汽車的輕量化之路

編者按

本文原載于2018年12月的《工業(yè)周刊》。作者約翰?希奇（John Hitch）是《工業(yè)周刊》的高級(jí)技術(shù)作家，撰寫了許多有關(guān)最新制造趨勢(shì)和新興技術(shù)的文章，包括機(jī)器人技術(shù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、3D打印、人工智能和量子計(jì)算等。鑒于更好的燃油經(jīng)濟(jì)性、增加電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程以及減少碳排放等原因，輕量化已成為汽車制造商的首要任務(wù)。冶金、材料科學(xué)和3D打印的創(chuàng)新正在引領(lǐng)汽車制造輕量化技術(shù)的加速。本文介紹了領(lǐng)先的汽車輕量化解決方案以及它們?nèi)绾悟?qū)動(dòng)汽車制造行業(yè)的變化。

輕量化對(duì)汽車行業(yè)來說并不陌生，其最終成熟后將足以對(duì)制造商、駕駛員和整個(gè)地球產(chǎn)生重大影響。

如果你是一個(gè)汽車愛好者，你可能會(huì)知道被尊崇為美國(guó)汽車制造業(yè)頂級(jí)產(chǎn)品之一的雪佛蘭克爾維特C2（又名黃貂魚）。它的線條流暢、優(yōu)雅，而且速度很快。這是美國(guó)肌肉車（指搭載V8發(fā)動(dòng)機(jī)，超強(qiáng)馬力、外型富有肌肉感的跑車）應(yīng)該擁有的一切。但你可能不知道克爾維特在1953年發(fā)布時(shí)具有的創(chuàng)新性和超前性。

雪佛蘭用玻璃纖維代替鋼材制造了克爾維特的車身，秒表上的數(shù)字體現(xiàn)出了這種差異。1967款克爾維特配備了318kW的發(fā)動(dòng)機(jī)，可以在4.7秒內(nèi)從0加速到96千米/小時(shí)。這當(dāng)然與其V8發(fā)動(dòng)機(jī)有很大關(guān)系，但它采用的輕量化設(shè)計(jì)也提供了額外的性能優(yōu)勢(shì)?？藸柧S特的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了基本物理學(xué)原理：較輕的車輛只需要較少的動(dòng)力就可以跑得更快。對(duì)于雪佛蘭和任何其他汽車制造商來說，這也是基本的經(jīng)濟(jì)學(xué)原理。

密歇根制造技術(shù)中心（MMTC）是一個(gè)幫助制造商提高利潤(rùn)和績(jī)效的咨詢機(jī)構(gòu)，其首席材料工程師格雷戈里?彼得森說：“一旦發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到一定的動(dòng)力水平，再增加動(dòng)力就會(huì)變得非常昂貴，而減輕質(zhì)量則通常更便宜?！?/p>

2017年，雪佛蘭的零配件部門要求MMTC和彼得森為克爾維特C2的鋼結(jié)構(gòu)框架尋找更輕的替代品，制造包含超高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂和碳纖維的復(fù)合框架。其質(zhì)量要減輕33%，框架強(qiáng)度增強(qiáng)450%。

作為有著30多年從業(yè)經(jīng)歷的資深人士，彼得森的車庫(kù)里有一臺(tái)克爾維特C2，他之前曾在通用汽車、克萊斯勒和蓮花工程公司實(shí)施過輕量化項(xiàng)目。

對(duì)于超級(jí)跑車，人們總是想要它們跑得更快，這意味著它們要變得更輕?？藸柧S特中大量的玻璃纖維已經(jīng)讓位于更復(fù)雜、更輕的復(fù)合材料。在極端情況下，一級(jí)方程式工程師可以使汽車在大約1.7秒內(nèi)加速到100千米/小時(shí)，質(zhì)量控制在2噸之內(nèi)，這基本上就是安裝了輪子的導(dǎo)彈。他們?cè)谳p量化方面非常擅長(zhǎng)，汽車最小質(zhì)量可達(dá)到734千克。

在另一個(gè)極端，業(yè)余愛好者采用了更低技術(shù)含量的輕量化方式。曾有一個(gè)人將他的福特Escort ZX2汽車的后座取下，以獲得對(duì)其他Escort車手的速度優(yōu)勢(shì)。盡管他的方法比較笨拙，但理論是正確的。

