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HOW 奇心:电动汽车是全铝好还是钢铝混合好?

时间: 2018年11月08日 来源: 大吉X 42号车库 关键词: 全铝电动汽车 钢铝混合电动汽车

核心提示:恭喜看到标题进来的各位朋友。全铝好还是钢铝混合好,我先不告诉你答案。我特地跑了澳门一趟,花了几个小时的时间和孙博士交流。孙博士告诉我一句话,材料选择没有对错。 失望了吗?不要心急,成年人不看对错,而是看材料选择的几个层次。 孙黎博士 孙博士,是本...

恭喜看到标题进来的各位朋友。全铝好还是钢铝混合好,我先不告诉你答案。我特地跑了澳门一趟,花了几个小时的时间和孙博士交流。孙博士告诉我一句话,材料选择没有对错。

失望了吗?不要心急,成年人不看对错,而是看材料选择的几个层次。

孙黎博士

孙黎博士

孙博士,是本期话题讨论的嘉宾,美国俄亥俄州立大学机械工程系博士,曾就职于福特和通用汽车,目前担任爱驰汽车的首席轻量化专家。

和孙博士交流很有意思,深入浅出,金句频出。

你能想象一个人用“新鲜有活力”这样的词汇来形容钢吗?为什么这么说,我们稍后揭晓。

在某搜索引擎搜索“全铝钢铝混合”关键词,可以得到 1380 万个结果。

排在最前列的就是特斯拉 Model 3 不再采用全铝,而使用了钢铝混合车身。当然,你肯定也会想到,最早在量产车上应用全铝车身的奥迪,紧随其后的捷豹,以及最近正处于风口浪尖上的蔚来。

问题的焦点既有把技术推到极致的工程极客精神,也有注重成本和易用性的理性回归。在燃油车身上,我们看到了曾经的一股推动全铝、碳纤维这样的新材料应用的热情,也在产品上看到了大家走向极致之后回归的反思。

这一切首当其冲应当是因为车身轻量化的趋势。当燃油车逐渐理性的同时,背负着巨大电池的电动车又一次面临轻量化的难题。在电池能量密度尚未得到重大突破时,车身在整车轻量化命题上扛起了颇为重要的责任。

我在澳门举行的第二届中国车身大会现场,就看到了奔驰新 A-Class、宝马全新 3 系和奥迪全新 A7 白车身,以及爱驰汽车首次展出的上钢下铝的白车身。

爱驰汽车首次展出的上钢下铝的白车身

爱驰汽车首次展出的上钢下铝的白车身

用钢铝混合车身的电动车厂,似乎想用实际行动说明,哪怕没有用全铝,钢铝混合的使用也并不拖累电动车的整体车重和性能。就比如特斯拉推出价位更低的 Model 3 时,一方面将该级别的电动车重推到极致,另一方面考虑到更多普通用户的日常维护成本。日产聆风在换代时,甚至车身加重少许,而在其他部分减重更多而同样达到整车减重的效果。

但结论就此而已了吗?并不是。接下来会从最简单的概念讲起,目测有不下十个专业名词。

白车身

第一个是白车身。在谈用铝和用钢之前,先要明确一下,我们在这篇内容中主要谈的是白车身上的用料。

爱驰的白车身结构

爱驰的白车身结构

在维基百科中的定义,白车身(Body in white)代表的是汽车生产制造过程中,使用焊接、铆接、铆钉、胶接、激光钎焊等技术,将车身零部件连接到一起的阶段。我们在谈汽车四大工艺时,白车身处于冲压、焊接(车身)、涂装、中装等四大工艺中的第二个阶段,也就是完成焊装(车身连接)而未进行涂装的车身。

爱驰汽车联合创始人兼总裁付强提到一句话,一直以来,车身、底盘、动力系统三大模块的先进技术是中国汽车工业与国际领先品牌之间所无法逾越的鸿沟。

底盘和动力系统,研究的人比较多,谈车身的人少,然而车身确实关系到车企正向研发的核心技术能力。研究白车身,既要考虑动力系统等零配件的安装,线束的布置,还要考虑乘客的空间和舒适性。而整车的安全结构也完全倚赖于白车身的架构。

