汽车的轻量化之路

编者按

本文原载于2018年12月的《工业周刊》。作者约翰•希奇（John Hitch）是《工业周刊》的高级技术作家，撰写了许多有关最新制造趋势和新兴技术的文章，包括机器人技术、工业物联网、3D打印、人工智能和量子计算等。鉴于更好的燃油经济性、增加电动汽车续航里程以及减少碳排放等原因，轻量化已成为汽车制造商的首要任务。冶金、材料科学和3D打印的创新正在引领汽车制造轻量化技术的加速。本文介绍了领先的汽车轻量化解决方案以及它们如何驱动汽车制造行业的变化。

轻量化对汽车行业来说并不陌生，其最终成熟后将足以对制造商、驾驶员和整个地球产生重大影响。

如果你是一个汽车爱好者，你可能会知道被尊崇为美国汽车制造业顶级产品之一的雪佛兰克尔维特C2（又名黄貂鱼）。它的线条流畅、优雅，而且速度很快。这是美国肌肉车（指搭载V8发动机，超强马力、外型富有肌肉感的跑车）应该拥有的一切。但你可能不知道克尔维特在1953年发布时具有的创新性和超前性。

雪佛兰用玻璃纤维代替钢材制造了克尔维特的车身，秒表上的数字体现出了这种差异。1967款克尔维特配备了318kW的发动机，可以在4.7秒内从0加速到96千米/小时。这当然与其V8发动机有很大关系，但它采用的轻量化设计也提供了额外的性能优势。克尔维特的设计体现了基本物理学原理：较轻的车辆只需要较少的动力就可以跑得更快。对于雪佛兰和任何其他汽车制造商来说，这也是基本的经济学原理。

密歇根制造技术中心（MMTC）是一个帮助制造商提高利润和绩效的咨询机构，其首席材料工程师格雷戈里•彼得森说：“一旦发动机达到一定的动力水平，再增加动力就会变得非常昂贵，而减轻质量则通常更便宜。”

2017年，雪佛兰的零配件部门要求MMTC和彼得森为克尔维特C2的钢结构框架寻找更轻的替代品，制造包含超高强度钢、铝、镁和碳纤维的复合框架。其质量要减轻33%，框架强度增强450%。

作为有着30多年从业经历的资深人士，彼得森的车库里有一台克尔维特C2，他之前曾在通用汽车、克莱斯勒和莲花工程公司实施过轻量化项目。

对于超级跑车，人们总是想要它们跑得更快，这意味着它们要变得更轻。克尔维特中大量的玻璃纤维已经让位于更复杂、更轻的复合材料。在极端情况下，一级方程式工程师可以使汽车在大约1.7秒内加速到100千米/小时，质量控制在2吨之内，这基本上就是安装了轮子的导弹。他们在轻量化方面非常擅长，汽车最小质量可达到734千克。

在另一个极端，业余爱好者采用了更低技术含量的轻量化方式。曾有一个人将他的福特Escort ZX2汽车的后座取下，以获得对其他Escort车手的速度优势。尽管他的方法比较笨拙，但理论是正确的。

彼得森提出了一条轻量化规则，即减轻10%的质量可使燃油经济性提高6%～7%。

现在有更简单的方法让汽车变得更轻，却不需要拆除汽车的关键部件。汽车零件的形状和成分正在发生变化，混合了各种金属和碳纤维增强塑料（CFRP），这都依赖于下一代的设计软件和技术（如增材制造等）。彼得森解释说，由于质量复合效应，当框架结构变得更轻时，其他元素——从悬架到制动器再到轮胎——也可以变得更轻。

这就是轻量化被业界痴迷的原因。现在越来越多的汽车追求更好的燃油经济性，电动汽车在追求更长的续航里程，而绝大多数国家出台了减少碳排放的相关规定。无论是什么原因，轻量化已成为汽车制造商的首要任务。以前为国际汽车大奖赛准备的材料和高科技工程技术，现在可以应用在那些希望更省油的汽车或电动汽车上面。虽然数学计算可能相当简单，但即使是专业的汽车工程师也没有很好地掌握应用这些技术和材料的方法。

