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2017年全球8大車企的輕量化技術(shù)工藝

  • 2018-1-10 15:58:50
  • 來源:中國汽車工業(yè)協(xié)會

隨著排放法規(guī)的愈發(fā)嚴苛及提升燃油經(jīng)濟性的迫切需求,全球多家知名車企紛紛研發(fā)新工藝及新材料,旨在實現(xiàn)輕量化,為車企節(jié)省成本。回顧2017年,小編對新技術(shù)進行整理,介紹了福特、FCA、通用、捷豹、寶馬、奧迪、馬自達、蘭博基尼的八大車企的輕量化進程。

福特

關(guān)鍵詞:生物材料、技術(shù)挑戰(zhàn)

福特采用生物材料

福特于上世紀20年代起就致力于生物材料,當時亨利·福特采用了麥草(wheat straw)。在上世紀40年代,福特又采用大豆、大麻(hemp)及其他天然材料,將其制成塑料。福特采用了大豆材質(zhì)的泡沫、密封件、墊圈、蓖麻材質(zhì)的泡沫、塑料及天然纖維增強材料,上述材料的平均用量為20-40磅/車。

福特面臨的挑戰(zhàn)

其中一項挑戰(zhàn)是:務(wù)必確保生物材料擁有良好的光潔度(surface finish),然而用戶卻希望在材料表面能看到更多的天然纖維。

其他的問題還包括:氣味、濕度敏感性(moisture sensitivity)、降解、耐風化強度(resistance to weathering)及耐惡劣環(huán)境,經(jīng)濟性也是一項重要因素。

對于聚乳酸(polylactic acid)或聚羥基脂肪酸酯(PHA)共聚合物,材料研發(fā)部的研究人員Alper Kiziltas表示:“這類材料不耐用,若將其用于汽車應(yīng)用,尚無法實現(xiàn)經(jīng)濟性。此外,其密度要高于聚丙烯(polypropylene)材料。”

著眼于海洋內(nèi)的塑料廢棄物

福特研究員的科研人員表示,海洋內(nèi)廢棄物也是一大問題。研發(fā)人員表示應(yīng)收集海洋內(nèi)的塑料廢棄物。

其他研發(fā)趨勢還包括:車輛內(nèi)飾中的抗生素添加劑(antimicrobial additives),確保共享車輛的用戶不會沾染到上一位駕駛員可能攜帶的病菌。

FCA

關(guān)鍵詞:輕量化、預(yù)處理工藝、隔絕噪音

輕量化

在Surcar上,F(xiàn)CA材料工程漆部門的Roberto Selvestrel將與漢高Transplant OEM業(yè)務(wù)的銷售總監(jiān)Manfred Holzmueller將共同探討為新款Giulia采用新款金屬處理系統(tǒng)后的效果,這有利于促進車身工藝、工藝與材料工程、工藝材料供應(yīng)商之間的合作。

新款Giulia的車身輕了90 kg,這是該車身材料使用了輕金屬、新工藝材料及新的涂裝技術(shù)。為實現(xiàn)減重并提升車輛的性能,F(xiàn)CA采用了鋁材,其材料的重量占比達到了45%。公司采用突破性的整車聲學(xué)包系統(tǒng)(acoustic package),提升了乘客的舒適度,減輕了車身重量。

預(yù)處理工藝

兩步式磷酸鹽處理金屬預(yù)處理工藝(Bonderite two-step metal pretreatment process)是由漢高研發(fā)的,用于多金屬車身,其鋁含量所占比重極高(高達80%),抗腐蝕性能超強,同時還能降低投資額及加工成本。第一步:在浸涂工藝中采用磷酸鋅對金屬進行處理;第二步:在沖洗后采用對鋁采進行處理。磷酸鹽處理時油泥的生成量將降低30%-50%,消耗的化學(xué)物質(zhì)也較少,因表面粗糙而導(dǎo)致的返工量也將減少。此外,由于操作溫度較低,還能起到節(jié)能作用。