从白车身的材料谈起,在历史上有两个节点。

第一个节点是钢板的大量应用,这也是白车身最早的开端。亨利·福特从 Model T 开始,用流水线生产汽车,同时给工人加工资,让工人买得起自己生产的汽车。汽车成了工业化产品之后,钢板也得到了大量使用,白车身从非承载式车身转变到了承载式车身。

第二个节点就是铝合金车身的应用。奥迪是第一个成功把全铝做成产业化的厂家,最早在奥迪 A8 上应用。孙博士提到,这是把技术推到极致的典型代表。

梳理完这个基础知识,我们就好往下聊了。

钢和铝

第二个要谈的概念是钢和铝。还记得说钢很有活力的孙博士吗?他还用了一个形容,钢一点也不 low。

这是因为钢有相变。所以钢的可玩性很大,创新东西很多。比如曾经在实验室呆过不短时间的孙博士说,实验室里有非常多好玩的,奇妙的变形钢体。这算不算第一次为钢正名。

反观铝板并没有那么多的进步,因为铝就是一个强化模式,简单,变化少,主要常见的就是 5 系铝、6 系铝和 7 系温成型铝。

孙博士说,所有的材料都在不断进步。随着材料的进步,如何选择材料是一个动态的问题。车身发展不是一个线性的关系,全铝车身的出现也不是对全钢车身的一次飞跃。

当评判钢和铝哪个更好时,要注意每个厂商都是在自己的框架下,基于自己的车辆定位、供应商技术、研发历史甚至是专利等条件下来造车,不同的材料对应的是不同的策略。

谈到爱驰自己的作品,孙博士提到,爱驰首款定位于纯电动 A+ 级 SUV 的量产车型 U5,使用了上钢下铝的结构,为爱驰首创。

爱驰的白车身结构

爱驰的白车身结构

首创这件事情很重要吗?当然。

孙博士还做了一个有趣的补充,他们看重技术的首创性,而不是唯一性,是希望从汽车产业的角度,能够对行业的发展有所启发和影响。目前就有其他厂家在跟进上钢下铝的结构了。而在谈到全铝车身时,孙博士也多次致敬并欣赏奥迪的首创性。

用了钢铝混合之后,对整车轻量化有什么影响呢?

根据孙博士提供的数据,在 U5 的整车轻量化减重进展中,白车身减重大约 50 kg 左右。铝的下车身结构承担了主要的轻量化职责,同时,可以实现更好的操控性。而上车身使用钢,既有安全性的考虑,也有利于碰撞后更低的维修成本。

爱驰汽车联合创始人兼总裁付强还提到一句话,选择上钢下铝的车身结构,不仅仅是出于工程上的考虑,这背后还有为了维修便利,为了消费者的接受度而做的努力。

强度和刚度

在进一步谈到钢时,必须要说强度和刚度。

因为我们区分不同类型的钢时,常常说某某兆帕的钢,这个指的就是强度。

对此,孙博士的解释是,强度决定了车身的安全性,而刚度则更多地与 NVH 和舒适性相关。

很多人会提到抗拉强度和屈服强度。比较常见的是,美系和德系喜欢用抗拉强度,而日系喜欢用屈服强度。

爱驰对强度的定义

爱驰对强度的定义

爱驰的定义使用的是抗拉强度。抗拉强度小等于 500 兆帕的是传统钢,大于 500 兆帕的是先进高强钢,1500 兆帕的是热成型钢,而 2000 兆帕的则是超高强纳米热成型钢。

红色部分为 2000 兆帕的热成型钢

红色部分为 2000 兆帕的热成型钢

爱驰在 U5 的四个车门防撞梁上,使用了 2000 兆帕的热成型钢。因为碰撞的基本原则就是在驾驶员附近,需要更小的侵入量,所以需要使用更强的材料,这四个防撞梁可以在侧碰的时候起到很好的作用。

这里又要说到有活力的钢这个梗了。2000 兆帕的热成型钢,就是孙博士说的钢上出现的新东西。

为什么原来的车身上不怎么见到 2000 兆帕的热成型钢呢?

