1 汽車為什么要減重? 在了解源自軍事領(lǐng)域的輕量化材料之前,我們先要知道輕量化的好處。如今的汽車尺寸越做越大,同時各種配置也越發(fā)豐富,這些都會增加汽車的整備質(zhì)量,重量增加了自然會影響到動力、操控以及制動性能,同時油耗表現(xiàn)也會非?!案腥恕?。 反之,在動力等客觀性能不變的情況下降低車重,就可以得到更好的加速、制動以及油耗表現(xiàn),同時操控能力也會更為出色。可以說,輕量化實際上也是一種提升車輛性能的改裝途徑,畢竟“江湖”也流傳著“一輕治百病”的原則。 此外,輕量化對提高車輛的安全性也至關(guān)重要。在遇到碰撞事故時,整備質(zhì)量越輕就意味著動能越小,撞擊所產(chǎn)生的能量也相對更低。因此在同等強度下,更輕的車身理論上損傷程度也會降低,同時也能減少對其它車輛產(chǎn)生的傷害。 2 汽車減重等于簡配嗎? 首先需要明確的是,面對激烈的市場競爭和安全、環(huán)保法規(guī)要求,要實現(xiàn)汽車減重并非易事。工程師不能為了偷輕就減少結(jié)構(gòu)用料,因為這樣會導(dǎo)致車輛強度降低;工程師也不能去掉功能配置組件,因為那樣汽車就失去了競爭優(yōu)勢;當(dāng)然工程師也不能把車造的太小,因為“加長”才能迎合主流市場需求。 ? 那么問題來了,在這些條條框框的制約下如何實現(xiàn)輕量化呢?我們需要從優(yōu)化結(jié)構(gòu)和輕量化材料兩個方向入手解決。 通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu),可以在保證強度的前提下提高材料的利用率,減少不必要的材料堆砌。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,工程師可以通過模擬軟件“輕松”獲取這些數(shù)據(jù),從而設(shè)計出最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。 通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)減重畢竟效果有限,因此工程師還絞盡腦汁去尋找更多新型材料來幫助減重,這就是我們常說的輕量化材料。從早期的木質(zhì)結(jié)構(gòu),到后來出現(xiàn)的鋼材,再到今天逐漸普及的復(fù)合材料等等,制造汽車的材料都在朝著更輕更堅固的方向發(fā)展。不過在這一切的背后,少不了軍事裝備發(fā)展的貢獻。 03 只為飛的更高更快 輕量化材料與軍用飛機的不解之緣 與不計成本的軍用飛機研發(fā)不同,汽車是一種盈利商品,因此不可能無限度的采用昂貴的材料打造。所以當(dāng)一種合適的材料大規(guī)模量產(chǎn)之前,就需要軍用技術(shù)來“試水”。與汽車的輕量化趨勢一樣,軍用飛機對于整備質(zhì)量也十分敏感。 在20世紀(jì)30年代,金屬結(jié)構(gòu)的軍用飛機開始逐漸成為主流,而同時期的汽車還以木質(zhì)結(jié)構(gòu)為主。與木質(zhì)結(jié)構(gòu)相比,金屬結(jié)構(gòu)擁有更出色的剛性和加工性能,可以幫助飛機承受更大的壓力。 20世紀(jì)50年代之后,軍用飛機開始跨入超音速時代。在超音速飛行狀態(tài)下,由于氣動摩擦等原因會導(dǎo)致機體溫度升高,傳統(tǒng)鋼材會因此產(chǎn)生強度降低和形變,因此鋼材結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足當(dāng)時飛機性能要求。在這樣的背景下,強度更高且重量更輕的合金材料開始得到應(yīng)用,例如合成金屬以及復(fù)合材料等等。 隨著合金材料和新工藝的成熟,汽車廠商也開始嘗試原本僅應(yīng)用在航空領(lǐng)域的合金材質(zhì)。例如鋁合金就是一種成功引入民用汽車制造的新材料,“全鋁車身”作為一種宣傳手段,開始被公眾所熟知。 ? 新材料和新工藝實際上是相輔相成的關(guān)系,隨著彼此的發(fā)展而不斷進步改進。不可否認,包括鋁合金在內(nèi)的許多新型材料逐漸商用化,民用汽車在輕量化的道路上越走越順。當(dāng)然,技術(shù)的進步肯定不會到此為止。 ? 04 汽車材料的未來可能是“塑料” 與傳統(tǒng)的鋼材料相比,鋁合金擁有更低的密度,因此重量較低。但是由于其強度相對較低,因此不可能完全取代傳統(tǒng)鋼材,其目前在量產(chǎn)車型上僅應(yīng)用于結(jié)構(gòu)部件,而主要受力的關(guān)鍵區(qū)域則依舊采用高強度鋼材。此外,由于鋁合金的成本很高,且加工難度較大,因此依舊不能成為汽車主流制造材料。 05 汽車材料的未來 很可能是“塑料” 無論是傳統(tǒng)鋼材還是合成金屬,在軍事和汽車領(lǐng)域都已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用。但是問題又來了,這些金屬的重量依舊不夠輕盈,并且制造成本也算不上低廉。從目前的技術(shù)方向看,非金屬復(fù)合材料似乎才是最佳選擇。 當(dāng)然,我們常見的塑料制品強度顯然不適用于工業(yè)產(chǎn)品,而非金屬復(fù)合材料的種類實在太多,由于篇(zhi)幅(shi)有限,在此就不過多展開了。與合成金屬一樣,非金屬復(fù)合材料的“助推劑”同樣是軍用飛機研發(fā)領(lǐng)域,從20世紀(jì)70年代開始,非金屬復(fù)合材料開始在軍用飛機上大規(guī)模使用,并逐漸發(fā)展成熟。 我們比較熟悉的碳纖維也屬于非金屬復(fù)合材料,其擁有質(zhì)量輕、強度高并且耐高溫等特點,因此擁有十分廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。 在許多賽車和高性能車上也能見到碳纖維的應(yīng)用,不過由于現(xiàn)階段碳纖維的造價比較高,并且塑性加工性能沒有金屬那么靈活,因此在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用范圍還比較有限。 不過隨著復(fù)合材料的研發(fā),包括碳纖維在內(nèi)的非金屬復(fù)合材料的大規(guī)模商業(yè)量產(chǎn)只是時間問題。在2018年3月舉辦的復(fù)合材料行業(yè)專業(yè)展覽會上,我們就看到了許多創(chuàng)新成果。相信有一天,當(dāng)非金屬復(fù)合材料在各方面性能達到或超越傳統(tǒng)金屬材料時,我們的汽車產(chǎn)品會真的變成一款不折不扣的“塑料”制品。 全文總結(jié)各種公開數(shù)據(jù)顯示,非金屬復(fù)合材料在整車制造領(lǐng)域的占比正在逐年增加,反之傳統(tǒng)鋼材的利用正在逐漸減少。此外,隨著新能源車型的普及,安置沉重的電池組也需要車體結(jié)構(gòu)本身擁有更好的輕量化性能。因此在各方面的“壓力”下,我相信汽車輕量化的道路會越走越遠,并催生出更多質(zhì)量輕盈、低成本且高強度的新型材料。 |
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