汽車的輕量化之路

編者按

本文原載于2018年12月的《工業周刊》。作者約翰?希奇（John Hitch）是《工業周刊》的高級技術作家，撰寫了許多有關最新制造趨勢和新興技術的文章，包括機器人技術、工業物聯網、3D打印、人工智能和量子計算等。鑒于更好的燃油經濟性、增加電動汽車續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。冶金、材料科學和3D打印的創新正在引領汽車制造輕量化技術的加速。本文介紹了領先的汽車輕量化解決方案以及它們如何驅動汽車制造行業的變化。

輕量化對汽車行業來說并不陌生，其最終成熟后將足以對制造商、駕駛員和整個地球產生重大影響。

如果你是一個汽車愛好者，你可能會知道被尊崇為美國汽車制造業頂級產品之一的雪佛蘭克爾維特C2（又名黃貂魚）。它的線條流暢、優雅，而且速度很快。這是美國肌肉車（指搭載V8發動機，超強馬力、外型富有肌肉感的跑車）應該擁有的一切。但你可能不知道克爾維特在1953年發布時具有的創新性和超前性。

雪佛蘭用玻璃纖維代替鋼材制造了克爾維特的車身，秒表上的數字體現出了這種差異。1967款克爾維特配備了318kW的發動機，可以在4.7秒內從0加速到96千米/小時。這當然與其V8發動機有很大關系，但它采用的輕量化設計也提供了額外的性能優勢?？藸柧S特的設計體現了基本物理學原理：較輕的車輛只需要較少的動力就可以跑得更快。對于雪佛蘭和任何其他汽車制造商來說，這也是基本的經濟學原理。

密歇根制造技術中心（MMTC）是一個幫助制造商提高利潤和績效的咨詢機構，其首席材料工程師格雷戈里?彼得森說：“一旦發動機達到一定的動力水平，再增加動力就會變得非常昂貴，而減輕質量則通常更便宜?！?/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的鋼結構框架尋找更輕的替代品，制造包含超高強度鋼、鋁、鎂和碳纖維的復合框架。其質量要減輕33%，框架強度增強450%。

作為有著30多年從業經歷的資深人士，彼得森的車庫里有一臺克爾維特C2，他之前曾在通用汽車、克萊斯勒和蓮花工程公司實施過輕量化項目。

對于超級跑車，人們總是想要它們跑得更快，這意味著它們要變得更輕。克爾維特中大量的玻璃纖維已經讓位于更復雜、更輕的復合材料。在極端情況下，一級方程式工程師可以使汽車在大約1.7秒內加速到100千米/小時，質量控制在2噸之內，這基本上就是安裝了輪子的導彈。他們在輕量化方面非常擅長，汽車最小質量可達到734千克。

在另一個極端，業余愛好者采用了更低技術含量的輕量化方式。曾有一個人將他的福特Escort ZX2汽車的后座取下，以獲得對其他Escort車手的速度優勢。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則，即減輕10%的質量可使燃油經濟性提高6%～7%。

現在有更簡單的方法讓汽車變得更輕，卻不需要拆除汽車的關鍵部件。汽車零件的形狀和成分正在發生變化，混合了各種金屬和碳纖維增強塑料（CFRP），這都依賴于下一代的設計軟件和技術（如增材制造等）。彼得森解釋說，由于質量復合效應，當框架結構變得更輕時，其他元素——從懸架到制動器再到輪胎——也可以變得更輕。

這就是輕量化被業界癡迷的原因?，F在越來越多的汽車追求更好的燃油經濟性，電動汽車在追求更長的續航里程，而絕大多數國家出臺了減少碳排放的相關規定。無論是什么原因，輕量化已成為汽車制造商的首要任務。以前為國際汽車大獎賽準備的材料和高科技工程技術，現在可以應用在那些希望更省油的汽車或電動汽車上面。雖然數學計算可能相當簡單，但即使是專業的汽車工程師也沒有很好地掌握應用這些技術和材料的方法。

