汽車縱橫>環(huán)球掃描>正文
通用汽車輕量化的秘密武器
發(fā)布時間：2016-08-19
本刊記者 劉春曉
全球生態(tài)環(huán)境因工業(yè)進(jìn)步承受巨壓，防止環(huán)境污染是全球各國的一項共同議題，汽車制造為制造業(yè)大宗，身負(fù)環(huán)保重責(zé)，輕量化與節(jié)能已是現(xiàn)今全球汽車制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。
實(shí)驗(yàn)證明，在確保性能的基礎(chǔ)上，汽車重量每降低1%，油耗可降低0.耗7%，或者每減少100千克，百公里油降低0.3升-0.6升。為此，全球汽車制造大國皆推出了各自的汽車輕量化政策，各大車企巨頭也把輕量化研發(fā)作為重中之重。而美國通用汽車公司一直致力于汽車輕量化的研發(fā)，并取得了相當(dāng)不錯的進(jìn)展：2012年凱迪拉克ATS亮相，此款新車比寶馬3系轎車減輕了數(shù)百公斤；2016款雪佛蘭科魯茲比2015款減輕113公斤；2016款雪佛蘭邁銳寶比2015款車型減重136公斤；2016款雪佛蘭科邁羅比2015款車型減重181公斤；2016款別克君越比2015款車型減重136公斤；2017款凱迪拉克XT5作為SRX的替代車型，較前者減重127公斤。而這些成績的取得與通用汽車沃倫技術(shù)中心打造的汽車輕量化秘密武器密不可分。
通用輕量化研發(fā)進(jìn)展顯著
坐落于美國密歇根州底特律市郊外的通用汽車沃倫技術(shù)中心的“通用設(shè)計穹頂”，在汽車業(yè)界以其標(biāo)志性的穹頂造型聞名遐邇。自1956年落成以來，通用汽車沃倫技術(shù)中心承擔(dān)著通用汽車全部的設(shè)計研發(fā)工作。如今，這里的工程師正在致力于汽車輕量化的研發(fā)，并取得了顯著的進(jìn)展。
過去100多年來，低碳鋼一直是汽車制造材料的標(biāo)準(zhǔn)選材。事實(shí)上，低碳鋼由于其價格低廉、易于鍛造和塑形、抗磨損等特性，一直是汽車制造的最優(yōu)之選。不過其缺點(diǎn)也同樣突出——易腐蝕和重量大。隨著現(xiàn)代工藝技術(shù)的發(fā)展，噴漆和電鍍幾乎已彌補(bǔ)了其第一大缺點(diǎn)，但天生重量過大的物理特性卻無法改變。
以前，乘用車車重問題并不是汽車制造商的擔(dān)心所在，制造商更關(guān)心的是乘用車的舒適性和動力性，他們可以通過增加動力來對沖車重。但是，隨著各國對燃油效率的立法日趨嚴(yán)格以及業(yè)界對汽車輕量化帶來性能提高的認(rèn)識逐步深入，輕量化已經(jīng)成為全球汽車制造商研發(fā)的重中之重。而通用汽車在輕量化研發(fā)方面已取得了顯著進(jìn)展。
焊接工藝突破熔合難點(diǎn)
通用汽車在輕量化方面的研發(fā)采取了多種方式綜合的做法，包括采用新型制造材料和新型制造方式。
鋁合金是通用汽車輕量化的第一件秘密武器。鋁合金一直是制造商用飛機(jī)的基礎(chǔ)材料，近年來引入到汽車制造業(yè)，成為汽車制造商的輕量化首選材料。鋁合金的特點(diǎn)是重量輕、易于加工、耐用性強(qiáng)，而且比低碳鋼更抗腐蝕。但其缺點(diǎn)是工具加工成本過高，并且很難與其他異種材料裝配在一起。這大大增加了整車制造成本。
通用的做法是使用鋁板制作車身外板、擠制鋁制作汽車框架、復(fù)雜的鋁鑄件制作零部件，這大大降低了車重、增強(qiáng)了硬度，提升了汽車的碰撞性能。在雪佛蘭克爾維特C7和雪佛蘭Malibu兩款車的制造材料中都大量使用鋁。新款凱迪拉克CT6也使用大量的輕量化鋁合金代替低碳鋼，使得這款全尺寸車型的整體重量比中大型車型寶馬5系轎車的重量還要輕。