隔絕噪音

阿爾法·羅密歐Giulia還受益于漢高泰羅松(Henkel Teroson)旗下的高膨脹車柱填充物(high expansion pillar fillers)。當車身被送入電泳漆烘干室(e-coat oven)后,高溫將致使模塑件膨脹至原始體積的十倍多,完全填滿并密封車內(nèi)空腔。在車輛運動時,可防止空氣進入該空腔內(nèi),起到消除風噪(wind noise)的作用。

該款產(chǎn)品也是由漢高公司研發(fā)的,旨在降低因車身外殼震動而導(dǎo)致乘客艙(passenger compartment)而產(chǎn)生的噪聲。FCA采用了阻尼性能測試(damping properties),在進行大量測試后,該產(chǎn)品的損耗因素在各類候選材料中排名最高。Giulia車型上的泰羅松AL7154的總重量比標準油泥墊輕了10%,后者被用于提供隔音效果。

通用

關(guān)鍵詞:低碳鋼、鋁合金、鎂材、碳纖維

通用正竭力將輕量化材料與創(chuàng)新制造工藝相結(jié)合,并將其應(yīng)用到旗下新款乘用車及卡車中。為此,通用多管齊下,引入新的裝配線材料、鼓勵工程師團隊提出創(chuàng)新方案并應(yīng)用到車輛制造中。

低碳鋼

該材料一度成為轎車及輕卡的標配原材料。因為其價格較低廉、易于焊接、易于彎曲成形(bend to shape)、金屬耐疲勞度也較高。然而,該類材料也存在許多瑕疵,例如:耐腐蝕性受限、分量較重。盡管上漆及電鍍兩項工藝幾乎可以消除其在耐腐性性方面的不足,但卻無法減輕低碳鋼的重量。

鋁合金

這是通用首選的輕量化材料,易加工、經(jīng)久耐用,其耐腐蝕性要強于低碳鋼。通用采用鋁板(sheet aluminum)制造車身鈑金件、采用擠制鋁材(extruded aluminum)制造車架滑軌(extruded aluminum)、采用復(fù)雜精細的鋁鑄件替換由數(shù)十個小零件組成的較大單元組,這樣既減輕重量,又降低其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,還提升了材料的剛度及碰撞性能(crash performance)。鋁材還被專門用于制造雪佛蘭C7 Corvette及雪佛蘭Malibu。新款凱迪拉克CT6則用鋁材取代低碳鋼,使該款全尺寸豪華轎車的重量比寶馬5系轎車要輕許多。

為此,通用采用了先進的點焊技術(shù),使熔點不同的材料能夠緊密的粘合在一起。車企將輕質(zhì)鋁皮(aluminum skin)與結(jié)實耐用的鋼架組合在一起,使兩種材料實現(xiàn)互補,在提升強度的情況下減輕車重。

鎂材

通用還在車輛的制造過程中使用了鎂,因為該材料在所有金屬中分量最輕。與鋁材相較,分量輕了33%,其強度及耐腐蝕性卻大幅提高。然而,鎂的熔點較低,強度表現(xiàn)也并非很出色(與鋼材相較),進而限制了該材料的應(yīng)用。

碳纖維

通用正致力于一項碳纖維車輪項目,承諾實現(xiàn)車輛減重40磅。車輪的重量被認為是“旋轉(zhuǎn)質(zhì)量及非懸掛重量(rotating and unsprung mass)”,這意味著每降低一盎司的重量,將大幅提升車輛的能效及駕駛動態(tài)性。

據(jù)一名消息人士表示,碳纖維有望成為應(yīng)用于皮卡車廂中的混合材料的一部分,其中包括鋁。通用于2011年宣布與帝人集團(Teijin Ltd.)聯(lián)合研發(fā)碳纖維增強熱塑性塑料(carbon fiber-reinforced thermoplastic)。通用皮卡車廂將首次使用該碳纖維增強熱塑性塑料。

捷豹

關(guān)鍵詞:輕量化、懸架系統(tǒng)設(shè)計及材質(zhì)

捷豹2018款E-PACE的輕量化表現(xiàn)

