混合材料正在成為全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)

王偉東｜文

（作者單位：北京安泰科信息股份有限公司）

為實(shí)現(xiàn)輕量化，汽車(chē)制造廠商除了簡(jiǎn)化車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、減少車(chē)身零部件數(shù)量外，更多使用鋁、鎂、碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)材料和高強(qiáng)度鋼來(lái)進(jìn)一步降低車(chē)身自重已成為業(yè)內(nèi)共識(shí)，多種材料混合使用的車(chē)身材料應(yīng)用設(shè)計(jì)理念正在興起。

隨著世界各國(guó)汽車(chē)保有數(shù)量的不斷增多，傳統(tǒng)燃油車(chē)尾氣導(dǎo)致的碳排放問(wèn)題愈加受到廣泛關(guān)注。全球汽車(chē)主機(jī)廠為滿足與汽車(chē)節(jié)能減排有關(guān)的政策法規(guī)要求，除了積極研發(fā)和生產(chǎn)新能源車(chē)型外，也在通過(guò)減少車(chē)身自重來(lái)達(dá)到環(huán)保要求，汽車(chē)輕量化進(jìn)程正在不斷加快。

混合材料車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是發(fā)展趨勢(shì)

為了進(jìn)一步改善車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、提高車(chē)輛行駛安全性、整體提升駕駛體驗(yàn)，汽車(chē)制造商們不再局限于使用單一材料，開(kāi)始逐步嘗試多種材料混合使用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將最合適的材料以最好的方式應(yīng)用到汽車(chē)的各個(gè)部位上。這種汽車(chē)設(shè)計(jì)思路的變化也成為推動(dòng)鋁在汽車(chē)行業(yè)消費(fèi)量不斷增長(zhǎng)、市場(chǎng)占有率不斷提高的主要因素之一。

通常情況下，如果想對(duì)汽車(chē)減重，就必須大規(guī)模地改用輕金屬材料或復(fù)合材料。汽車(chē)制造商們也表示，如果想將一輛車(chē)減重15%，很難不依靠輕量化材料。不過(guò)，目前汽車(chē)制造商使用的比較常見(jiàn)的減重方式是使用耐高溫塑料以及縮小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸。如果需要為汽車(chē)減去5%的重量，汽車(chē)制造商通常會(huì)選擇鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如福特推出的全鋁車(chē)身F-150。

另一方面，采用材料混合使用車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是出于安全方面的考慮。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，既然以鋁代鋼會(huì)給汽車(chē)帶來(lái)諸多好處，應(yīng)該將所有鋼制部件盡可能地更換為鋁制部件，于是“全鋁汽車(chē)”就此出現(xiàn)，即整個(gè)白車(chē)身和四門(mén)兩蓋全部以鋁制成，這使得整個(gè)車(chē)身減重效果更加顯著。但汽車(chē)工程設(shè)計(jì)和研究人員隨后也發(fā)現(xiàn)，全部采用鋁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也存在一定弊端，比如行駛安全問(wèn)題。

以全球首家推出全鋁轎車(chē)的奧迪公司為例，在奧迪A8 新的奧迪車(chē)身框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋁仍被作為一種重要的建造材料。鋁制部件占新款A(yù)8 轎車(chē)車(chē)身部件中所占比例為58%，在四種輕量化材料中用量最多。鋁鑄件、擠壓型材和板材的使用是奧迪車(chē)身框架結(jié)構(gòu)具有的主要材料應(yīng)用特征。

鎂材料主要用于支柱支撐，與老款車(chē)型部件相比，其減重效果達(dá)到28%。鋁螺栓固定連接到支撐塔的圓頂，確保了車(chē)身的高扭轉(zhuǎn)剛度。在發(fā)生正面碰撞的情況下，所產(chǎn)生的作用力被分配到車(chē)身前端的三個(gè)緩沖器上面。

