所有性能标准，但我们目前仍允许合金中存在杂质，我们可以容许合金中含有较高比例的硅、铁等。”White 表示，“客户不会注意到其中的差别，但对我们和环境来说，这种材料显然更值得拥有，”他补充说。
White 表示，使用再生铝合金可降低车辆的碳排放量，从而减轻对环境的不利影响。根据具体工艺和所含回收材料的多少，制造再生合金所需的能源是制造初级合金所需能源的 10%-25%，与初级合金相比，最多可节省 90% 的能源，因此可减少 90% 的碳排放。“此外，由于我们增加了回收材料的含量。”White 表示，“从长远看，我们也会降低金属成本。”
CAE 助力细节设计
在设计铝制轻量化 SUV 车身设计过程中，JLR 在各个环节都采用了 CAE 工具。“所有工作都是在虚拟环境中完成的，设计完成后，我们只需要执行验证测试，”White 表示。验证测试也是政府立法机构以及消费者机构要求执行的。“我们不必像以前那样执行大量测试。我们执行测试，是为了确保汽车可以像在虚拟平台上那样运行。”
除了对车辆进行建模以获得碰撞结果之外，JLR还借助 CAE 来了解所用材料的机械特性。“例如，如果我们要制造一个冲压零件，我们会通过软件对其制造工艺进行仿真。”White 解释说，“我们会借助模型中获得此零件的实际规格。比如我们有一块板材，开始是 1mm 厚的平板。
将它拉伸后，变薄位置的厚度可能会降至0.85 mm。我们可以在碰撞模型中融入这个规格模型。”在JLR 的整个设计流程中，都会重复执行这种详细的评估操作。
“在制造该零件时，我们能够记录冲压过程中造成的损坏程度，因为每次我们将金属板放入冲压模具时，不仅在冲压过程中将其压薄，还使用了其一些可用能量，其非活性能量。”White 补充说，“因为我们在制造该零件的过程中应用了部分强度，它不再会将所有强度带入碰撞过程中。”在 CAE 模型中，我们也可以体现这一点。”
在 10 年前，这种仿真还不能利用。过去，“我们只采用固定规格，并假定此固定规格零件能够满足我们的所有需求。现在情况并非如此，”White 表示。JLR 现在使用热建模对零件的烘烤硬化反应进行监视，烘烤硬化会改变零件在生命周期中的机械特性。“我们甚至可以根据零件在车身中所处的位置，对所需的硬化工作量进行建模。在同样的喷漆车间烤炉中，可以使外部蒙皮壁板在尽可能长的时间内吸收尽可能多的热能，而内部加固材料则在较短的时间内吸收较少的热能。我们能够从热学视角对这种细节层次进行建模，”他表示。
未来的保真度
JLR 将继续打造更为复杂的模型。“对于我们设计的每款新产品，我们都能获得较高的保真度，相比以前的模型，在虚拟环境中能够完成更多工作，”White 表示。该公司期待进一步改善技术，并与大学和调查公司建立伙伴关系，从而确定进行改进的领域。