該款車型的發(fā)動機罩、前護板(front fenders)、車頂及艙蓋式后背門(tailgate)采用全鋁材質(zhì)打造,相較于鋼制發(fā)動機罩,其發(fā)動機罩為該款捷豹車型減重22磅,而前護板為車身減重6.6磅。除提升燃油里程(gas mileage),該款輕量化的鋁質(zhì)發(fā)動機罩還降低了車輛的重心,提升了車輛的操控能力與穩(wěn)定性。”而鋁質(zhì)艙蓋式后背門則實現(xiàn)減重33磅。

該款車型設(shè)計先進,采用了鉚接/粘合工藝、對某些選定結(jié)縫采用激光焊(laser welding),進一步優(yōu)化了車重及品質(zhì)。

捷豹2018款E-PACE懸架系統(tǒng)設(shè)計及材質(zhì)

前轉(zhuǎn)向節(jié)(front knuckle)采用了輕量化的空心鑄鋁組件,旨在提升翹曲度(camber),盡可能降低操縱失靈。E-PACE的前副車架經(jīng)過特殊調(diào)準,該結(jié)構(gòu)硬度高。

懸架襯套(suspension bushing)及橫向平衡桿(anti-roll bar)質(zhì)地堅固,可提升轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度,確保在低傾斜角下實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。

捷豹的工程師們采用了大量的輕量化鋁質(zhì)懸架組件,在提升的硬度的同時降低非簧載質(zhì)量(unsprung mass),有助于實現(xiàn)車輛的動態(tài)性能。后懸架安全在輕質(zhì)、堅固的鋼質(zhì)副車架上,優(yōu)化轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度,并進行了工藝細化。

寶馬

關(guān)鍵詞:碳纖維、成本過高

據(jù)外媒報道,寶馬工程師Florian Schek在美國汽車研究中心(Center for Automotive Research)舉辦的管理簡報研討會(Management Briefings Seminars)上表示,碳纖維材料由于價格極為高昂,成本難以降低,在汽車上的應(yīng)用將不太樂觀。碳纖維材料應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)在于其成本過高,且該項技術(shù)的難度也較大,其用途十分有限,僅被用于一級方程式賽車、價格高昂的超豪華車型的車身及底盤。

寶馬明確表示,下一代寶馬5系車輛將不會再使用碳纖維,但寶馬i3、寶馬i8及寶馬7系尚未放棄該材質(zhì)。他表示大約在2020年,寶馬旗下車輛將大量采用碳纖維。寶馬的i3和i8的整個車身件均采用了碳纖維,而寶馬7系的白車身則采用多種復(fù)合材料,涉及碳纖維板、強化鋼質(zhì)及鋁質(zhì)元件。

奧迪

關(guān)鍵詞:碳纖維白車身、超快速樹脂傳遞模塑

碳纖維白車身

奧迪將MSS作為一款工具,旨在將先進的碳纖維復(fù)材應(yīng)用到白車身(body-in-white,BIW)中,從而減輕車重并提升車輛的性能。隨著車輛電氣化的不斷推進,奧迪更堅定了這一構(gòu)想。奧迪輕量化設(shè)計中心碳纖維復(fù)材(CFRP)技術(shù)研發(fā)專員David Roquette表示,第一代奧迪R8車型采用了鋁材,但奧迪決定在第二代R8中采用MSS項目所研發(fā)的碳纖維復(fù)材。

據(jù)Roquette透露,2016款R8 Spyder和Coupé車型的后壁均采用了碳纖維復(fù)材,從而大幅提升了扭應(yīng)力(torsional stress)及車輛的剛度(vehicle stiffness),還實現(xiàn)車身減重。

奧迪的設(shè)計工程師們將單向碳纖維織物加強件(woven carbon fiber fabric reinforcements)與快速硫化環(huán)氧樹脂體系(fast-cure epoxy resin system)相結(jié)合。奧迪采用泡沫夾層,其旨在減少各結(jié)構(gòu)件、B柱填充物、強化件(consolidate part)中碳纖維的用量,同時提升其強度及剛度。奧迪希望采用樹脂傳遞模塑(resin transfer molding,RTM)工藝,向被碳纖維包裹的泡沫材料中注入環(huán)氧樹脂。在對復(fù)材泡沫芯材進行加工時,無需進行機加工及研磨。此外,據(jù)Diebold稱,聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)材料擁有均質(zhì)芯材結(jié)構(gòu)(homogenous cell structure),可耐受液壓靜力(hydrostatic testing)試驗。

