汽车车身铝合金的应用与设计

放大  缩小 日期:2020-05-12     来源:知乎    作者:中国汽车材料网    评论:0       [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
核心提示:汽车轻量化与汽车用铝合金材料    汽车每减少10%的重量,可以大概减少6-8%的能耗(更节能)、减少5%制动距离(更安全)、减少8%加速时间(更高性能)。所谓轻量化,就是保证碰撞安全性能的前提下,从结构优化、轻质材
汽车轻量化与汽车用铝合金材料
  
  【汽车用铝合金】汽车每减少10%的重量,可以大概减少6-8%的能耗(更节能)、减少5%制动距离(更安全)、减少8%加速时间(更高性能)。所谓轻量化,就是保证碰撞安全性能的前提下,从结构优化、轻质材料、成型工艺、连接技术等4个方面来降低整车重量。也就是说,采用汽车用铝合金等轻质材料,只是轻量化系统工程的其中一环,而不是全部。当然,这4个环节并不是同等重要的,业内正在经历着从早年“材料是基础、设计是龙头、工艺是纽带”技术路线,向“以新材料应用为导向,解决新材料应用过程中出现的设计和工艺问题”的转变。也就是说,“轻质材料”是轻量化4个环节中最重要的一个。而汽车用铝合金作为工业常见金属材料,密度是钢的1/3,同时具有较高的比强度、很好的挤压性、很强的耐腐蚀性和高度的可回收性,是轻质材料的绝佳选择(钛合金与镁合金暂不讨论)。因此,说起轻量化必谈全铝车身,也就不足为奇了。
  
  既然铝合金这么好,奥迪早在20年前就将全铝车身应用在量产豪华车型A8上。回到国内自主品牌,直到2012年的上汽荣威950才在铝机盖、前后防撞梁上有少量的应用,足足晚了20年。自主品牌大多走的是铝盖+防撞梁→铝覆盖件→全铝车身的技术路线,甚至直到今天大多还是第一步。这是为什么呢?


        除成本因素外,应用全铝车身是否还存在其他难点呢?
 
全铝车身的应用难点
  
  那么全铝车身的应用难点呢 —— 如果汽车用铝合金不要钱、随便用,是不是就一定能用出好效果呢?深入研究之后,我发现并非如此。除成本之外,全铝车身的应用还存在三大难点:材料特性认知、成型工艺与连接技术。
  
  第一点,材料特性认知不足
  
  根据日本的JISH4000标准,铝合金材料按1000-7000分成七大类,也就是常说的5系铝、6系铝、7系铝等。不同的汽车用铝合金特性差异很大,适合用在不同的位置。咱们以宝马新X5为例:
汽车用铝合金
宝马新X5使用了多种铝合金材料
  • 5000系是铝镁合金(图中的AlMg3、AlMg4等),固溶于铝基体中,形成固溶强化效应,是一种热处理不可强化的铝合金,具有良好的腐蚀性和焊接性能。通常应用于强度要求不高,形状复杂,对外观品质要求较低的覆盖件内板、空气清洁罩、挡泥板、承载地板,其中5038与5183两个型号的应用最广泛。
  • 6000系是铝镁硅合金(上图中的AlMgSi、AlMg0.4Si1.2等),具有较高的强度、较好的塑性和优良的耐腐蚀性,是最主流的车用铝全金材料,通用应用于顶盖、行李箱盖、车门等车身结构件。
  • 7000系合金以锌为主,有时要添加少量镁、铜。拥有媲美钢材的硬度、焊接性能好,可热处理强化。主要应用于航空航天,说是“航空铝合金”,倒是一点也没吹牛。
  如果采用传统的高强度钢作为车身的主要材料,那么主机厂可以通过供应商、招聘员工、历史资料等多种渠道来获得技术知识,加快车身的研发进程、缩短研发周期。那如果采用全铝车身呢?对给主机厂带来巨大的难题:国内汽车用铝合金材料的供应商比较少、经验不足;初创企业没有历史资料;国内也很难招聘到全铝车身技术专家。更不用说,蔚来ES8车型上的铝合金用量高达96%,超过奥迪A8成为历史新高;为了实现335kg的车身轻量化目标,航空7系铝也是第一次应用在汽车上,它的材料特性表现如何,谁也没有十足的把握。别说在全铝车身发展较慢的中国了,就是放眼全球,蔚来ES8的全铝车身设计也是一个难题。
汽车用铝合金
典型铝车身的用铝比例
汽车用铝合金
蔚来全铝架构用铝量高达96.4%
  面对上述难题,蔚来的解决方法是:从基础的材料特性研究做起,来弥补对铝合金的认知缺失。
  
  在安全体验日现场,蔚来整车安全团队负责人PEre Fonts Mestres介绍说:备选材料A与材料B从数值来看均满足要求,但在材料特性试验中,材料A出现断裂、表现不稳定、吸能效率低,而材料B未发生断裂、稳定折叠、吸能充分,因此最终选用了材料B。
 

除了材料特性试验之外,还要针对新材料制成的零部件进行试验
  这些试验便是应用全铝车身的代价。造车新势力的研发流程本来就被缩短,为了应用全铝车身又凭空增加了不少工作量,参与这项工作的工程师们,真的可以说是压力山大。难怪在会后的单独交流中,Pere表示蔚来ES8的全铝车身设计能够保证质量、按时完成,是一项值得骄傲的成就。
  
  第二点,铝合金的成型工艺不同
  
  对全铝车身来说,不仅材料特性是全新的,材料的成型工艺也是全新的。汽车用铝合金的主要成型工艺包括铸造、挤出、冲压。如下图表征了材料的强度与延展性之间的关系,延展性越高,则成型难度越小。我们可以看到,与3代高强度钢材料相比,7系铝的延展性几乎垫底,成型难度很高。
汽车用铝合金

