工程塑料和复合材料 汽车轻量化在行

 

　　材料轻量化的“三驾马车”

 

　　基于结构和制造工艺的积累与进步，新材料的使用呈现出多元化的发展，综合来看，可以将其形象化为“三驾马车”。

 

　　超高强度钢

 

　　在低碳钢钢板基础上，采用不同强化机制得到高强度钢板，并利用高强度特性，在保证车身机械性能的前提下，减薄厚度，进而降低汽车质量。有研究表明：当钢板厚度分别减小0.05mm、0.1mm、0.15mm时，车身质量可分别减少6%、12%、18%。

 

　　以沃尔沃为例，S60长轴版在车辆A、B、C柱、侧面防撞梁、底盘加强梁、后保险杠等这些关键部位，超高强度硼钢使用率为37.6%，白车身重量仅为321Kg，而在同尺寸车型中，白车身重量一般在350~400Kg。

 

　　相比高强度硼钢，热成型钢的使用更为主流，将钢板经过950℃高温加热之后一次成形，再迅速冷却淬火，屈服度可达1000Mpa之高，车身重量保持不变时，承受力可提高30%。现在热成型钢板的使用已经下探到10万级别以下车型中，多集中在A、B柱上，在更高价格的汽车上，也逐渐应用于中通道、底盘横梁、纵梁等部位。

 

　　铝合金

 

　　铝合金密度小、比强度和比刚度高、弹性和抗冲击性好，还耐腐蚀，刚开始应用于发动机罩和行李箱盖，后被广泛用于汽车车身及底盘。按照使用区域来划分，主要应用在车架及大型铝合金型材件、前后防撞梁、车门外板等覆盖件及底盘传动部分零部件全铝化三个方向。

 

　　现在很多A级车也会用铝合金取代传统的钢制覆盖件，比如别克新英朗的发动机盖就是铝制结构。而对于底盘部件的优化，铝合金不仅能够减轻簧下质量，还能有效降低车重，可谓一举两得。

 

　　以奥迪A8L为例，其采用的空间框架结构(ASF)是由22%的挤压成形铝合金件、35%的高精真空铸造铝件、35%的液压成形铝合金板材和8%的强化钢材组成。

 

　　考虑到车身骨架是由铝质的挤压型材和压铸零件构成，焊接工艺采用激光焊接和冲钻铆接，白车身质量只有241kg，较传统钢质结构车身具有40%的轻量化优势，结构刚性与抗扭强度较上代产品提升了25%。这种工艺还使用在TT、R8等众多量产车型上。

 

　　铝合金相比超高强度钢，在轻量化上优势明显，原材料成本上差距也不大，但铝合金材料的加工和焊接成本对传统的制造工艺要求高，设备和技术的升级使得相当一部分厂家很是头疼。而且铝合金材料在修复问题上还没有明显进展，这将直接导致高额的维修成本。

 

宝马BMW7的C柱加固件

 

　　复合材料主要指碳纤维增强复合材料，它比铝轻30%、比钢轻50%，强度却是钢的7~9倍。早在20世纪80年代，碳纤维就开始应用于航空等高精尖领域，其下放到民用级汽车上还是在21世纪以后。

 

　　自2003年宝马E46M3CSL的车顶开始使用碳纤维开始，BMW车辆上很多零部件都用了碳纤维，例如发动机支撑杆、传动轴、后视镜等。得益于陶氏复合材料结构胶注射粘接技术，全新BMW7系的车体框架中，碳纤维增强复合材料被用于加固车顶横梁结构以及B柱和C柱、底部侧围、中央通道和后部支撑。相比上一代车型，全新BMW7系最大减重达130kg。

 

　　以上复合材料是作为加强件而存在的，这相当考验复合材料和钢材或铝合金之间的连接技术，也提升了胶结或铆接技术在这方面的应用前景。此外，BMWi系列采用的全碳纤维车身设计则更为直接，碳纤维零件的预成型模具可由多个接合在一起，来生产表面积较大的碳纤维部件，最终通过特殊的粘接剂组装。

 

　　不同于碳纤维材料，工程塑料用于替代汽车上的有色金属及合金部件，其刚性大，电绝缘性好，能在较宽的温度范围内承受机械应力，还能在苛刻的化学物理环境中使用。玻璃钢(FRP)、ABS、PVC、PA等都属于这个范畴，以玻璃钢为例，可用于制造保险杠、舱门板、翼子板、仪表台等。目前在汽车上，非金属材料占26%~28%，塑料占9%，仍有相当大的提升空间。

 

　　事实上国外发达国家已经将汽车中塑料的占比来衡量汽车制造和设计水准。以汽车工业大国德国为例，每辆汽车使用塑料制品为300Kg，约占汽车材料消耗总量的22%，相比2000年，发达汽车国家的塑料平均使用量仅为120Kg(世界平均水平为105Kg)，可见发展速度迅猛。而在2010年，中国每辆汽车平均塑料用量才为70千克，还不及发达国家十年前的水平。

 

　　虽然我们把各项技术单拎出来谈，但汽车轻量化材料的发展并不是单打独斗，比如奥迪A8L在ASF车身结构中还加入了镁合金(顶吧)以及CFRP碳纤维增强塑料(后壁板)，凯迪拉克CT6采用了钢铝混合车身结构(铝合金比例64%)等，奔驰GL级的发动机支架采用了巴斯夫聚酰胺材料(塑料件)。合理利用各种材料的特性，并结合对应汽车部件的功能，就目前来说更加可取。

 

　　轻量化材料与自动驾驶

 

　　新时代下，汽车轻量化和汽车安全性之间的联系变得越发紧密。随着智能网联汽车技术的发展，汽车整体安全性必然会有提升，轻量化技术可以从中获得更多的可能性，我们不再需要一味加强车身来提高碰撞安全。

 

　　基于新形式下的需求，低速电动车采用的一次成型整体车身优势明显。通过滚塑整体成型工艺，能一次性制备出具有复杂曲面的大型或者超大型的中空塑料制品。很多一体成型车身采用内置钢网结构或添加强化材料如玻璃纤维等来增强车身的结构强度，这正好满足了轿车车身体积大、外观线条流线、曲面圆滑的要求。

丹麦节能电动车ECOmoveQBEAK。

 

　　以丹麦节能电动车ECOmoveQBEAK为例，车身尺寸为3,000×1,750×1,630mm，整车质量仅为425Kg。而同尺寸的传统轿车车身重量基本在1,000千克以上，即使是尺寸更小的Smart，车身尺寸2,695×1,663×1,555mm，整车质量也有920-963千克。

 

　　将来的汽车必然会向质量更轻、加工更加简便的工程塑料方向发展。不仅是从厂家角度考量，对于用户来说也是如此。技术优化后，传统轿车的承载式车身结构也会被打破，取而代之的是无骨架车身结构，这种类似于F1赛车所采用的碳纤维单体壳式车身结构，采用了仿生原理，安全性更高、内部空间更大。

 

　　小结  

　　不论是诸如沃尔沃这样的保守派，还是宝马这样的激进派，都在自己专注的领域突破着，“三驾马车”还远没有达到各自的顶峰。在更远的未来，随着智能网联汽车技术的发展与成熟，轻量化材料的格局可能会变化，工程塑料和复合材料的使用会更加普遍。