一文了解2017年全球8大车企的轻量化技术及工艺

　　随着排放法规的愈发严苛及提升燃油经济性的迫切需求，全球多家知名车企纷纷研发新工艺及新材料，旨在实现轻量化，为车企节省成本。文中介绍了福特、FCA、通用、捷豹、宝马、奥迪、马自达、兰博基尼的八大车企的轻量化进程，详见下文。

　　福特

　　关键词：生物材料、技术挑战

　　福特采用生物材料

　　福特于上世纪20年代起就致力于生物材料，当时亨利·福特采用了麦草（wheat straw）。在上世纪40年代，福特又采用大豆、大麻（hemp）及其他天然材料，将其制成塑料。福特采用了大豆材质的泡沫、密封件、垫圈、蓖麻材质的泡沫、塑料及天然纤维增强材料，上述材料的平均用量为20-40磅/车。

　　福特面临的挑战

　　其中一项挑战是：务必确保生物材料拥有良好的光洁度（surface finish），然而用户却希望在材料表面能看到更多的天然纤维。

　　其他的问题还包括：气味、湿度敏感性（moisture sensitivity）、降解、耐风化强度（resistance to weathering）及耐恶劣环境，经济性也是一项重要因素。

　　对于聚乳酸（polylactic acid）或聚羟基脂肪酸酯（PHA）共聚合物，材料研发部的研究人员Alper Kiziltas表示：“这类材料不耐用，若将其用于汽车应用，尚无法实现经济性。此外，其密度要高于聚丙烯（polypropylene）材料。”

　　着眼于海洋内的塑料废弃物

　　福特研究员的科研人员表示，海洋内废弃物也是一大问题。研发人员表示应收集海洋内的塑料废弃物。

　　其他研发趋势还包括：车辆内饰中的抗生素添加剂（antimicrobial additives），确保共享车辆的用户不会沾染到上一位驾驶员可能携带的病菌。

　　FCA

　　关键词：轻量化、预处理工艺、隔绝噪音

　　轻量化

　　在Surcar上，FCA材料工程漆部门的Roberto Selvestrel将与汉高Transplant OEM业务的销售总监Manfred Holzmueller将共同探讨为新款Giulia采用新款金属处理系统后的效果，这有利于促进车身工艺、工艺与材料工程、工艺材料供应商之间的合作。

　　新款Giulia的车身轻了90 kg，这是该车身材料使用了轻金属、新工艺材料及新的涂装技术。为实现减重并提升车辆的性能，FCA采用了铝材，其材料的重量占比达到了45%。公司采用突破性的整车声学包系统（acoustic package），提升了乘客的舒适度，减轻了车身重量。

　　预处理工艺

　　两步式磷酸盐处理金属预处理工艺（Bonderite two-step metal pretreatment process）是由汉高研发的，用于多金属车身，其铝含量所占比重极高（高达80%），抗腐蚀性能超强，同时还能降低投资额及加工成本。第一步：在浸涂工艺中采用磷酸锌对金属进行处理；第二步：在冲洗后采用对铝采进行处理。磷酸盐处理时油泥的生成量将降低30%-50%，消耗的化学物质也较少，因表面粗糙而导致的返工量也将减少。此外，由于操作温度较低，还能起到节能作用。

　　隔绝噪音

　　阿尔法·罗密欧Giulia还受益于汉高泰罗松（Henkel Teroson）旗下的高膨胀车柱填充物（high expansion pillar fillers）。当车身被送入电泳漆烘干室（e-coat oven）后，高温将致使模塑件膨胀至原始体积的十倍多，完全填满并密封车内空腔。在车辆运动时，可防止空气进入该空腔内，起到消除风噪（wind noise）的作用。

　　该款产品也是由汉高公司研发的，旨在降低因车身外壳震动而导致乘客舱（passenger compartment）而产生的噪声。FCA采用了阻尼性能测试（damping properties），在进行大量测试后，该产品的损耗因素在各类候选材料中排名最高。Giulia车型上的泰罗松AL7154的总重量比标准油泥垫轻了10%，后者被用于提供隔音效果。

　　通用

　　关键词：低碳钢、铝合金、镁材、碳纤维

　　通用正竭力将轻量化材料与创新制造工艺相结合，并将其应用到旗下新款乘用车及卡车中。为此，通用多管齐下，引入新的装配线材料、鼓励工程师团队提出创新方案并应用到车辆制造中。