孙博士提到了另一个性能,那就是断裂韧性。断裂韧性的性能在于碰撞后抵御裂纹扩展的能力。

传统 2000 兆帕的热成型钢,断裂韧性比较差,使用效果可能还不如使用 1500 兆帕的热成型钢。

为了达到更好的断裂韧性,爱驰在 2000 兆帕的热成型钢中添加了钒的元素,形成了纳米碳化钒的颗粒,最终提高了断裂韧性的表现。另外,增加这道工序也并不需要增加太高的成本。

超强热成型钢的最核心指标是高韧性

超强热成型钢的最核心指标是高韧性

总结一下,三个特点,高强度,高韧性,和低成本。

热成型钢和高强钢是一直存在竞争的关系,用孙博士的话是,热成型钢是一个工程问题,而冷成型钢是一个科学问题。

A 柱和 B 柱上高强钢和热成型钢的使用

A 柱和 B 柱上高强钢和热成型钢的使用

简单解释,高强钢更省钱,强度越高延伸性越差,回弹越大,回弹是科学界一直不好解决的问题。而热成型比冷成型贵,如何降成本,这是一个工程问题。

最早的热成型钢发明在 1980 年,第一个热成型钢的专利产生在瑞典。沃尔沃在早期大量使用了热成型钢,是成就沃尔沃安全品牌的原因之一,这是题外话了。

国内应用热成型钢比较晚,主要是因为成本问题。直到 2011 年左右由于热成型钢的大规模量产,工艺问题得到解决,成本也随之降低。

孙博士预测,2000 兆帕的热成型钢会成为一个应用趋势,在 2019-2020 年更多车型上会出现。

连接

材料谈完了,我们来谈连接。

每个部分的材料部件连接起来,才构成结构。当然,车身结构是设计之初的事情,就比如孙博士提到爱驰的纵横八环笼式车身,都是为了车身的刚度设计。还比如,爱驰使用的真空压铸铝减震塔和扭转盒,也是为了提升车身扭转刚度应用的,通常在豪华车上比较常见。

真空压铸铝减震塔

真空压铸铝减震塔

连接技术是整车轻量化中非常重要的一部分。

我们可以把材料做得非常轻,但最终无法使用的原因往往是连接不上。

连接技术最常见的就是焊接和铆接。

孙博士提到一句话,能用焊接技术的地方,就一定不会用铆接技术。在技术突破上,焊接工艺存在更大的难点。而使用铆接技术,钉子也有重量,也要成本:)

铆接技术通常使用在材料差异比较大的地方。

通过钉子来看连接工艺

通过钉子来看连接工艺

像爱驰这种的上钢下铝车身,就应用了自冲铆 SPR 和热融自攻丝 FDS 技术。爱驰强调,他们还应用了全球首款相同厚度的热成型钢和铝板的 SPR 连接。

首次展出的电池包液冷系统

首次展出的电池包液冷系统

在爱驰自研的电池包设计中,也能看到爱驰对铝材的使用。

可以感受到,这是一家会聪明地使用材料的公司。

前面说过了,当我们谈一家公司怎么用材料的时候,最终还是谈他们用材料的策略。

爱驰的策略,还是尽量以易用的角度,保证车辆基础的安全和操控性能,同时,尽可能地在材料的使用上做到有所创新。

简单说,有追求,同时,也很细腻。

最后总结一下对大家可能有帮助的谈吐小知识:

1、车辆碰撞安全性主要看的是强度。材料强度提高了,厚度可能就会做薄。但以钢板的厚薄来判断一辆车是否安全不可取。

2、能量永远是守恒的,碰撞时车身结构如果没有足够吸能,那能量一定会去其他的地方。完全以日常肉眼可见的溃缩变形程度来判断车辆是否安全,也是不可取的。

3、强度决定了车身的安全性,刚度与车辆的 NVH 和舒适性能相关。

4、焊接能解决的问题就不会用铆接。

5、材料选择没有对错,钢的可玩空间很大,铝的变化较小。

6、非严谨统计,每减 100 kg 车重,续航里程可提升 5%。

7、热成型钢是一个工程问题,而冷成型钢是一个科学问题。

感谢孙博士接受采访。

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责任编辑:huangsilin

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