汽車也減肥

曾俊夫

有數(shù)據(jù)表明，如果汽車的整備質(zhì)量每降低10%，那么燃油經(jīng)濟性便可以提高6%～8%，更直白的說，汽車的整備質(zhì)量每減少100kg，那么每百公里油耗則可以降低0.3～0.6升。事實上，汽車整備質(zhì)量降低還能提升車輛的行駛性能——同樣動力的發(fā)動機，能帶來更快的加速性能，同時還可以改善尾氣排放。

一直以來，汽車廠商對于汽車輕量化的研究從未停止過。并非是出于對能源危機的思考，而是從根本上提升汽車的性能，推動汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步。就像人體一樣，減脂以后整個人會更加精神，而且生活的品質(zhì)會得到提升，生活半徑也會擴大。在20世紀50年代的時候，德國Setra（原凱斯鮑爾）汽車公司借鑒飛機骨架的設(shè)計想法，在現(xiàn)代化的客車設(shè)計上首次采用全封閉的車身結(jié)構(gòu)，將底盤和車身骨架融合在一起，這是世界客車界最早的全承載式大型客車。從性能上來看，全承載式車身具有安全性能高、舒適性好、整備質(zhì)量輕、經(jīng)濟性好等特點。從此以后，德國的Neoplan、MAN紛紛效仿Setra，先后推出了全承載式車身客車。

承載式車身完全可以看作是早期的汽車輕量化，在商用車領(lǐng)域，客車（包括輕型Van）也是最早采用承載式車身的車型，像貨車由于載重的需求，還必須保留沉重的大梁。在乘用車領(lǐng)域，輕量化的進程就要更早了。在1914年的時候，道奇就開始批量制造金屬車身汽車，擺脫了木制車身結(jié)構(gòu)，這也意味著汽車在隨后百年的時間里開始了逐步的進化。到20世紀30年代的時候，雪鐵龍的Traction Avant已經(jīng)具備了前輪驅(qū)動、承載式車身和前獨立懸掛等先進的技術(shù)特征。而在此后的幾十年里，歐洲的汽車工業(yè)因為安全、環(huán)保等法規(guī)的不斷完善，汽車廠商開始對輕量化越來越重視，像我們熟知的鋁合金發(fā)動機、鋁合金懸掛擺臂、鋁合金車身、復(fù)合材料車身覆蓋件、輕量化內(nèi)飾甚至碳纖維輪圈，都是為應(yīng)對輕量化而誕生的新事物。車子越輕，跑得就越快，經(jīng)濟性自然更好，現(xiàn)在這是人們最在意的事情。

減重從發(fā)動機開始

有一種說法是，“車頭輕了，轉(zhuǎn)向就靈活了”。這大概是汽車媒體從業(yè)人員長期測試試駕車總結(jié)出來的經(jīng)驗。但不可否認的是，在普通的家用轎車結(jié)構(gòu)上，大約50%～60%的重量都集中在車身前部，所以制動系統(tǒng)的設(shè)定也是70：30的前后關(guān)系。而關(guān)系到車頭重量的關(guān)鍵，就是發(fā)動機自身的整備質(zhì)量了，汽車輕量化的實施應(yīng)該從車頭開始。

傳統(tǒng)的鑄鐵缸體發(fā)動機因為重量大、經(jīng)濟性差，逐漸在汽車領(lǐng)域被鋁合金材料制成的缸體所取代。在上世紀80年代末期的時候，鈴木G、K系列（G13B、K14B）和本田D系列（D16）發(fā)動機就已經(jīng)開始使用鋁合金缸體了。雖然從物理學(xué)上來看，鋁的質(zhì)量小于鐵，但鋁材料本身很軟，抗壓能力較差，所以需要在做成成品時添加其他金屬來增加強度——于是我們接觸到的汽車發(fā)動機缸體，其實都是鋁合金材料制造的。早期的發(fā)動機缸體和缸蓋幾乎都是由鑄鐵材料制造的，盡管鑄鐵缸體和缸蓋具有較高的強度和耐用性，而且成本更容易控制，但在輕量化面前顯然不具備優(yōu)勢。從鑄鐵到鋁合金，再引入復(fù)合材料，發(fā)動機的缸蓋、缸體、進氣歧管甚至油底殼、活塞等部件無所不進行著“瘦身”運動。從重量上來看，鋁合金發(fā)動機相比鑄鐵發(fā)動機，在相同排量和氣缸數(shù)的前提下，可以減重10%～20%左右，這對提升經(jīng)濟性至關(guān)重要。

而另一種發(fā)動機輕量化的方式，就是小排量、渦輪增壓化，尤其是最近幾年非常流行的1.0T、1.2T發(fā)動機，其動力已經(jīng)達到了1.8、2.0升自然進氣發(fā)動機的水準，并且小型化的發(fā)動機還將三缸結(jié)構(gòu)重新帶回到市場來。實際上，三缸機“死灰復(fù)燃”是源于歐盟在2014年2月份發(fā)布的法令：到2020年歐盟范圍內(nèi)所銷售的95%的新車，二氧化碳排放平均水平須達到每公里不超過95克。如果到時不達標，就要受到重罰。

三缸發(fā)動機的劣勢大概讀者朋友都知道，由于少了一個氣缸，進氣量減少了，因此三缸發(fā)動機的動力性能不如四缸發(fā)動機。尤其在低轉(zhuǎn)速、渦輪還未完全介入前，發(fā)動機的扭矩較弱。此外，抖動問題也是消費者普遍所關(guān)注的性能指標之一。由于上世紀90年代遍布大街小巷的奧拓、夏利都采用了三缸發(fā)動機，所以許多人會把這種機器與低端車聯(lián)系起來。不過當下的三缸機已經(jīng)完全可以解決抖動問題了，雙平衡軸、雙質(zhì)量飛輪等措施已經(jīng)將震動降到最低了，再加上液壓懸置機構(gòu)，目前的Turbo三缸機的NVH可以和四缸機媲美。