超快速樹脂傳遞模塑的研發(fā)之路

RTM工藝的精整(refinement),奧迪期望利用新工藝將各類材料融合到一起。最終,奧迪決定將該項工作移交給了一家一級供應(yīng)商,由其負責相關(guān)的生產(chǎn)工作。雙方對RTM工藝中的(fine-tune)了注塑壓力、壓縮力(compression force)及模具間隙進行了精準調(diào)整(微調(diào)),從而進一步優(yōu)化了該模塑工藝。

對于奧迪R8 Spyder的夾層結(jié)構(gòu)(sandwich structures),注塑壓力不超過40 bar,最大模塑間隙可達0.6毫米,最大壓縮力可達500 MT,而模具溫度不得超過123℃。憑借該項新工藝,注塑時間可縮短至15秒,而整體生產(chǎn)周期時間可控制在5分鐘以內(nèi)。

新工藝向制造商的推廣應(yīng)用之路

等到奧迪材料及工藝的自主研發(fā)取得成果,并將其成果轉(zhuǎn)交給負責實際生產(chǎn)的兩大歐洲復(fù)材供應(yīng)商時,對方也對覺得該合作所涉及的技術(shù)與產(chǎn)品均存在不確定性。為此,奧迪為供應(yīng)商提供了相關(guān)的技術(shù)展示,告知其新技術(shù)的應(yīng)用方法。最終,奧迪說服了供應(yīng)商,由后者負責這類零部件的生產(chǎn),供應(yīng)商為此也承擔了許多風險。作為一家車企的供應(yīng)商,要做到這一點確實很不容易。

成本居高制約制造 奧迪繼續(xù)探索新工藝

2017年,奧迪引入了一款四座豪華車奧迪A8,該款車型采用了碳纖維復(fù)材后壁及后窗臺板(upper rear shelf),上述兩款部件都采用了碳纖維復(fù)材,也都采用了超快速RTM工藝。如今,公司將目光放在產(chǎn)品的方方面面,不僅僅是碳纖維的價格問題,還有RTM工藝的生產(chǎn)速度。此外,還要考慮樹脂價格、粘合劑價格,整個材料鏈的價格。為此,我們務(wù)必采用全新的理念。

馬自達

關(guān)鍵詞:座椅、車身、底盤

據(jù)外媒報道,馬自達正在研發(fā)新一代汽車平臺,其重點關(guān)注以下三個方向:1. 座椅:可隨車輛的簧上質(zhì)量(sprung mass)而移動;2. 車身:在動力傳遞時可實現(xiàn)最小延遲(minimal delay);3. 底盤:可減緩簧下質(zhì)量(unsprung masses)的輸入。馬自達采用扭力梁式(torsion beam)懸架系統(tǒng)替換了上一代多連桿式后懸架系統(tǒng)。當該平臺與Skyactiv-X火花控制壓燃汽油發(fā)動機搭配后,下一代馬自達3或?qū)⒊蔀橐豢钊苄蛙囆汀?

座椅

馬自達座椅質(zhì)地更硬,可確保壓縮軸(compression axis)平穩(wěn),使骨盆和上升保持自然的肢體活動,使乘客的頭部更平穩(wěn)。為此,對這類核心區(qū)域的座架(seat frame)進行了強化,使得骨盆橫向側(cè)位移(lateral pelvic displacement)的最大降幅達到了83%,進而提升舒適度,并感受細微的不同。當在座椅上做好后,身體將得到支撐,“甩頭(head toss)”的情況將大幅減少。若乘坐的車輛減震性能不好,您的頭部勢必會出現(xiàn)晃動或搖擺,我相信甩頭絕對是一項惱人的搭乘體驗。

