小车行业需转换思维,行业前进仍面临挑衅
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在材料大作战的过程中,汽车行业的生产模式、供应商模式和组织结构都发生了变化。

作为汽车产业的重要发展方向之一,国内外各大汽车企业从未停止过对轻量化技术的开发和应用。BMW i3作为第一款进入量产的碳纤维车身设计的车辆,成为碳纤维应用于汽车的里程碑项目。但由于目前碳纤维复合材料成本较高,一直没有实现大规模的推广应用。日前,中国首款铝制车身的新能源车型——奇瑞小蚂蚁的上市带来了全新的汽车轻量化生产思路及理念,再一次引发了业内对电动汽车轻量化技术的高度关注。由于通过超级轻量化技术平台打造的“全铝空间架构+全复合材料外覆盖件”,使整车重量比传统车减少了30%到40%,在当前碳纤维复合材料成本居高不下的情况下,给我国电动汽车轻量化的发展开辟了新的途径。

11月26日,中国电动汽车百人会召开第七次电动汽车热点问题研讨会,议题为“电动汽车的轻量化”。来自政府、行业学会、高校和企业的100余名嘉宾参与了讨论,中国电动汽车百人会理事长陈清泰对研讨会进行了总结发言。车云菌将会议核心信息整理如下。

目前,国内外在轻量化材料、整车设计、制造工艺等方面的研究和应用已取得突破性进展。然而,轻量化技术颠覆了传统汽车的制造工艺,带来整个产业的变革,使行业的发展仍面临一系列新问题,如轻量化评价及测试标准尚未完善、产业间缺乏融合、新型材料成本较高、固有开发模式尚未突破等。因此,亟需企业调整思路,面临行业变革所带来的挑战。

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电动汽车轻量化技术取得突破性进展

汽车轻量化的意义

实现汽车轻量化的主要途径有三种:一是使用轻量化材料;二是优化结构设计;三是采用先进的制造工艺。国内外车企纷纷从这几方面入手,推动电动汽车轻量化发展,并取得了一定成绩。

从市场、汽车设计的角度,也许需要的是一个大车,一个豪华车,但是清华大学教授周青表示,从技术和汽车工程的角度,小型化和轻量化才有意义。轻量化不仅可以帮助节能减排,而且能提升车辆使用效率和行车安全。

  1. 应用碳纤维复合材料减重显著

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高强度钢和铝合金都可以在一定程度上实现车身减重,而汽车用工程塑料和复合材料则对车体的减重最为明显,由此成为汽车轻量化的首选用材。发达国家已将汽车用塑料量的多少作为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志。2015年,我国车用塑料的用量已经达到1046万吨,而且呈逐年上升的趋势。

△清华大学教授周青

复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点。在复合材料中,碳纤维复合材料的应用一直备受瞩目。选用碳纤维增强复合材料制作结构件、覆盖件,可减轻质量达30%左右,对于比燃油车更需要轻量化的新能源汽车,碳纤维增强复合材料有更大的应用潜力,在未来汽车轻量化中将会起到举足轻重的作用。宝马i3在碳纤维复合材料的应用方面取得了令人瞩目的成绩,是第一款实现量产的采用碳纤维车身设计的车辆,其整备质量仅为1224kg,比设计之初减轻了250-350kg,很大程度上弥补了电池增加的重量。

汽车轻量化与节能减排存在直接关联。根据相关政策,到2020年,车企平均油耗必须降低到每百公里5升。工业和信息部原材料工业司副司长潘爱华介绍,统计估测,汽车整车重量减少10%,就能节油6%到8%,油耗能够下降每百公里0.3到0.6升,氧化碳排放降低5~8克。

  1. 全新制造工艺减少零部件数量

而对于新能源汽车而言,因为净增电池重量达到了300Kg以上,因此轻量化更是必不可少的课题。周青表示,目前电动车电池能量密度提高困难,直到电池或者储能装置可以达到今天汽油,氢燃料的能量密度,才可能比较任意地按照今天的原理设计汽车。所以我们必须在现有电池能量密度的情况下,把车设计得更小更轻,从而增加电动车的续航里程,提升它的能量利用率。