彼得森提出了一條輕量化規(guī)則，即減輕10%的質(zhì)量可使燃油經(jīng)濟(jì)性提高6%～7%。

現(xiàn)在有更簡(jiǎn)單的方法讓汽車變得更輕，卻不需要拆除汽車的關(guān)鍵部件。汽車零件的形狀和成分正在發(fā)生變化，混合了各種金屬和碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP），這都依賴于下一代的設(shè)計(jì)軟件和技術(shù)（如增材制造等）。彼得森解釋說，由于質(zhì)量復(fù)合效應(yīng)，當(dāng)框架結(jié)構(gòu)變得更輕時(shí)，其他元素——從懸架到制動(dòng)器再到輪胎——也可以變得更輕。

這就是輕量化被業(yè)界癡迷的原因?，F(xiàn)在越來越多的汽車追求更好的燃油經(jīng)濟(jì)性，電動(dòng)汽車在追求更長(zhǎng)的續(xù)航里程，而絕大多數(shù)國(guó)家出臺(tái)了減少碳排放的相關(guān)規(guī)定。無論是什么原因，輕量化已成為汽車制造商的首要任務(wù)。以前為國(guó)際汽車大獎(jiǎng)賽準(zhǔn)備的材料和高科技工程技術(shù)，現(xiàn)在可以應(yīng)用在那些希望更省油的汽車或電動(dòng)汽車上面。雖然數(shù)學(xué)計(jì)算可能相當(dāng)簡(jiǎn)單，但即使是專業(yè)的汽車工程師也沒有很好地掌握應(yīng)用這些技術(shù)和材料的方法。

彼得森說：“就輕量化問題而言，它是一個(gè)逐步改變的過程。汽車制造商非常保守?！边@一切即將發(fā)生改變，因?yàn)楫?dāng)企業(yè)最高管理層、投資者和最終用戶都在關(guān)注這個(gè)問題時(shí)，制造商也無法停留在謹(jǐn)慎的小規(guī)模改進(jìn)上。他們注意到，美國(guó)的公司平均燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)變得更加嚴(yán)格，電動(dòng)汽車變得更加普遍，汽油價(jià)格也在不斷提高。最佳情況下，輕量化可以將車輛質(zhì)量減少一半，并將燃油效率提高35%。這是令人激動(dòng)的，但還需要大量工作。

出于必要性，汽車制造行業(yè)正在將其所有經(jīng)驗(yàn)投入更輕的車輛的制造。冶金、材料科學(xué)和3D打印技術(shù)的創(chuàng)新正在引領(lǐng)加速這個(gè)過程。跟蹤這些技術(shù)可能很困難，因?yàn)檫@項(xiàng)創(chuàng)新的速度可以與F1賽車相媲美。我與眾多汽車輕量化領(lǐng)域的專家進(jìn)行了交談，討論了領(lǐng)先的解決方案以及它們?nèi)绾悟?qū)動(dòng)從漸進(jìn)式到令人難以置信的飛躍式變化。

不那么重的金屬

與鋼相比，鋁能夠提供40%～45%的質(zhì)量改善。2015年，福特開始用鋁制造最暢銷的F-150皮卡車身，使其質(zhì)量減輕了318千克。

“面向未來的輕量化創(chuàng)新”（LIFT）研究所首席技術(shù)官艾倫?陶布說：“問題在于利用這些材料的成本。”該研究所是大學(xué)、制造商和美國(guó)海軍研究辦公室組成的公私合作伙伴機(jī)構(gòu)。目前傳統(tǒng)的碳鋼價(jià)格約為每千克0.89美元，而鋁的價(jià)格則是每千克1.98美元，為碳鋼的兩倍多。

LIFT是美國(guó)制造網(wǎng)絡(luò)的一部分，旨在尋找合適的輕質(zhì)材料以及在后續(xù)制造過程中使用這些材料的方法。他們致力于將實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)的創(chuàng)新轉(zhuǎn)移給能夠?qū)崿F(xiàn)真正變革的原始設(shè)備制造商。在解決方案中，經(jīng)濟(jì)學(xué)的考慮和冶金學(xué)的技術(shù)同樣重要。

“你需要每千克節(jié)省約4.4美元的增量成本。”陶布解釋道，“如果你無法做到每千克節(jié)約4.4～5.6美元，那對(duì)客戶來說就并非物有所值，可以考慮其他技術(shù)?！?/p>

這意味著可以關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)或空氣動(dòng)力學(xué)。陶布表示，鋁板可以將成本控制在這個(gè)范圍內(nèi)，第三代先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS）也是如此。世界鋼鐵協(xié)會(huì)（WSA）表示，AHSS占新車體的60%，與傳統(tǒng)鋼材相比可減輕25%～39%的質(zhì)量。鋁的質(zhì)量小于AHSS，但強(qiáng)度較弱且更昂貴。麻省理工學(xué)院2007年的一項(xiàng)研究表明，鋁結(jié)構(gòu)的價(jià)格要貴60%～80%。那時(shí)鋁價(jià)為每千克2.71美元。