彼得森说：“就轻量化问题而言，它是一个逐步改变的过程。汽车制造商非常保守。”这一切即将发生改变，因为当企业最高管理层、投资者和最终用户都在关注这个问题时，制造商也无法停留在谨慎的小规模改进上。他们注意到，美国的公司平均燃油经济性标准变得更加严格，电动汽车变得更加普遍，汽油价格也在不断提高。最佳情况下，轻量化可以将车辆质量减少一半，并将燃油效率提高35%。这是令人激动的，但还需要大量工作。

出于必要性，汽车制造行业正在将其所有经验投入更轻的车辆的制造。冶金、材料科学和3D打印技术的创新正在引领加速这个过程。跟踪这些技术可能很困难，因为这项创新的速度可以与F1赛车相媲美。我与众多汽车轻量化领域的专家进行了交谈，讨论了领先的解决方案以及它们如何驱动从渐进式到令人难以置信的飞跃式变化。

不那么重的金属

与钢相比，铝能够提供40%～45%的质量改善。2015年，福特开始用铝制造最畅销的F-150皮卡车身，使其质量减轻了318千克。

“面向未来的轻量化创新”（LIFT）研究所首席技术官艾伦•陶布说：“问题在于利用这些材料的成本。”该研究所是大学、制造商和美国海军研究办公室组成的公私合作伙伴机构。目前传统的碳钢价格约为每千克0.89美元，而铝的价格则是每千克1.98美元，为碳钢的两倍多。

LIFT是美国制造网络的一部分，旨在寻找合适的轻质材料以及在后续制造过程中使用这些材料的方法。他们致力于将实验室中发现的创新转移给能够实现真正变革的原始设备制造商。在解决方案中，经济学的考虑和冶金学的技术同样重要。

“你需要每千克节省约4.4美元的增量成本。”陶布解释道，“如果你无法做到每千克节约4.4～5.6美元，那对客户来说就并非物有所值，可以考虑其他技术。”

这意味着可以关注发动机或空气动力学。陶布表示，铝板可以将成本控制在这个范围内，第三代先进高强度钢（AHSS）也是如此。世界钢铁协会（WSA）表示，AHSS占新车体的60%，与传统钢材相比可减轻25%～39%的质量。铝的质量小于AHSS，但强度较弱且更昂贵。麻省理工学院2007年的一项研究表明，铝结构的价格要贵60%～80%。那时铝价为每千克2.71美元。

在比较环境友好指数时，AHSS似乎在排放方面更具优势。WSA的生命周期评估模型发现，AHSS最多可减少2995千克二氧化碳，而铝则为1497千克，虽然铝更轻一些。这种减少相当于每年节省大约三分之一的气体排放。当然，这并不意味着铝不是一个可行的选择。

“对铝进行回收利用的能量是将其从地下运出的能量的十分之一，并且来源充足。”彼得森说。

他提到了在克尔维特中使用的镁，作为一种崭露头角的金属，镁的成本为每千克4.67美元，但质量可减轻60%。

利用这些金属以及塑料和碳纤维的完美组合，将是LIFT的真正解决方案。他们首先组合一系列预期材料，以创造最佳的强度、安全性和燃油经济性。然后，他们必须确保不同的金属不会产生负面的相互作用。陶布说，如果水进入两种不同的金属之间，就会发生电偶腐蚀。20世纪80年代的自由女神像发生过这种情况，当绝缘失效后，它的铜外壳和锻铁支撑件发生了接触，以至于需要使用不锈钢支撑进行大规模修复。LIFT发现，在多金属部件上增加一个特殊涂层就足够了。

MMTC表示，克尔维特的框架将由密歇根州的一家小批量生产商进行商业化，使用结构黏合剂进行连续粘合，其弯曲硬度增加450%，更容易制造，并且只需要廉价的工具和最少的劳动力。

高（碳）纤维方案

先进复合材料制造创新研究所（IACMI）扩充研究设施主任雷•鲍因曼说：“碳纤维具有最佳的轻量化潜力，但需要大量能源。” IACMI位于底特律，专注于碳纤维的可行性研究。

碳纤维比碳钢轻55%，强度却可以提高10倍，但限制因素是成本。尽管价格可能高达每千克1222美元，但航空航天制造商最看重其性能。空客A350 XWB客机总质量的一半使用的就是CFRP。一级方程式赛车对性能的考虑远超过费用，也在很大程度上依赖于该材料。

IACMI车辆技术应用领域的主管劳伦斯•达泽尔说，新的低成本碳纤维价格降至了每千克11美元。达泽尔和他的团队现在正在研究如何实现汽车行业所需的高产出。波音或空中客车公司可能需要几个小时来制造一个零件，将来的目标是90秒制造一个碳纤维升降门或发动机罩。