碳纤维的应用将会带来一场革命,其原因在于碳纤维在汽车上的应用改变了传统汽车的设计思想、开发流程及制造工艺。碳纤维材料是可设计的,其零件工艺是多样化的,未来碳纤维应用于汽车没有标准化的材料,整个车和零件的开发过程就是材料开发过程,也是工艺开发过程。

一个明显的现象是,目前路上家用汽车的空间利用率仍然很低。行车时只有一名乘员,大部分时间车辆被闲置在停车场,从这个角度来看,更小更轻的车更加能满足使用效率。

铝型材的三维弯曲、钢铝焊接以及碳纤维零件的成型是目前面临的全新工艺。采用新工艺可大大减少零部件使用数量,实现轻量化目标。其中,碳纤维总成的方式已取得突破性进展。在兰博基尼Sesto Elemento的项目中,将前围、地板、后围集成为一个整体式座舱,取代了传统结构的48个零件,把零件分为4—6大片,成型之后直接粘接,工艺简单,减重效果突出。整备质量在加注燃料和其它液体之前只有960 公斤。

从安全角度来看,轻量化和小型化可以令车更加安全。2000年前后美国联邦政府交通部研究的一个结论显示,如果能够降低道路车辆的平均重量,能减少道路净伤亡。并且随着主动安全越来越发达,又小又轻的车更容易控制,在与行人和自行车碰撞时,造成的伤害也会降低。

  1. 结构优化提高材料利用率

汽车轻量化的三个途径

汽车车身结构轻量化采用结构优化设计方法,可以在保证车身结构性能要求的前提下,提高材料的利用率,减少冗余的材料,而达到车身结构轻量化的目的,结构优化主要包括尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化。

汽车轻量化有三个途径,一个是结构设计的优化,一个是使用轻量化材料,还有一个是轻量化材料的成型技术。

拓扑优化作为结构优化的一种,不同于车辆构件的尺寸优化和形状优化,是对布局和节点联接关系进行优化,使结构的某种性能指标达到最优化。汽车厂在新车开发时,公司决策层会给出一个整车定义,包括车多大多重,涉及到成本控制,同时希望车达到什么性能。拓扑优化能够在给定设计空间,给定设计重量、设计性能的约束下,迅速得到一个布局和节点联接基本判断,为设计人员提供结构质量最轻、性能最优的力学传递路径方案。

1.结构设计优化

目前,湖南大学已经用拓扑优化的办法对电动汽车的骨架进行优化。基于拓扑优化方法的轻量化策略相比常规轻量化方法可节约30天左右的开发时间、多减重22.4kg,同时还可以不同程度的提升整车性能。拓扑优化的方法已在电动汽车全铝车身的轻量化上已经实现了成功的探索。湖南大学研制的第二代样车实现了比第一代纯电动汽车整备质量减重18.5%,白车身骨架质量由120kg减为90kg,减超过20%,实现了通过车身减重来降低电池成本的目标。此外,湖南大学利用拓扑优化的方法通过五轮迭代,将电池包的结构和整车结构结合在一起,可将电池直接装在车体本身。

在电动车轻量化的谈论中,如何围绕电池减重是一个被多次提到的话题。电池组在车里相当大的部件,空间和重量都很大,设计结构时一定会关注电池的排布。同时根据碰撞时受到什么样的工况,以此评估电池风险。安全和减重是结构设计时需要平衡的天平两端。

电动汽车的轻量化不能仅仅追求材料、制造工艺或结构设计的某一方面,而是需要三者互相结合、互相制约,需要根据实际情况平衡各方面的关系,以便最大程度的实现车辆的轻量化。如奇瑞新能源汽车eQ1在产品设计上,采用了更加适应电动车的全新的架构设计、平台化的整车及系统设计以及高安全性设计。生产工艺及制造方面将传统的汽车制造四大工艺过程简化为焊接和总装并大量采用了线下分装和模块化供货,缩短了流水线的长度。创造性的提出了全铝骨架车身平台的共享理念。