  除了延伸率低、成型时易破裂的成型难题之外,铝合金的回弹性是普通钢板的3倍,回弹不好控制,这就又增加了设计难度(同情蔚来车身工程师)。汽车用铝合金成型工艺上的突破,不仅依赖于蔚来工程师的设计水平提高,对供应商也提出更高的要求。
汽车用铝合金
蔚来后防护枢纽,整车最大单体铝铸件
 
第三点,汽车用铝合金的连接技术
因汽车用铝合金熔点低、热导率高、表面易氧化等特性,钢材料上广泛应用的电阻点焊技术,在铝合金上有时候就不太好用了。为了应用全铝车身,蔚来把主流的铝合金连接技术都用了一遍(如下图)。
汽车用铝合金
       最主要的3种连接方式为自冲铆接(SPR, Self-Piercing Riveting)、热融自攻铆接/流钻螺钉(FDS, Flow Drill Screw)与铝点焊ASW(Al Spot Welding),ES8前期规划的SPR焊枪多达134套,FDS设备多达32套,而ASW设备也接近50套,都是为了全铝车身而投入的白花花银子啊。
汽车用铝合金
SPR连接工艺过程
汽车用铝合金
FDS连接工艺过程
  所以说,应用全铝车身真的不容易,不仅材料特性需要重新试验研究、成型工艺需要重新设计,就连连接工艺也变得复杂很多。讲到这里,文章题目的问题就能回答了:如果全铝材料随便用,车身设计并不会变得更简单,而是会变得更有挑战性。采用全铝车身的蔚来,其实并不是“狂派”,而是和我一样的“博派”。
  
新技术的知识溢出效应
  
  全铝车身应用,只是蔚来整车安全设计的难点之一,其他难点还有:如何安放气囊以实现安全的同时保证女王副驾的空间舒适性、如何保证换电效率的同时保证碰撞安全性、如何设计大侧面安全气帘来加强第三排座椅的保证。为了解决上述难点,蔚来投入了大量的资源与人力进行研发。客观地说,能够从无到有的情况下按时完成全铝车身的设计与量产,在C-NCAP的2018年新规下拿到五星安全成绩,并额外通过了欧标柱碰安全试验、美标80kph尾碰安全试验,成果值得肯定。
  
  蔚来在全铝车身的材料特性、成型工艺、连接工艺上的“激进”投入,从企业自身角度来讲,可能只是为了彰显敢于创新、安全与性能不妥协的品牌形象。而从国内汽车行业的角度来说,蔚来投入的资源最终会转化为工程师的知识,将来有各种机会流入到其他汽车企业,在客观上促进了国内铝制车身的应用与轻量化技术的发展,这便是新技术的知识溢出效应。曾与某个合资品牌的车身设计师交流:“国内的铝制车身工程师多吗,好不好招?” 他回答“目前几乎找不到”。而这一情况,在蔚来践行全铝车身的设计与量产之后,将有所改观。蔚来的黑点再多,在全铝车身的创新这点是没得黑的。麻省理工大学主编的《重塑制造业》一书中,也阐述了这种知识溢出效应:企业的创新常常会促进整个行业的发展[11]。书中举了很多这样的例子,其中一个是:柯达公司所在的纽约州罗切斯特,企业的创新向外溢出,催生了博士伦公司、康宁公司等一群光学/光子公司,进而形成了光学产业集群。
  
  补充:高压系统的碰撞断电功能
  
  大家应该还记得,前一段沸沸扬扬的玛莎拉帝醉驾追尾宝马的事故中,最终导致死亡的原因是碰撞后起火。电动汽车没有油路泄漏起火的问题,但是它有高压电路。若碰撞之后不能及时断掉高压电,则很可能引燃起火、乘员触电,甚至会对救援人员造成人身伤害。因此,电动汽车高压系统的碰撞断电功能,有两个特性特别重要:
  • 可靠性:由于涉及到人身安全,系统可靠性非常重要,一般都要设置冗余控制通路。
  • 实时性:碰撞是电光火石一瞬间的事情,整个碰撞过程以毫秒来计,因此高压系统断电越快越安全;此外,碰撞后汽车控制系统可能也会失效,断电要是慢了,有可能就永远也断不了电了。
  普通的高压系统碰撞断电需要多久呢? 我们来看看论文[12]的传统控制架构:如下图所示,在碰撞传感器侦测到碰撞之后,第1步将信号传给气囊ECU、第2步传给VCU再传给BMS(也可设计为直接传给BMS)、第3步由BMS控制继电器断电(每1步中,可能还要经历接收信号&逻辑判断、发送控制信号两个周期)。若以50ms为一个控制周期,那么从碰撞发生到断电,起码要经历100-300ms的时间。
汽车用铝合金
  蔚来ES8则将高压系统的断电时间缩短至了15ms,响应速度十分惊人,这也是一个从乘员安全角度出发的一个卓有成效的创新。  
  在公开的工程日分享时,负责人Peer未详细透露实现的方法;在会后的私下交流中,Peer透露:此系统为了保证可靠性与实时性,采用了3个控制通路(2个为冗余),响应时间分别是15ms、40ms与400ms。  
  考虑到15ms甚至少于1个CAN总线通讯周期,个人猜测ES8应该是采用了与论文[13]相似的思路:在高压总线上串联一个独立的碰撞传感器与继电器控制装置,绕过CAN总线来实现断电设计,而不仅仅依赖于气囊模组的碰撞传感器信号。

 
 
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