　　低碳钢

　　该材料一度成为轿车及轻卡的标配原材料。因为其价格较低廉、易于焊接、易于弯曲成形（bend to shape）、金属耐疲劳度也较高。然而，该类材料也存在许多瑕疵，例如：耐腐蚀性受限、分量较重。尽管上漆及电镀两项工艺几乎可以消除其在耐腐性性方面的不足，但却无法减轻低碳钢的重量。

　　铝合金

　　这是通用首选的轻量化材料，易加工、经久耐用，其耐腐蚀性要强于低碳钢。通用采用铝板（sheet aluminum）制造车身钣金件、采用挤制铝材（extruded aluminum）制造车架滑轨（extruded aluminum）、采用复杂精细的铝铸件替换由数十个小零件组成的较大单元组，这样既减轻重量，又降低其结构的复杂性，还提升了材料的刚度及碰撞性能（crash performance）。铝材还被专门用于制造雪佛兰C7 Corvette及雪佛兰Malibu。新款凯迪拉克CT6则用铝材取代低碳钢，使该款全尺寸豪华轿车的重量比宝马5系轿车要轻许多。

　　为此，通用采用了先进的点焊技术，使熔点不同的材料能够紧密的粘合在一起。车企将轻质铝皮（aluminum skin）与结实耐用的钢架组合在一起，使两种材料实现互补，在提升强度的情况下减轻车重。

　　镁材

　　通用还在车辆的制造过程中使用了镁，因为该材料在所有金属中分量最轻。与铝材相较，分量轻了33%，其强度及耐腐蚀性却大幅提高。然而，镁的熔点较低，强度表现也并非很出色（与钢材相较），进而限制了该材料的应用。　　

　　碳纤维

　　通用正致力于一项碳纤维车轮项目，承诺实现车辆减重40磅。车轮的重量被认为是“旋转质量及非悬挂重量（rotating and unsprung mass）”，这意味着每降低一盎司的重量，将大幅提升车辆的能效及驾驶动态性。　

　　据一名消息人士表示，碳纤维有望成为应用于皮卡车厢中的混合材料的一部分，其中包括铝。通用于2011年宣布与帝人集团（Teijin Ltd.）联合研发碳纤维增强热塑性塑料（carbon fiber-reinforced thermoplastic）。通用皮卡车厢将首次使用该碳纤维增强热塑性塑料。

　　捷豹

　　关键词：轻量化、悬架系统设计及材质

　　捷豹2018款E-PACE的轻量化表现

　　该款车型的发动机罩、前护板（front fenders）、车顶及舱盖式后背门（tailgate）采用全铝材质打造，相较于钢制发动机罩，其发动机罩为该款捷豹车型减重22磅，而前护板为车身减重6.6磅。除提升燃油里程（gas mileage），该款轻量化的铝质发动机罩还降低了车辆的重心，提升了车辆的操控能力与稳定性。”而铝质舱盖式后背门则实现减重33磅。

　　该款车型设计先进，采用了铆接/粘合工艺、对某些选定结缝采用激光焊（laser welding），进一步优化了车重及品质。

　　捷豹2018款E-PACE悬架系统设计及材质

　　前转向节（front knuckle）采用了轻量化的空心铸铝组件，旨在提升翘曲度（camber），尽可能降低操纵失灵。E-PACE的前副车架经过特殊调准，该结构硬度高。

　　悬架衬套（suspension bushing）及横向平衡杆（anti-roll bar）质地坚固，可提升转向响应速度，确保在低倾斜角下实现转向控制。

　　捷豹的工程师们采用了大量的轻量化铝质悬架组件，在提升的硬度的同时降低非簧载质量（unsprung mass），有助于实现车辆的动态性能。后悬架安全在轻质、坚固的钢质副车架上，优化转向响应速度，并进行了工艺细化。

　　宝马

　　关键词：碳纤维、成本过高

　　据外媒报道，宝马工程师Florian Schek在美国汽车研究中心（Center for Automotive Research）举办的管理简报研讨会（Management Briefings Seminars）上表示，碳纤维材料由于价格极为高昂，成本难以降低，在汽车上的应用将不太乐观。碳纤维材料应用的主要挑战在于其成本过高，且该项技术的难度也较大，其用途十分有限，仅被用于一级方程式赛车、价格高昂的超豪华车型的车身及底盘。