車身設(shè)計

馬自達在現(xiàn)款馬自達3的基礎(chǔ)上做了大量的改動。車身的打造通常會采用三個矩形構(gòu)架(rectangular frames)設(shè)計——其分別跨越前艙壁(across the front bulkhead)、跨越B柱(across the B-pillar)、位于后艙壁。馬自達為最新款底盤設(shè)計了全方位的環(huán)形結(jié)構(gòu),在前后減震器剛性支承(rigid front and rear damper mount)間構(gòu)建斜向能量路徑(diagonal energy paths),將最新款車身從前端減震器到后減震器的屈曲(flexion)傳輸速度提升了近三成。

除提升車身剛度(body stiffness)外,馬自達還致力于降噪,其在車身結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌入了16個減震彈性體,可避免多余的振動,保留熱能。這類減震節(jié)點及減震結(jié)合處(damping nodes and bonds)有助于降低噪聲信號變動的速率,前者會使人不太愉快。從設(shè)計角度看,可從聲音變動的振幅或頻率來進行調(diào)整,這樣乘客所能感知到的刺耳聲音將減少。

使簧下質(zhì)量定時控制平順化

馬自達從車輪、輪胎、制動器等方面入手。首先,公司為輪胎配置了一塊質(zhì)地較軟的側(cè)壁,降低前/后輪行程,然后又采用了新款襯套設(shè)計,提升前懸架臂意味著馬自達可更為精細地調(diào)控簧下質(zhì)量的定時控制。馬自達采用扭力梁式(torsion beam)懸架系統(tǒng)替換了上一代多連桿式后懸架系統(tǒng)。當被問及原因時,車輛研發(fā)部的總經(jīng)理Hiroyuki Matsumoto表示:“該結(jié)構(gòu)更為簡單,易于調(diào)節(jié)。”

顯然,在未來兩年內(nèi),還將對馬自達下一代平臺進行調(diào)整。其他方面也有可圈可點之處。電輔助轉(zhuǎn)向的運營聲音較輕,其電制動系統(tǒng)也表現(xiàn)也很有意思,還需要對制動模塊進行些許調(diào)整。當該平臺與Skyactiv-X火花控制壓燃汽油發(fā)動機搭配后,下一代馬自達3或?qū)⒊蔀橐豢钊苄蛙囆汀?

蘭博基尼

關(guān)鍵詞:碳纖維、鋼材、鋁材

據(jù)外媒報道,蘭博基尼于2017年12月4日宣布,公司推出了蘭博基尼Urus,車身重量低于5000磅,采用鋼、鋁兩種材料,是一款“超級SUV”。蘭博基尼公司強調(diào),該款車型“融合了鋁材及鋼材。”得益于其輕量化設(shè)計,蘭博基尼Urus車車重為4850磅。該款車型的車身也采用了輕量化設(shè)計,選用了鋁、鋼兩種金屬材料。該款SUV擁有無框車窗,無C柱后車窗則采用玻璃材質(zhì)。

前橋配置了鋁質(zhì)副車架,而后橋則配置了鋁鋼并合構(gòu)造單元(aluminum and steel hybrid construction cell)

底盤高度是可控的,作為Urus的標配——Easyload Assist可調(diào)低Urus車型的后橋高度。

該款車輛售價為20萬美元,這一點不足為奇,因為該車型搭載的駕駛輔助系統(tǒng),只處于2級自動駕駛水平,并非奧迪A8這類三級自動駕駛車輛。

蘭博基尼正與休斯敦衛(wèi)理公會研究所(Houston Methodist Research Institute)合作研發(fā)生物工程碳纖維復(fù)合材料。蘭博基尼還與美國機構(gòu)開展合作,研究碳纖維鑄造件,該實驗室位于西雅圖附近。而在不遠處的華盛頓州摩西湖市,有一家公司正在為寶馬i8和i3的車身鈑金件及其他零部件生產(chǎn)碳纖維材料。

小結(jié)

上述車企在進行輕量化進程時,碳纖維和成為炙手可熱的材料,旨在大幅減輕車身重量。然而,由于其價格較高,應(yīng)用量并不大。相反,許多車企紛紛從工藝及合金材料著手,在提升汽車部件強度的同時減輕車重。鋼、鋁等合金材料及熱塑工藝、結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計也成諸多車企輕量化戰(zhàn)略中的重要組成部分。

(管理員)



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