周青提出,电动车电池的安全设计目标是不着火,而不是不变形。为了不让电池变形,只能增加很多结构和材料。电池本身可以承受一定的冲击和变形,设计时主要应该考虑电池的碰撞失效和内部短路会存在起火风险。

我国电动汽车轻量化道路仍面临阻碍

这个思路与人体碰撞保护类似,任何法规在设计车的人体碰撞保护时,都不是要满足给定的工况下不许受伤,而是再给定工况下产生一个可接受的受伤,尽量不要产生终身残疾。因此,研究需要找出电池的碰撞损伤准则和容限,在起火前能承受的最大变形和最大冲击。

我国轻量化技术的发展起步较晚,缺乏经验,与国外先进水平有较大差距,发展电动汽车轻量化仍面临阻碍。

拓扑优化是结构优化的一种,不同于车辆构件的尺寸优化和形状优化,是对布局和节点联接关系进行优化,使结构的某种性能指标达到最优化。

  1. 轻量化技术标准体系缺失,发展目标尚不明确

汽车厂在新车开发时,公司决策层会给出一个整车定义,包括车多大多重,涉及到成本控制,同时希望车达到什么性能。拓扑优化能够在给定设计空间,给定设计重量,给定设计性能的约束下,迅速得到一个布局和节点联接基本判断,为设计人员提供结构质量最轻、性能最优的力学传递路径方案。

目前,我国还没有完整的汽车塑料零部件技术和产品标准,包括技术方面的测试标准以及轻量化技术的完整评价系统尚未完善,需要经过大量的数据积累来形成指导行业的统一标准。

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从国际上看,美、日、欧都有轻量化明确的发展指标和路线。以美国整车轻量化的发展目标为例:2020年要在2013年的基础上降重20%,2025年降重30%,该目标还对整个组成系统各部分的减重指标提出了要求,要求整个车身系统减重35%,底盘减重25%,动力总承减重15%。说明该目标非常细致的研究了轻量化实现的路径,对我国汽车轻量化相关标准的制定有一定的借鉴作用。

湖南大学教授成艾国

  1. 产业融合缺乏,产业链尚未建立

据湖南大学教授成艾国介绍,湖南大学已经用拓扑优化的办法对电动汽车的骨架进行优化。基于拓扑优化方法的轻量化策略相比常规轻量化方法可节约30天开发时间、多减重22.4kg,同时还可以不同程度的提升整车性能。

轻量化技术需要运用多学科交叉融合所形成的的综合性、系统性知识,实现跨产业协同,但我国汽车企业与材料企业的融合仍十分缺乏。目前,国外主要车企均与材料企业形成紧密的战略合作关系,跨国公司也已形成“碳纤维复合材料+零部件供应商+主机厂”的产业化布局。

2.轻量化材料

碳纤维和新能源汽车的融合将带来新一轮的革命,如果自主品牌不提早进行布局很可能在这一轮新的革命中被甩开。各跨国汽车集团的材料标准和制品性能标准自成体系,国内供应商实质上很难进入跨国汽车集团的供应链。目前,铝合金、碳纤维等材料供应链在国内也较为稀缺。对于汽车轻量化而言,加快建立起涉及“先进材料研发-原材料生产-零部件制造-整车集成应用-回收再利用”等全产业链的需求迫在眉睫。

目前轻量化材料主要有复合材料、铝镁合金、高强钢和陶瓷材料。

  1. 材料和加工成本高,新型材料应用有限

钢铁材料是汽车生产的主要材质,在同等的强度条件下,如果采用高强度钢就可以最大限度的减轻钢板的厚度,达到减轻车身自重的目的。目前高强钢主要应用在汽车的安全件、底盘和车身等方面。

目前车用轻量化新材料的成本普遍都偏高,国内每吨铝合金的材料成本达4.5万左右,碳纤维的材料成本则每吨高达80万左右,让很多中低端车型在碳纤维的使用上望而却步。此外,材料的加工成本控制难度大,特别是碳纤维复合材料,由于目前国内技术尚未达到一定水平,加工效率低,导致成本进一步增加。对于企业来说,采用新型轻量化材料意味着传统生产设备的改造,四大工艺中冲压、焊接、涂装生产线基本都需要面临着大幅改造或者重建,需要投入大量人力及财力,增加了轻量化材料的推广难度。