在比較環(huán)境友好指數(shù)時(shí)，AHSS似乎在排放方面更具優(yōu)勢(shì)。WSA的生命周期評(píng)估模型發(fā)現(xiàn)，AHSS最多可減少2995千克二氧化碳，而鋁則為1497千克，雖然鋁更輕一些。這種減少相當(dāng)于每年節(jié)省大約三分之一的氣體排放。當(dāng)然，這并不意味著鋁不是一個(gè)可行的選擇。

“對(duì)鋁進(jìn)行回收利用的能量是將其從地下運(yùn)出的能量的十分之一，并且來源充足?！北说蒙f。

他提到了在克爾維特中使用的鎂，作為一種嶄露頭角的金屬，鎂的成本為每千克4.67美元，但質(zhì)量可減輕60%。

利用這些金屬以及塑料和碳纖維的完美組合，將是LIFT的真正解決方案。他們首先組合一系列預(yù)期材料，以創(chuàng)造最佳的強(qiáng)度、安全性和燃油經(jīng)濟(jì)性。然后，他們必須確保不同的金屬不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的相互作用。陶布說，如果水進(jìn)入兩種不同的金屬之間，就會(huì)發(fā)生電偶腐蝕。20世紀(jì)80年代的自由女神像發(fā)生過這種情況，當(dāng)絕緣失效后，它的銅外殼和鍛鐵支撐件發(fā)生了接觸，以至于需要使用不銹鋼支撐進(jìn)行大規(guī)模修復(fù)。LIFT發(fā)現(xiàn)，在多金屬部件上增加一個(gè)特殊涂層就足夠了。

MMTC表示，克爾維特的框架將由密歇根州的一家小批量生產(chǎn)商進(jìn)行商業(yè)化，使用結(jié)構(gòu)黏合劑進(jìn)行連續(xù)粘合，其彎曲硬度增加450%，更容易制造，并且只需要廉價(jià)的工具和最少的勞動(dòng)力。

高（碳）纖維方案

先進(jìn)復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所（IACMI）擴(kuò)充研究設(shè)施主任雷?鮑因曼說：“碳纖維具有最佳的輕量化潛力，但需要大量能源?！?IACMI位于底特律，專注于碳纖維的可行性研究。

碳纖維比碳鋼輕55%，強(qiáng)度卻可以提高10倍，但限制因素是成本。盡管價(jià)格可能高達(dá)每千克1222美元，但航空航天制造商最看重其性能。空客A350 XWB客機(jī)總質(zhì)量的一半使用的就是CFRP。一級(jí)方程式賽車對(duì)性能的考慮遠(yuǎn)超過費(fèi)用，也在很大程度上依賴于該材料。

IACMI車輛技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的主管勞倫斯?達(dá)澤爾說，新的低成本碳纖維價(jià)格降至了每千克11美元。達(dá)澤爾和他的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在研究如何實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)所需的高產(chǎn)出。波音或空中客車公司可能需要幾個(gè)小時(shí)來制造一個(gè)零件，將來的目標(biāo)是90秒制造一個(gè)碳纖維升降門或發(fā)動(dòng)機(jī)罩。

首先，必須制造一個(gè)模具，操作員根據(jù)形狀和承載將纖維設(shè)置為正確的幾何結(jié)構(gòu)，以獲得最大的承載力。然后他們閉合模具，并高速注入環(huán)氧樹脂。

生產(chǎn)時(shí)間限制了寶馬汽車的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的使用。寶馬i3和i8混合動(dòng)力跑車是用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造的，3.78L燃油可以行駛122千米。但在德國(guó)丁格爾芬生產(chǎn)的新款寶馬iNext電動(dòng)汽車，將恢復(fù)使用金屬框架，只在關(guān)鍵部位加入碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

鮑因曼說：“汽車公司總是希望削減成本，因?yàn)椴恍枰敲锤叩男阅堋Ｆ嚬静捎昧艘恍└倪M(jìn)的輕型航空航天系統(tǒng)，并算清楚了如何降低成本?！?/p>

“研究與市場(chǎng)”網(wǎng)站預(yù)測(cè)，2023年碳纖維工業(yè)的價(jià)值約為61億美元，是2017年價(jià)值的兩倍多，而且未來可能達(dá)到數(shù)千億美元。但是，要想實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，汽車行業(yè)將需要技術(shù)勞動(dòng)力的巨大升級(jí)，使他們學(xué)會(huì)碳纖維操作。