　　宝马明确表示，下一代宝马5系车辆将不会再使用碳纤维，但宝马i3、宝马i8及宝马7系尚未放弃该材质。他表示大约在2020年，宝马旗下车辆将大量采用碳纤维。宝马的i3和i8的整个车身件均采用了碳纤维，而宝马7系的白车身则采用多种复合材料，涉及碳纤维板、强化钢质及铝质元件。

　　奥迪

　　关键词：碳纤维白车身、超快速树脂传递模塑

　　碳纤维白车身

　　奥迪将MSS作为一款工具，旨在将先进的碳纤维复材应用到白车身（body-in-white，BIW）中，从而减轻车重并提升车辆的性能。随着车辆电气化的不断推进，奥迪更坚定了这一构想。奥迪轻量化设计中心碳纤维复材（CFRP）技术研发专员David Roquette表示，第一代奥迪R8车型采用了铝材，但奥迪决定在第二代R8中采用MSS项目所研发的碳纤维复材。

　　据Roquette透露，2016款R8 Spyder和Coupé车型的后壁均采用了碳纤维复材，从而大幅提升了扭应力（torsional stress）及车辆的刚度（vehicle stiffness），还实现车身减重。

　　奥迪的设计工程师们将单向碳纤维织物加强件（woven carbon fiber fabric reinforcements）与快速硫化环氧树脂体系（fast-cure epoxy resin system）相结合。奥迪采用泡沫夹层，其旨在减少各结构件、B柱填充物、强化件（consolidate part）中碳纤维的用量，同时提升其强度及刚度。奥迪希望采用树脂传递模塑（resin transfer molding，RTM）工艺，向被碳纤维包裹的泡沫材料中注入环氧树脂。在对复材泡沫芯材进行加工时，无需进行机加工及研磨。此外，据Diebold称，聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）材料拥有均质芯材结构（homogenous cell structure），可耐受液压静力（hydrostatic testing）试验。

　　超快速树脂传递模塑的研发之路

　　RTM工艺的精整（refinement），奥迪期望利用新工艺将各类材料融合到一起。最终，奥迪决定将该项工作移交给了一家一级供应商，由其负责相关的生产工作。双方对RTM工艺中的（fine-tune）了注塑压力、压缩力（compression force）及模具间隙进行了精准调整（微调），从而进一步优化了该模塑工艺。

　　对于奥迪R8 Spyder的夹层结构（sandwich structures），注塑压力不超过40 bar，最大模塑间隙可达0.6毫米，最大压缩力可达500 MT，而模具温度不得超过123℃。凭借该项新工艺，注塑时间可缩短至15秒，而整体生产周期时间可控制在5分钟以内。

　　新工艺向制造商的推广应用之路

　　等到奥迪材料及工艺的自主研发取得成果，并将其成果转交给负责实际生产的两大欧洲复材供应商时，对方也对觉得该合作所涉及的技术与产品均存在不确定性。为此，奥迪为供应商提供了相关的技术展示，告知其新技术的应用方法。最终，奥迪说服了供应商，由后者负责这类零部件的生产，供应商为此也承担了许多风险。作为一家车企的供应商，要做到这一点确实很不容易。

　　成本居高制约制造奥迪继续探索新工艺

　　2017年，奥迪引入了一款四座豪华车奥迪A8，该款车型采用了碳纤维复材后壁及后窗台板（upper rear shelf），上述两款部件都采用了碳纤维复材，也都采用了超快速RTM工艺。如今，公司将目光放在产品的方方面面，不仅仅是碳纤维的价格问题，还有RTM工艺的生产速度。此外，还要考虑树脂价格、粘合剂价格，整个材料链的价格。为此，我们务必采用全新的理念。

　　马自达

　　关键词：座椅、车身、底盘　

　　据外媒报道，马自达正在研发新一代汽车平台，其重点关注以下三个方向：1.座椅：可随车辆的簧上质量（sprung mass）而移动；2.车身：在动力传递时可实现最小延迟（minimal delay）；3.底盘：可减缓簧下质量（unsprung masses）的输入。马自达采用扭力梁式（torsion beam）悬架系统替换了上一代多连杆式后悬架系统。当该平台与Skyactiv-X火花控制压燃汽油发动机搭配后，下一代马自达3或将成为一款全能型车型。