車身減重的目的也是為了實現(xiàn)更低的油耗、更好的燃油經(jīng)濟性，尤其對于大車身尺寸的豪華車來說，這就顯得更有必要了

現(xiàn)在BMW i3電動車推出以后，則成為了“最便宜”的碳纖維車身車型——42.28萬元起。它的車身輕到什么程度？兩個成年人就可以抬起來。據(jù)說在設(shè)計之初，BMW的工程師打算使用鋁合金材料，但最后為了突出科技感，還是使用了CFRP，使得整備質(zhì)量比原始設(shè)計減輕了250～350kg，加上電池也僅有1224kg。而全新7系在材料選擇上要謹慎許多，并未全部使用CFRP，而是有的放矢。透過鋼材和CFRP材料的結(jié)合，新7系整備質(zhì)量較上一代減輕了130kg，車體骨架減輕約40kg，強化了車身的抗扭剛性，變相提升了動力性和經(jīng)濟性。

現(xiàn)在已經(jīng)有越來越多的廠商投入到新材料的研究上來，顯而易見的是，以后的汽車不僅會越來越智能，也會越來越輕。而且不僅是表面看到的車身在減重，底盤部分的零件也在同步減重。比如德國ZF采埃孚采用玻璃纖維增強塑料制成的，能引導(dǎo)車輪的橫向葉片彈簧就裝備在了沃爾沃新一代XC90和S90上，同樣起到了車身輕量化的目的。與傳統(tǒng)的多連桿后橋相比，ZF的這個方案能減輕13%的重量（6kg）。如果不是看官方圖片或者趴在地上觀察，或許我們永遠不知道車身結(jié)構(gòu)已經(jīng)在悄無聲息的發(fā)生變化，這個輕量化的時代一切都變得很快。

車輪也正在走向輕量化

記得曾經(jīng)有日本BBS輪圈品牌的工程師說過，在非簧載質(zhì)量下，如果輪圈的重量減輕哪怕1kg，就相當于整車質(zhì)量降低了15kg。其言論中所透露的道理很簡單，如果能減輕彈簧下部的重量——輪圈的重量，那么動力性能將極大得到改善。早年間就有寶馬、福特等汽車廠商致力于碳纖維輪圈的研發(fā)，最后因為強度、成本、量產(chǎn)等因素而被迫放棄。不過在2017年8月18日，保時捷發(fā)表了量產(chǎn)版本的碳纖維輪圈，官方消息顯示從2018年開始，碳纖維輪圈將作為911 Turbo S Exclusive Series的選裝配件，目前僅有20英寸可供選擇，德國選配價格為15232歐元，已經(jīng)貴得要起飛了。

實際上早在2008年的時候，一款名為DYMAG CARBON的半碳纖維輪圈就在市面上出現(xiàn)過，它采用碳纖制作輪圓，而輪輻則保留金屬材質(zhì)，不過選用了質(zhì)量更輕的鎂鋁合金。根據(jù)資料顯示，這款20英寸的復(fù)合材料輪圈重量比普通鋁合金輪圈輕了2kg，四個輪圈總共輕了8kg，理論上非簧載質(zhì)量輕了120kg，這對于操控以及動力性能都大有提升。后來在2009年的時候，日本的Weds Sport品牌又發(fā)布了一款采用全碳纖維制造的輪圈。這款型號為Weds Sport TC105N的輪圈單體重量為2.76kg，在當時的售價為8～10萬元人民幣之間，已經(jīng)是非常昂貴的配件了。

現(xiàn)如今，CFRP材料已經(jīng)從車身骨架蔓延到了車輪上，汽車輕量化這條路真是越走越深，前方是什么樣子，誰也說不清楚。不過以現(xiàn)在的技術(shù)追求輕量化，碳纖維無疑是最合適的材料，它具有輕便、強度高等優(yōu)勢，但就是制造工藝復(fù)雜，成本居高不下。碳纖維成品是由眾多如絲般的纖維編織在一起的，其制作過程有點類似于織布，然后經(jīng)過高溫壓制才形成最終的高硬度成品。來自保時捷的資料顯示，這款專屬于911 Turbo S Exclusive Series的20英寸輪圈，采用全碳纖維復(fù)合材質(zhì)CFRP打造，重量僅為8.5kg，較同尺寸的鋁合金輪圈輕了20%，而剛性表現(xiàn)上則多出20%。更加令人吃驚的是，打造這樣一款輪圈，需要長達18公里的碳纖維來編織。

保時捷表示，采用輕量化材料的輪圈可使懸掛更好地貼緊道路，并更好地吸收縱向和橫向的應(yīng)力。而較低的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量也意味著在加速和制動方面更加輕盈，能創(chuàng)造更好的駕駛樂趣。保時捷還透露，車輪的中心采用交織性的碳纖維織物生產(chǎn)，通過200多個單獨的部件切割、組裝而成。為了生產(chǎn)這套輪圈，保時捷為此還投資了全球最大的碳纖維編織機。由碳纖維織物組裝而成的車輪中心（輪輻結(jié)構(gòu)），然后再被編織到輪輞上去。在高壓和高溫下進行樹脂填充和固化前，編織機還要將輪輞和輪輻部件整合在一起。

輕量化課題在汽車上無處不在，從發(fā)動機到車身，從懸掛到車輪幾乎隨處可見，更輕盈的汽車必然也會帶來更低的排放和更多的樂趣。