達(dá)澤爾說：“必須拓寬對(duì)從事相關(guān)制造的人員的教育。傳統(tǒng)上，你只需拿起金屬板，將其放入沖壓機(jī)，打開并取出零件。對(duì)于復(fù)合材料，你需要關(guān)注纖維的排列方式、熱固性系統(tǒng)、溫度以及材料暴露在該溫度下的時(shí)間，以達(dá)到你想要的性能?！?/p>

新一代設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，到2030年電動(dòng)汽車市場(chǎng)將達(dá)到1.25～2.2億美元，這主要是由于對(duì)人為氣候變化的擔(dān)憂日益加劇。

“氣候變化是真實(shí)存在的?！蓖ㄓ闷囀紫瘓?zhí)行官瑪麗?巴拉在2018年5月份寫道，“我們認(rèn)識(shí)到運(yùn)輸部門在其中扮演著一定的角色，我們必須成為解決方案的一部分。在通用汽車公司，我們認(rèn)真對(duì)待這一挑戰(zhàn)。它是我們零碰撞、零排放和零擁堵未來戰(zhàn)略的驅(qū)動(dòng)力?！?/p>

這也是通用汽車最近宣布重組的原因，該重組將裁減8100名員工，并可能在北美關(guān)閉5家工廠。到2023年，通用汽車希望擁有20款電動(dòng)或燃料電池動(dòng)力汽車。

通過這種范式轉(zhuǎn)變，通用汽車也在重新思考其產(chǎn)品的每一部分，拋棄所有先入為主的設(shè)計(jì)概念。

為什么安全帶支架要做成這個(gè)樣子？這是因?yàn)榧庸さ囊?。但是，如果通過增材制造來進(jìn)行加工又如何呢？

通用汽車開始采用的一項(xiàng)革命性新方法是歐特克公司的生成設(shè)計(jì)軟件。這是一種工程軟件工具，它使用人工智能和云計(jì)算，根據(jù)物理要求顯示數(shù)十種到數(shù)百種可能的模型。通用汽車附加物設(shè)計(jì)與制造總監(jiān)凱文?奎恩解釋說，對(duì)于一個(gè)支架，它必須具有一定的長(zhǎng)度并支撐特定負(fù)載，但人工智能知道3D打印機(jī)可以創(chuàng)建任何形狀，無論設(shè)計(jì)是多么得異想天開，因此它排除了僅針對(duì)制造過程進(jìn)行次優(yōu)化的材料。

奎恩說：“通過生成式設(shè)計(jì)，讓你從那些限制中解脫出來。它開辟了一整套新的輕量化機(jī)會(huì)，這是我們基于任何其他方式的設(shè)計(jì)所無法做出的?！?/p>

最終改進(jìn)的安全帶支架是一個(gè)不銹鋼支架，看起來更像人的膝蓋，以韌帶支撐，更加柔滑，而不是由8個(gè)焊接件組成的堅(jiān)固的方形。新版本的支架質(zhì)量減輕了40%，強(qiáng)度增加了20%。

陶布說，這種生成式設(shè)計(jì)方法甚至可以應(yīng)用于材料本身。

安全帶支架采用歐特克的生成式設(shè)計(jì)制成

它涉及材料基因組計(jì)劃，這是一項(xiàng)于2011年開始的政府內(nèi)部工作，旨在以“很小的成本”在制造業(yè)中部署先進(jìn)材料。

陶布說：“它相當(dāng)于修飾DNA，但我們修改的是金屬制造過程，以使我們得到正確的晶體結(jié)構(gòu)?！?/p>

他將這種方法稱為“從原子到汽車”。它類似于用CRISPR基因編輯技術(shù)修飾DNA，但具有原子級(jí)別的元素，由更強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算提供支持。這將使生成式設(shè)計(jì)達(dá)到新的水平，不過需要特定的材料支持。

“我們優(yōu)化了這些階段的形式和分布。我們現(xiàn)在不是通過愛迪生的試錯(cuò)法來實(shí)現(xiàn)，而是使用量子力學(xué)計(jì)算工具來確定如何添加正確的材料以及如何處理它們?！碧詹冀忉尩?，“我們可以在極短時(shí)間內(nèi)制造和評(píng)估20種材料組合?！?/p>

考慮到所有這些因素，下一代汽車設(shè)計(jì)師理論上可以輸入一個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單工程和成本參數(shù)。他們的人工智能程序可以根據(jù)混合鈦或鋁的多少，形成數(shù)千種合金選項(xiàng)，或者決定碳纖維的工作形式。