多種熱成型高強(qiáng)度鋼制零部件構(gòu)成了汽車(chē)乘坐艙，這些零部件包括前艙壁下部、側(cè)柱、B 柱和車(chē)頂梁的前端部分。其中一些金屬板材通過(guò)在不同厚度下使用裁剪技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)，其他一些部件還需要進(jìn)行局部熱處理，從而實(shí)現(xiàn)重量減輕而強(qiáng)度增加，并在車(chē)輛特別需要提高安全防護(hù)的區(qū)域使用。

在其整體尺寸方面，一種由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的超高強(qiáng)度、高扭矩強(qiáng)度后面板是新奧迪A8 乘坐駕駛艙中尺寸最大的部件，它使整車(chē)的扭轉(zhuǎn)剛度提高了33%。為了優(yōu)化和吸收縱向、橫向載荷以及剪切應(yīng)力，有6~19 層碳纖維材料被安放其中，以確保負(fù)載優(yōu)化布局。

毋庸置疑的是，鋁仍然是在汽車(chē)應(yīng)用材料領(lǐng)域發(fā)展最快、最具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的金屬材料。為了進(jìn)一步改善車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、車(chē)輛行駛安全性、提升駕駛操控性，汽車(chē)制造商們不再局限于使用單一材料，而開(kāi)始逐步嘗試用多種材料混合使用的更佳設(shè)計(jì)方法，將最合適的材料通過(guò)最好方式應(yīng)用到汽車(chē)的各個(gè)部位上。

車(chē)身材料連接技術(shù)的不斷進(jìn)步為材料混合使用提供了保障

當(dāng)然，車(chē)身材料混合使用設(shè)計(jì)不只是簡(jiǎn)單把鋼制材料換為鋁制或其他材料，還要考慮到不同材料之間的連接技術(shù)問(wèn)題，這對(duì)于整車(chē)的使用壽命和安全性至關(guān)重要。隨著車(chē)身連接工藝和材料粘接技術(shù)的不斷進(jìn)步，汽車(chē)生產(chǎn)商具有了車(chē)身材料混合使用的技術(shù)條件。

同樣以?shī)W迪公司為例，該公司在完成了對(duì)新一代A8 轎車(chē)車(chē)身框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建的同時(shí)，其位于德國(guó)內(nèi)卡蘇爾姆的生產(chǎn)車(chē)間也是專(zhuān)門(mén)為了建造即將到來(lái)的旗艦車(chē)型而重新設(shè)計(jì)。這個(gè)新建的高度達(dá)到41 米的車(chē)身生產(chǎn)車(chē)間提供了各種高度復(fù)雜且節(jié)能的生產(chǎn)操作工序，其中共使用了14 種不同的連接工藝。

在這些連接工藝中，在前門(mén)和后門(mén)的切口區(qū)域進(jìn)行的機(jī)器人包邊是一種機(jī)械自動(dòng)化操作，使用“冷”工藝技術(shù)將鋁側(cè)板框架與熱成型高強(qiáng)度鋼板在B柱、車(chē)頂線和車(chē)窗位置連接起來(lái)。與老款車(chē)型相比，汽車(chē)工程師們?cè)谲?chē)門(mén)切口區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了高達(dá)36 毫米（1.4 英寸）的改進(jìn)。這種進(jìn)步使得人員進(jìn)出汽車(chē)更加方便自如，同時(shí)還擴(kuò)大了駕駛員在B柱周?chē)囊曇胺秶?，這是保證安全駕駛的關(guān)鍵所在。

在“熱”連接工藝方面，奧迪公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了對(duì)鋁材料進(jìn)行連接的遠(yuǎn)程激光焊接技術(shù)。精確定位的激光束在焊接邊緣大大降低了以往生產(chǎn)過(guò)程中存在的熱開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。新工藝使得通過(guò)熱量輸入方式來(lái)精確控制激光束的穿透深度成為可能。

材料混合使用將得以體現(xiàn)

為解決溫室氣體排放問(wèn)題，除了對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車(chē)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)外，另一種解決方案就是發(fā)展新能源電動(dòng)汽車(chē)。

