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三种白车身的轻量化途径

宝马轻量化技术,奥迪轻量化技术,宾利轻量化技术各有千秋,他们分别从材料选择和工艺上进行革新,减重效果明显。


在白车身生产制造领域,目前的趋势是从铝合金材质逐步转向应用多种复合材料。这也对车身生产制造中的连接技术提出了很高的要求。针对此领域,来自奥迪公司、宝马公司以及大众汽车的业内人士共同探讨OEM在不同车身轻量化方面的应用及经验。

奥迪
日前,来自业内230多位代表齐聚一堂共同参加了以“轻量化汽车制造的未来”为主题的研讨会。在会上,奥迪公司轻量化设计中心的Frank Venier先生致辞,并向与会者介绍了奥迪公司的旗舰车型A8在轻量化车身设计中采用的技术和工艺。在他看来,那种仅仅注重增加车辆的续航里程的设计思想并不合时宜,或许说有些片面了。汽车的轻量化设计必须从一个整体的角度去考虑,那些诸如轮胎负荷或是一些法律合规问题只是细枝末节,而且是容易解决的。不仅如此,奥迪公司在电动汽车领域的设计中也贯彻了轻量化设计的思路。
Frank Venier先生非常自豪地引用奥迪公司轻量化设计的开山鼻祖Heinrich Timm先生的一句经典论断:“在正确的地方使用正确的材料”。这句话不仅现在适用,在未来奥迪电动汽车的车身设计中也同样适用。
奥迪引以为豪的奥迪空间框架结构车身(Audi Space Frame, ASF)是一种由铝合金材料、挤压型材、铸件和铝板制成的框架。新的第四代ASF空间框架结构——被奥迪人称之为“D5”的新型ASF白车身也采用了钢制结构件。
Frank Venier先生在谈到采用钢制结构件的理由时说道,由于欧洲的碰撞标准进一步升级,所以采用钢制构件在所难免。在ASF中采用钢部件之外,公司还从三个方面实现更高的安全性,它们是多种复合材料、轻量化结构设计和主动式安全防护系统。
上述三个方面并不是割裂的。只有将轻量化的材料与结构轻量化设计有机结合才能达到非常满意的碰撞防护效果,让撞击力得到有效分散。在此基础之上,主动式安全防护底盘则能在车辆碰撞前的瞬间将车身抬高,从而使车辆门槛和B柱之间的结构有着更好的抗碰撞能力。这三个要素相互作用,有效提高车身的防碰撞安全性。
奥迪A8的白车身使用多达29种不同的材料,其中主要包括了钢材、铝合金挤压型材、铝合金铸件和铝合金板材等。值得一提的是,奥迪首次在A8上使用了镁合金支撑件和位于后排乘客靠背处的车厢后壁碳纤维板,如图1所示。值得注意点是,这块碳纤维板材重量比以前相同部位的构件减轻了50%。

图1  奥迪A8轿车的后壁板是由碳纤维增强材料制造的,不同编织方向的碳纤维层整合到一起,增加了各个方向的强度

宝马

宝马公司一直处于不断地审视新材料应用的过程中。公司的技术带头人Jean-Marc Segaud先生认为,随着白车身采用材料的多样化,连接方式也会发生变革。以往在白车身生产中使用的电焊技术在新材料的应用中已经变得不合时宜。相反,传统的连接方式,诸如铆接、摆动冲击铆接、自攻螺钉连接或者粘接等连接技术又重新成为人们关注的焦点。 宝马公司Dingolfing工厂的Klaus Sammer先生和白车身生产负责人Robert Pilsl先生以6系GT车型为例,介绍了宝马公司在轻量化设计中取得的成果。数据显示,经过轻量化设计之后,成品6系GT的白车身减重大约150 kg。究其原因,工程师们在铝合金后纵梁设计中采用了一套整体压铸铝合金构件,如图2所示,大大减轻了后纵梁的重量。要知道,在前款的5系GT车型中,相应的单边结构就要25个零件之多。这也就意味着,现在两个后纵梁的质量只有15 kg。这也是新6系GT车型白车身生产中※有效的轻量化措施。 实际上,铝合金压铸工艺提供了很高的几何结构设计灵活性。例如可以方便地设计一些增强结构的连接节点,从而增加了车辆的刚性。此时,不同材质的白车身结构应保证每个车身部件都能※大化地满足其所在部位的设计要求,在减轻重量和刚度要求间找到※佳平衡点。

图2  宝马6系GT车型铝合金后纵梁设计中采用了一套整体压铸铝合金构件,从而大大减轻了重量

宾利

作为大众汽车的子公司,宾利公司也带来了其新产品欧陆GT在轻量化中的设计亮点。这一车型在研发之初便以轻量化为设计重点。来自大众汽车的Markus Israel先生和来自宾利公司的Darren Purvin先生分别介绍了宾利欧陆GT车型轻量化设计中的过人之处。 为了生产出理想的汽车侧板零件,工程师开发了SPF超塑成形工艺技术。大众汽车首次是在保时捷Panamera车型的白车身上应用SPF技术的,如图3所示。随后,此技术延展到了宾利的欧陆GT车型上。以上的两款车型都是基于大众汽车同一MSB平台,所以技术应用推广非常方便。 SPF超塑成形的第一步是冷态深拉延,第二步是热成形。在大陆Continental GT白车身生产过程中,室温环境下的深拉延工艺可以完成铝合金型材拉延深度极限值的26%之多。在随后的热成形过程中,材料的变形度※大可达300%。 在谈到SPF超塑成形工艺的※大优点时,大众汽车介绍说:零部件结构设计的自由度很大。保时捷和宾利两个品牌就是利用了很高的灵活性这一优点通过几个迭代循环(Iterationsschleifen)就减小了板材的厚度。这一说法其实是借用了一个数学概念,一次次地替换板材的厚度找到※合适的最终数值。例如欧陆GT车型白车身※初设计的板材厚度为1.4 mm,现在仅用1.1 mm厚的板材就满足了强度和碰撞性能的要求了。 之后的工作便是考验白车身工程师了。把经过SPF工艺处理后的车身面板按照对接点整合到白车身上,并保证质量万无一失。这一工艺在莱比锡工厂进行生产,因为同为大众汽车MSB平台的产品,所以,这一工厂一共生产三种这一平台上的白车身。


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