首先，必须制造一个模具，操作员根据形状和承载将纤维设置为正确的几何结构，以获得最大的承载力。然后他们闭合模具，并高速注入环氧树脂。

生产时间限制了宝马汽车的碳纤维增强复合材料的使用。宝马i3和i8混合动力跑车是用碳纤维增强复合材料制造的，3.78L燃油可以行驶122千米。但在德国丁格尔芬生产的新款宝马iNext电动汽车，将恢复使用金属框架，只在关键部位加入碳纤维增强复合材料。

鲍因曼说：“汽车公司总是希望削减成本，因为不需要那么高的性能。汽车公司采用了一些改进的轻型航空航天系统，并算清楚了如何降低成本。”

“研究与市场”网站预测，2023年碳纤维工业的价值约为61亿美元，是2017年价值的两倍多，而且未来可能达到数千亿美元。但是，要想实现广泛应用，汽车行业将需要技术劳动力的巨大升级，使他们学会碳纤维操作。

达泽尔说：“必须拓宽对从事相关制造的人员的教育。传统上，你只需拿起金属板，将其放入冲压机，打开并取出零件。对于复合材料，你需要关注纤维的排列方式、热固性系统、温度以及材料暴露在该温度下的时间，以达到你想要的性能。”

新一代设计

根据国际能源机构的数据，到2030年电动汽车市场将达到1.25～2.2亿美元，这主要是由于对人为气候变化的担忧日益加剧。

“气候变化是真实存在的。”通用汽车首席执行官玛丽•巴拉在2018年5月份写道，“我们认识到运输部门在其中扮演着一定的角色，我们必须成为解决方案的一部分。在通用汽车公司，我们认真对待这一挑战。它是我们零碰撞、零排放和零拥堵未来战略的驱动力。”

这也是通用汽车最近宣布重组的原因，该重组将裁减8100名员工，并可能在北美关闭5家工厂。到2023年，通用汽车希望拥有20款电动或燃料电池动力汽车。

通过这种范式转变，通用汽车也在重新思考其产品的每一部分，抛弃所有先入为主的设计概念。

为什么安全带支架要做成这个样子？这是因为加工的要求。但是，如果通过增材制造来进行加工又如何呢？

通用汽车开始采用的一项革命性新方法是欧特克公司的生成设计软件。这是一种工程软件工具，它使用人工智能和云计算，根据物理要求显示数十种到数百种可能的模型。通用汽车附加物设计与制造总监凯文•奎恩解释说，对于一个支架，它必须具有一定的长度并支撑特定负载，但人工智能知道3D打印机可以创建任何形状，无论设计是多么得异想天开，因此它排除了仅针对制造过程进行次优化的材料。

奎恩说：“通过生成式设计，让你从那些限制中解脱出来。它开辟了一整套新的轻量化机会，这是我们基于任何其他方式的设计所无法做出的。”

最终改进的安全带支架是一个不锈钢支架，看起来更像人的膝盖，以韧带支撑，更加柔滑，而不是由8个焊接件组成的坚固的方形。新版本的支架质量减轻了40%，强度增加了20%。

陶布说，这种生成式设计方法甚至可以应用于材料本身。

安全带支架采用欧特克的生成式设计制成

它涉及材料基因组计划，这是一项于2011年开始的政府内部工作，旨在以“很小的成本”在制造业中部署先进材料。

陶布说：“它相当于修饰DNA，但我们修改的是金属制造过程，以使我们得到正确的晶体结构。”

他将这种方法称为“从原子到汽车”。它类似于用CRISPR基因编辑技术修饰DNA，但具有原子级别的元素，由更强大的超级计算提供支持。这将使生成式设计达到新的水平，不过需要特定的材料支持。

“我们优化了这些阶段的形式和分布。我们现在不是通过爱迪生的试错法来实现，而是使用量子力学计算工具来确定如何添加正确的材料以及如何处理它们。”陶布解释道，“我们可以在极短时间内制造和评估20种材料组合。”

考虑到所有这些因素，下一代汽车设计师理论上可以输入一个制动系统的简单工程和成本参数。他们的人工智能程序可以根据混合钛或铝的多少，形成数千种合金选项，或者决定碳纤维的工作形式。