在未來(lái)的20 年里，傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)有可能會(huì)被全部淘汰。目前，英國(guó)、法國(guó)和挪威等國(guó)已先后宣布，將在未來(lái)的幾十年里全面禁止銷(xiāo)售以汽、柴油為燃料的汽車(chē)。中國(guó)作為目前全球最大的汽車(chē)生產(chǎn)消費(fèi)國(guó)，盡管尚未明確燃油汽車(chē)退出的具體時(shí)間表，但目前也已開(kāi)始制定逐步停止生產(chǎn)銷(xiāo)售燃油汽車(chē)的計(jì)劃。與此同時(shí)，全球許多汽車(chē)OEM廠商也提出了未來(lái)幾年各自的電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展計(jì)劃。因此，盡管目前全球電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)量所占比例很小，但其發(fā)展速度很快。

由于電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)量預(yù)計(jì)在未來(lái)10年中還將出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)，這將對(duì)未來(lái)汽車(chē)的白車(chē)身設(shè)計(jì)理念產(chǎn)生重要影響。對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)和油電混合動(dòng)力汽車(chē)來(lái)說(shuō)，雖然其燃油消耗是零或很低，但對(duì)其進(jìn)行車(chē)身輕量化依然十分必要，因?yàn)榇伺e可以減少由于采用大型鋰離子電池給整車(chē)重量增加帶來(lái)的影響。在電動(dòng)汽車(chē)采取措施減重以后，汽車(chē)制造商可以通過(guò)減少電池組的尺寸來(lái)降低制造成本，或是增加電池組使用數(shù)量來(lái)延長(zhǎng)車(chē)輛每次充電后的續(xù)航里程。對(duì)電動(dòng)車(chē)而言，續(xù)航里程是非常關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，這也是新能源汽車(chē)比傳統(tǒng)燃油車(chē)更加重視輕量化的原因。

對(duì)于搭載鋰離子電池的電動(dòng)汽車(chē)而言，在目前技術(shù)條件下它們需要采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。比如，采用鋁合金車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠比傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)車(chē)身具有更多優(yōu)點(diǎn)。它們具有很好的導(dǎo)熱能力，以確保電池能夠保持正常工作溫度。因此，鋁合金車(chē)身結(jié)構(gòu)實(shí)際上已經(jīng)成為汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的組成部分。

但由于受到成本等諸多因素的制約，目前采用全鋁車(chē)身的乘用車(chē)均為高端車(chē)型。在新能源汽車(chē)領(lǐng)域也是如此，僅有少數(shù)車(chē)企采用全鋁車(chē)身設(shè)計(jì)，如特斯拉的model S、捷豹I-PACE、蔚來(lái)ES8 和即將推出的蔚來(lái)ES6。除了輕量化因素外，新能源汽車(chē)制造商同樣需要考慮制造成本和安全問(wèn)題。以特斯拉公司為例，為了降低制造成本，該公司在價(jià)格相對(duì)便宜的Model 3 電動(dòng)汽車(chē)上采用了鋼鋁混合結(jié)構(gòu)，來(lái)達(dá)到輕量化和低成本的目的。從目前判斷，這種車(chē)身材料混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域也將成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

結(jié)論

不管是新能源汽車(chē)還是傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，輕量化的發(fā)展趨勢(shì)還將繼續(xù)下去。但輕量化不會(huì)強(qiáng)調(diào)只采用某一種材料，未來(lái)的趨勢(shì)必定是多種材料復(fù)合使用，比如說(shuō)高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金以及碳纖維復(fù)合材料等多種材料的組合應(yīng)用。

汽車(chē)制造業(yè)正在經(jīng)歷著變革，傳統(tǒng)燃油車(chē)向電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的過(guò)渡和轉(zhuǎn)變已成為加快汽車(chē)輕量化技術(shù)進(jìn)步，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大的新的推動(dòng)力。無(wú)論汽車(chē)驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)生何種演變，鋁在汽車(chē)上的用量都將穩(wěn)步增加，創(chuàng)新的合金產(chǎn)品設(shè)計(jì)將為鋁在汽車(chē)行業(yè)中開(kāi)辟出新的應(yīng)用空間。