　　座椅　　

　　马自达座椅质地更硬，可确保压缩轴（compression axis）平稳，使骨盆和上升保持自然的肢体活动，使乘客的头部更平稳。为此，对这类核心区域的座架（seat frame）进行了强化，使得骨盆横向侧位移（lateral pelvic displacement）的最大降幅达到了83%，进而提升舒适度，并感受细微的不同。当在座椅上做好后，身体将得到支撑，“甩头（head toss）”的情况将大幅减少。若乘坐的车辆减震性能不好，您的头部势必会出现晃动或摇摆，我相信甩头绝对是一项恼人的搭乘体验。

　　车身设计

　　马自达在现款马自达3的基础上做了大量的改动。车身的打造通常会采用三个矩形构架（rectangular frames）设计——其分别跨越前舱壁（across the front bulkhead）、跨越B柱（across the B-pillar）、位于后舱壁。马自达为最新款底盘设计了全方位的环形结构，在前后减震器刚性支承（rigid front and rear damper mount）间构建斜向能量路径（diagonal energy paths），将最新款车身从前端减震器到后减震器的屈曲（flexion）传输速度提升了近三成。

　　除提升车身刚度（body stiffness）外，马自达还致力于降噪，其在车身结构内嵌入了16个减震弹性体，可避免多余的振动，保留热能。这类减震节点及减震结合处（damping nodes and bonds）有助于降低噪声信号变动的速率，前者会使人不太愉快。从设计角度看，可从声音变动的振幅或频率来进行调整，这样乘客所能感知到的刺耳声音将减少。

　　使簧下质量定时控制平顺化

　　马自达从车轮、轮胎、制动器等方面入手。首先，公司为轮胎配置了一块质地较软的侧壁，降低前/后轮行程，然后又采用了新款衬套设计，提升前悬架臂意味着马自达可更为精细地调控簧下质量的定时控制。马自达采用扭力梁式（torsion beam）悬架系统替换了上一代多连杆式后悬架系统。当被问及原因时，车辆研发部的总经理Hiroyuki Matsumoto表示：“该结构更为简单，易于调节。”

　　显然，在未来两年内，还将对马自达下一代平台进行调整。其他方面也有可圈可点之处。电辅助转向的运营声音较轻，其电制动系统也表现也很有意思，还需要对制动模块进行些许调整。当该平台与Skyactiv-X火花控制压燃汽油发动机搭配后，下一代马自达3或将成为一款全能型车型。

　　兰博基尼

　　关键词：碳纤维、钢材、铝材

　　据外媒报道，兰博基尼于2017年12月4日宣布，公司推出了兰博基尼Urus，车身重量低于5000磅，采用钢、铝两种材料，是一款“超级SUV”。兰博基尼公司强调，该款车型“融合了铝材及钢材。”得益于其轻量化设计，兰博基尼Urus车车重为4850磅。该款车型的车身也采用了轻量化设计，选用了铝、钢两种金属材料。该款SUV拥有无框车窗，无C柱后车窗则采用玻璃材质。

　　前桥配置了铝质副车架，而后桥则配置了铝钢并合构造单元（aluminum and steel hybrid construction cell）

　　底盘高度是可控的，作为Urus的标配——Easyload Assist可调低Urus车型的后桥高度。

　　该款车辆售价为20万美元，这一点不足为奇，因为该车型搭载的驾驶辅助系统，只处于2级自动驾驶水平，并非奥迪A8这类三级自动驾驶车辆。

　　兰博基尼正与休斯敦卫理公会研究所（Houston Methodist Research Institute）合作研发生物工程碳纤维复合材料。兰博基尼还与美国机构开展合作，研究碳纤维铸造件，该实验室位于西雅图附近。而在不远处的华盛顿州摩西湖市，有一家公司正在为宝马i8和i3的车身钣金件及其他零部件生产碳纤维材料。

　　小结

　　上述车企在进行轻量化进程时，碳纤维和成为炙手可热的材料，旨在大幅减轻车身重量。然而，由于其价格较高，应用量并不大。相反，许多车企纷纷从工艺及合金材料着手，在提升汽车部件强度的同时减轻车重。钢、铝等合金材料及热塑工艺、结构部件的设计也成诸多车企轻量化战略中的重要组成部分。