铝合金减重效果多于钢铁,汽车使用一公斤铝合金等于2.25公斤的钢铁,铝合金和钢铁材料相比,热导率高、耐腐蚀性好、加工性能等优良等优点,但强度不如高强钢。

  1. 固有开发思维难突破

工程塑料和复合材料是汽车轻量化的首选用材。

汽车轻量化给国内汽车企业带来四大方面的挑战:产品结构创新、新材料应用、新工艺的创新以及整个开发流程的变革。特别是碳纤维的应用改变了传统汽车的设计,开发流程、设计思想以及制造工艺。在实践过程中,大多数企业难以突破固有思维模式,甚至以钣金车体的思维来套用碳纤维的应用。此外,轻量化要求更多的创新思维,例如传统的副车驾有八到十个零件,如果将包边儿的概念用到副车驾上,零件数量则大大减少,焊接越少则强度越高。这不仅是新工艺的问题,而需要通过工艺创新的思维来解决。

一般塑料的比重0.9-1.5%。在复合材料中,碳纤维材料具有密度低、强度高、耐腐蚀、耐高温等特性被寄予厚望。发达国家已经把汽车用塑料量的多少作为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志。

  1. 人才短缺,技术研发能力不足

汽车复合材料的发展结合了化工、机械制造和汽车复合材料设计等多学科的技术,它主要集中应用在汽车底盘、车身覆盖件和次结构部件三个领域。许多企业的T700、T800和T1000碳纤维产品达到了一千吨以上的产能,并且将碳纤维材料在汽车上的应用作为主攻方向。

轻量化技术的发展需要既懂材料又懂汽车的跨学科人才,目前由于缺乏交叉学科人才,材料、工艺、整车厂之间互不了解,厂商与科研团队之间沟通不畅,产、学、研结合程度不紧密,没有合理分工,基础性研究和技术开发研究有机衔接不够,严重阻碍了轻量化进程。

3.轻量化材料的成型技术

对我国发展电动汽车轻量化的建议

采用新工艺可大大减少零部件使用数量,实现轻量化目标。意大利APS技术有限公司总裁王嘉介绍,铝型材的三维弯曲、钢铝焊接以及碳纤维零件的成型是目前面临的全新工艺。

1.建立标准体系

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零部件生产技术及产品标准的缺失会导致企业没有明确的研发、生产目标及规范,不利于行业持久健康的发展。目前应尽快建立我国自身的材料认证体系,进行材料的性能检测、应用验证、技术稳定性与安全可靠性评价等。

意大利APS技术有限公司总裁王嘉

2.加强各领域结合,尽快建立产业链

其中,碳纤维总成的方式已取得突破性进展,在兰博基尼Sesto Elemento的项目中,将前围、地板、后围集成为一个整体式座舱,取代了传统结构的48个零件,而是把零件分为4—6大片,成型之后直接粘接,工艺简单,但减重效果突出。整备质量在加注燃料和其它液体前只有960 公斤。王嘉认为,2020年之后,热塑成型碳纤维将越来越普及,钢板被大量替代。

轻量化技术的发展应是各相关领域相互协调、相互配合,要鼓励产业链上下游合作,组建产业联盟,支持汽车工业与国内材料行业之间深入交流,实现强强联合,让一部分性能稳定、品质过硬的国产材料优先进入汽车产业链。

国内外汽车轻量化发展情况

  1. 调整固有模式,广泛利用资源

在汽车轻量化方面,国内与国外企业相比,还存有不少差距。

汽车电动化颠覆了传统内燃机,而轻量化则又颠覆了整个车身,由此带来设计、工艺、装备的变革,原有的技术存量将逐渐被淘汰。企业当前应直面科技革命和产业重构带来的影响,调整生产平台及开发模式,利用广泛的国际资源来实现目标,建立新兴组织结构模式。在新的变革中,原料供应商将变成部件供应商,随之而来的还有回收再利用的问题,以及零部件成本降低带来的整车厂建设投资等一系列的改变。