彼得森說：“就輕量化問題而言，它是一個逐步改變的過程。汽車制造商非常保守?！边@一切即將發生改變，因為當企業最高管理層、投資者和最終用戶都在關注這個問題時，制造商也無法停留在謹慎的小規模改進上。他們注意到，美國的公司平均燃油經濟性標準變得更加嚴格，電動汽車變得更加普遍，汽油價格也在不斷提高。最佳情況下，輕量化可以將車輛質量減少一半，并將燃油效率提高35%。這是令人激動的，但還需要大量工作。

出于必要性，汽車制造行業正在將其所有經驗投入更輕的車輛的制造。冶金、材料科學和3D打印技術的創新正在引領加速這個過程。跟蹤這些技術可能很困難，因為這項創新的速度可以與F1賽車相媲美。我與眾多汽車輕量化領域的專家進行了交談，討論了領先的解決方案以及它們如何驅動從漸進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，使其質量減輕了318千克。

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

LIFT是美國制造網絡的一部分，旨在尋找合適的輕質材料以及在后續制造過程中使用這些材料的方法。他們致力于將實驗室中發現的創新轉移給能夠實現真正變革的原始設備制造商。在解決方案中，經濟學的考慮和冶金學的技術同樣重要。

“你需要每千克節省約4.4美元的增量成本?！碧詹冀忉尩溃叭绻銦o法做到每千克節約4.4～5.6美元，那對客戶來說就并非物有所值，可以考慮其他技術?！?/p>

這意味著可以關注發動機或空氣動力學。陶布表示，鋁板可以將成本控制在這個范圍內，第三代先進高強度鋼（AHSS）也是如此。世界鋼鐵協會（WSA）表示，AHSS占新車體的60%，與傳統鋼材相比可減輕25%～39%的質量。鋁的質量小于AHSS，但強度較弱且更昂貴。麻省理工學院2007年的一項研究表明，鋁結構的價格要貴60%～80%。那時鋁價為每千克2.71美元。

在比較環境友好指數時，AHSS似乎在排放方面更具優勢。WSA的生命周期評估模型發現，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。這種減少相當于每年節省大約三分之一的氣體排放。當然，這并不意味著鋁不是一個可行的選擇。

“對鋁進行回收利用的能量是將其從地下運出的能量的十分之一，并且來源充足。”彼得森說。

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期材料，以創造最佳的強度、安全性和燃油經濟性。然后，他們必須確保不同的金屬不會產生負面的相互作用。陶布說，如果水進入兩種不同的金屬之間，就會發生電偶腐蝕。20世紀80年代的自由女神像發生過這種情況，當絕緣失效后，它的銅外殼和鍛鐵支撐件發生了接觸，以至于需要使用不銹鋼支撐進行大規模修復。LIFT發現，在多金屬部件上增加一個特殊涂層就足夠了。

MMTC表示，克爾維特的框架將由密歇根州的一家小批量生產商進行商業化，使用結構黏合劑進行連續粘合，其彎曲硬度增加450%，更容易制造，并且只需要廉價的工具和最少的勞動力。

高（碳）纖維方案

先進復合材料制造創新研究所（IACMI）擴充研究設施主任雷?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%，強度卻可以提高10倍，但限制因素是成本。盡管價格可能高達每千克1222美元，但航空航天制造商最看重其性能?？湛虯350 XWB客機總質量的一半使用的就是CFRP。一級方程式賽車對性能的考慮遠超過費用，也在很大程度上依賴于該材料。

IACMI車輛技術應用領域的主管勞倫斯?達澤爾說，新的低成本碳纖維價格降至了每千克11美元。達澤爾和他的團隊現在正在研究如何實現汽車行業所需的高產出。波音或空中客車公司可能需要幾個小時來制造一個零件，將來的目標是90秒制造一個碳纖維升降門或發動機罩。