有些情況下，單獨(dú)使用鋁并非最好的材料，高強(qiáng)度鋼與鋁合金一起能更好增加強(qiáng)度、抗腐蝕性和吸波性能。但這兩種材料金屬屬性不同，這就要求通用汽車工程師們研發(fā)出新型工藝來結(jié)合這兩種材料。
解決方案之一就是高級點(diǎn)焊技術(shù)。通用工程研發(fā)團(tuán)隊開發(fā)的這項特殊工藝能令不同熔點(diǎn)的金屬材料焊接在一起。這樣，通用就可以制造出擁有輕量化鋁合金車身(如引擎蓋或后備箱蓋)和堅固鋼框架的汽車，這既增強(qiáng)了汽車的堅固性同時又減輕了整體車重。據(jù)悉，通用有望將這一技術(shù)授權(quán)給其他汽車制造商使用。
汽車零部件通常需要更好的接合緊固性。當(dāng)熔合同種材質(zhì)的金屬時，這并非難事。但當(dāng)熔合鋁和鋼時，就變得十分困難。鋁的熔點(diǎn)為648攝氏度，而鋼的熔點(diǎn)為1426攝氏度。通用研發(fā)團(tuán)隊研發(fā)出的特別工藝能夠使不同屬性的金屬材料焊接在一起而不破壞其原有屬性，采用這種工藝，通用汽車制造部門能將鋁和鋁、鋼和鋁以及鋼和鋼焊接在一起，并極大地提高了裝配速度。而且采用這種不同材料的焊接工藝后，通用汽車不再需要使用質(zhì)量重、價格高的鉚釘，每生產(chǎn)一輛整車就節(jié)省上游鉚釘成本100美元。
新型制造材料降低車重
鋁和高強(qiáng)度鋼并非通用汽車使用的唯一金屬，這家車企巨頭正在研發(fā)將金屬鎂用于汽車制造。鎂是最輕的金屬，比鋁還要輕33%，但其強(qiáng)度和抗腐蝕性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋁。鎂易于鑄造和機(jī)器加工，其更低的工作溫度延長了以鎂制造的零部件的使用壽命。但鎂與大多數(shù)其他金屬相比，熔點(diǎn)更低，而且其強(qiáng)度不夠，特別是與鋼相比，這些致命缺陷限制了其應(yīng)用。不過，作為大型鑄件和某些特別零部件，鎂的優(yōu)點(diǎn)可以得到充分發(fā)揮。通用汽車目前正在試驗(yàn)將鎂板用于制造車門和后備箱，希望能使整車重量減輕1千克。
據(jù)美國汽車材料聯(lián)盟預(yù)計，到2020年，每輛汽車材料中將會應(yīng)用158.8千克的鎂來替代226.8千克鋼材和59千克鋁，使得車輛整體重量減輕15%。這樣的車身輕量化措施可實(shí)現(xiàn)節(jié)省燃油達(dá)9%到12%。
通用汽車公司全球車身工程部執(zhí)行總監(jiān)格雷格·沃頓表示：“就改善燃油經(jīng)濟(jì)性而言，每一克的重量減輕都至關(guān)重要。能夠利用最輕質(zhì)的金屬之一來替代較重的金屬有助于我們?yōu)槿澜绲南M(fèi)者提供更好的車輛燃油經(jīng)濟(jì)性，同時提供消費(fèi)者所期待的安全性與耐用性。”說道。
碳纖維是汽車輕量化制造材料中最具使用前景的一種材料。碳纖維的強(qiáng)度是鋼的5倍，硬度是鋼的2倍，而其重量又非常之輕，非金屬特性令其極易塑形。而且碳纖維極其強(qiáng)硬，耐腐蝕性極高，但與大多數(shù)金屬相比，其耐熱性較差。
賽車和飛機(jī)制造過去幾十年一直使用碳纖維，但其高昂的成本被認(rèn)為不適合用于大規(guī)模生產(chǎn)的汽車制造。但通用正在進(jìn)行的碳纖維車輪項目研發(fā)將改變這一現(xiàn)狀。據(jù)悉，該項目有望降低車重近18千克，而車輪重量一直被認(rèn)為是“旋轉(zhuǎn)的非簧載質(zhì)量”，這意味著每減輕0.02千克，將極大提高汽車的能效和駕駛動力。
