近年来,汽车“轻量化”是热门话题。车企为节能降耗各展所长,因为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。而从成本上来看,减少1公斤的车重则可以减少10美元左右的支出。
据悉,汽车轻量化可从设计轻量化、采用轻质材料替代钢铁、改进制造工艺和提高现有材料强度(高强度、超高强度钢)四方面实现。而当中,可替代性材料前景被业内技术专家们普遍看好。在在目前的材料工艺中,主要有铝、镁合金、陶瓷、工程塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等。而目前无论是车企还是材料企业,探讨的话题,除了高强度钢外,最多的莫过于以上可替代之“材”。而在百材竞放中,谁能最终获得车企的青睐,目前还为可知,不过铝合金因其技术相对较为成熟,而暂时保持呼声较高的地位。
铝合金
不过材料的应用来看,铝合金技术的确较为广泛。汽车上有众多零部件可以使用铝合金代替,以达到轻量化的目的,估算可平均节省重量125%。根据汽车咨询机构Duckers调查,北美、欧盟、日本单车用铝分别高出中国47%、24%、15%,且欧美日单车用铝仍在持续增长。
早在1990年开始销售的日本本田NSX车采用了全铝承载式车身,比用冷轧钢板制造的同样车身轻 200kg,引起全世界的瞩目。1994年奥迪开发了第一代AudiA8全铝空间框架结构(ASF),汽车自身质量减轻了大约40%。去年刚上市的新一代奔驰C级车上,主架构大量采用铝合金材料打造,比例差不多达到50%,这也使得新一代C级车相比传统的钢架构轻了70千克。
然目前,制约铝合金在汽车上大量应用的主要原因之一其价格比钢材的高,有关专家表示除开发低成本的铝合金和先进的铝合金成形工艺外,回收再生技术可进一步降低铝合金的生产成本。此外,扩大铝合金应用的另一个研究方向是开发新的各种连接技术,今后发展的多材料结构轿车要求连接两种不同类型的材料(如铸铁一铝、钢一铝、铝一镁等),对这些连接技术以及对材料和零件防腐蚀的表面处理技术,是今后扩大铝合金在汽车上应用的重要课题。
与铝合金一起相运而生的则是镁合金,不过镁合金的价格是铝的3-4倍,发展难度也相对更大。
碳纤维复合材料
碳纤维最早被应用在航空领域,近年逐步被推广至汽车,然目前多见于超跑。
碳纤(carbon fiber,CF)含碳量95%纤维材料。2013年量产的宝马i3采用了碳纤维车身和铝制底盘,宝马称该重量较其他相同尺寸的电动车减轻了300千克之多。这款碳纤维材料CFRP(碳纤维增强树脂基复合材料),名称较为拗口,其原料是聚丙烯腈,有点像用来制作芭比娃娃头发的纤维,但实际上比人的头发纤维细10倍。
昂贵的价格一直让平民车对其敬而远之,但事实上,碳纤维材料本身并不昂贵,然而要把碳纤维加工成适合车辆行驶、碰撞的成品才真正是其价值所在。目前,诸多厂商正在加紧研发,促其成本的降低,然这需要一个漫长的过程。
工程塑料
相对于铝镁合金,其重量更轻,相对碳纤维,其成本更低;近年随着其硬度、强度、拉伸性能的不断提高,安全性得到进一步保证,成为车企在汽车减重方面关注的焦点。据了解,目前世界上不少轿车的塑料用量已经超过120千克/辆,个别车型还要高,德国奔驰高级轿车的塑料使用量已经达到150千克/辆。国内一些轿车的塑料用量也已经达到90千克/辆。
不过材料虽然有很多,诸多整车厂倒出现在无法推广的原因是:成本和安全性。车企表示,除非是供应商和他们自己有更好的理由和方案,否则技术再先进,材料再好,尤其对于自主品牌来说,用的机会还是很少。此外,虽然塑料的安全性目前已有较大提高,但在关键架构方面,得以应用还需要较长时间。
无论是铝合金、碳纤维还是塑料亦或是高强度高,在未来的发展中都不可能是孤军奋战,机械科学研究院资深顾问陈长年表示,材料的混合使用将成为全球汽车业发展的重要趋势。在欧洲车身会议文献中,自2006-2011年的72个车身中,有32个钢车身、2个全铝车身、38个钢/铝/复合材料多种材料混合车身则超过一半。而当中,最为关键也较难突破的技术则是可靠、高效的连接。