首先，必須制造一個模具，操作員根據形狀和承載將纖維設置為正確的幾何結構，以獲得最大的承載力。然后他們閉合模具，并高速注入環氧樹脂。

生產時間限制了寶馬汽車的碳纖維增強復合材料的使用。寶馬i3和i8混合動力跑車是用碳纖維增強復合材料制造的，3.78L燃油可以行駛122千米。但在德國丁格爾芬生產的新款寶馬iNext電動汽車，將恢復使用金屬框架，只在關鍵部位加入碳纖維增強復合材料。

鮑因曼說：“汽車公司總是希望削減成本，因為不需要那么高的性能。汽車公司采用了一些改進的輕型航空航天系統，并算清楚了如何降低成本?！?/p>

“研究與市場”網站預測，2023年碳纖維工業的價值約為61億美元，是2017年價值的兩倍多，而且未來可能達到數千億美元。但是，要想實現廣泛應用，汽車行業將需要技術勞動力的巨大升級，使他們學會碳纖維操作。

達澤爾說：“必須拓寬對從事相關制造的人員的教育。傳統上，你只需拿起金屬板，將其放入沖壓機，打開并取出零件。對于復合材料，你需要關注纖維的排列方式、熱固性系統、溫度以及材料暴露在該溫度下的時間，以達到你想要的性能?！?/p>

新一代設計

根據國際能源機構的數據，到2030年電動汽車市場將達到1.25～2.2億美元，這主要是由于對人為氣候變化的擔憂日益加劇。

“氣候變化是真實存在的?！蓖ㄓ闷囀紫瘓绦泄佻旣?巴拉在2018年5月份寫道，“我們認識到運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，我們認真對待這一挑戰。它是我們零碰撞、零排放和零擁堵未來戰略的驅動力。”

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，并可能在北美關閉5家工廠。到2023年，通用汽車希望擁有20款電動或燃料電池動力汽車。

通過這種范式轉變，通用汽車也在重新思考其產品的每一部分，拋棄所有先入為主的設計概念。

為什么安全帶支架要做成這個樣子？這是因為加工的要求。但是，如果通過增材制造來進行加工又如何呢？

通用汽車開始采用的一項革命性新方法是歐特克公司的生成設計軟件。這是一種工程軟件工具，它使用人工智能和云計算，根據物理要求顯示數十種到數百種可能的模型。通用汽車附加物設計與制造總監凱文?奎恩解釋說，對于一個支架，它必須具有一定的長度并支撐特定負載，但人工智能知道3D打印機可以創建任何形狀，無論設計是多么得異想天開，因此它排除了僅針對制造過程進行次優化的材料。

奎恩說：“通過生成式設計，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會，這是我們基于任何其他方式的設計所無法做出的?！?/p>

最終改進的安全帶支架是一個不銹鋼支架，看起來更像人的膝蓋，以韌帶支撐，更加柔滑，而不是由8個焊接件組成的堅固的方形。新版本的支架質量減輕了40%，強度增加了20%。

陶布說，這種生成式設計方法甚至可以應用于材料本身。

安全帶支架采用歐特克的生成式設計制成

它涉及材料基因組計劃，這是一項于2011年開始的政府內部工作，旨在以“很小的成本”在制造業中部署先進材料。

陶布說：“它相當于修飾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構。”

他將這種方法稱為“從原子到汽車”。它類似于用CRISPR基因編輯技術修飾DNA，但具有原子級別的元素，由更強大的超級計算提供支持。這將使生成式設計達到新的水平，不過需要特定的材料支持。

“我們優化了這些階段的形式和分布。我們現在不是通過愛迪生的試錯法來實現，而是使用量子力學計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?，“我們可以在極短時間內制造和評估20種材料組合。”

考慮到所有這些因素，下一代汽車設計師理論上可以輸入一個制動系統的簡單工程和成本參數。他們的人工智能程序可以根據混合鈦或鋁的多少，形成數千種合金選項，或者決定碳纖維的工作形式。