德国在汽车轻量化方面处于领先低位,主要受益于工业结构。德国第一大工业是汽车,第二是机械制造,第三是化工,化工和机械制造比重相仿,这样的工业结构使得他们在汽车轻量化应用方面,能够从材料加工技术和整车方面能够有很好的融合。

  1. 培养跨行业人才,提高创新意识

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目前我国汽车轻量化领域跨学科人才缺乏,导致技术研发能力薄弱,应加强跨学科人才的培养,建立“外培项目”,提前储备交叉学科人才。此外,面对产业的变革,研发人员需突破旧有的思维模式和研发思路,提高创新意识,以适应产业变革的需要。

工业和信息化部原材料工业司副司长潘爱华

工业和信息化部原材料工业司副司长潘爱华指出,我国在轻量化研究上与发达国家存在5个方面的差距:

第一,材料行业本身。我国材料品种、数量、性能与国外还有很大差距。

第二,国内汽车行业。特别是合资品牌有自成体系的供应商链,国产材料企业进入非常困难,导致国内材料企业明显滞后于汽车产业发展。

第三,材料和加工成本控制难度大。碳纤维这样的复合材料,本身成本可能不是贵得多么离谱,但是由于加工效率低,导致了对汽车部件和汽车厂来说成本增加很大。

第四,标准缺失。我国还没有完整的汽车塑料零部件技术和产品标准,包括技术方面的测试标准,还存在缺失。

第五,国内汽车企业和材料企业的融合不够。

汽车轻量化带来哪些变化?

一种生产模式的变化。奇瑞新能源汽车技术有限公司副总经理、研究院院长倪绍勇在分享时介绍,公司在做轻量化产品时,认为不是局限在做一个车,而是一个全新的架构,从根本上把传统车的对于新能源来说不好的地方去除掉,充分体现电动化、新材料和新技术的特点。

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奇瑞新能源汽车技术有限公司副总经理、研究院院长倪绍勇

奇瑞的S51车型是首个大批量生产的全铝车身架构汽车产品,重量比传统车减重30%到40%。采用共享的技术平台,采用首款全铝车身,改变了整体布置,采用技术创新,如断面设计,3D的弯曲,激光焊接等,和传统的车身制造、设计制造有很大不同。

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汽车工程学会副秘书长张宁

一种供应模式的变化。汽车工程学会副秘书长张宁指出,在轻量化技术的逐渐发展中,原材料供应商变成了部件供应商。

例如碳纤维在汽车上的应用改变了传统汽车的设计,开发流程、设计思想以及制造工艺,其根本原因在于碳纤维材料是可设计的,比如用长纤维还是短纤维等等。未来碳纤维应用于汽车没有标准化的材料,整个车和零部件的开发过程就是材料开发过程。

一种组织结构的变化。单从车企来看,轻量化带来了生产平台和开发模式的调整,汽车厂不可能把所有的资源都变成自己的员工,一定要利用国际资源,利用广泛社会资源来实现目的。

轻量化的问题很复杂,因此需要跨产业协同及产学研合作方面。目前这方面仍然存在不足。例如,现在理论上已经找到大幅提高碳纤维性能,使原有成本降低三分之一的方法,但是由于缺乏交叉学科人才,厂商与科研团队之间沟通不畅,严重阻碍了轻量化进程。

如何推动汽车轻量化发展?

潘爱华在总结推动汽车轻量化发展时提到了四点:

第一,组织行业协会、企业和专家尽快建立中国汽车工业塑料材料的标准体系,并建立材料自身的材料论证体系,进行材料的性能检测、应用验证、技术稳定性、安全可靠性评价等等。

第二,鼓励产业链上下游合作组建产业联盟,支持汽车工业与国内塑料行业之间深入交流,实现强强联合,突破国产改性塑料进入汽车整车及关键零部件市场瓶颈,让一部分性能稳定、品质过硬的国产材料优先进入汽车产业链。

第三,通过强基工程、智能制造工程、绿色制造工程等专项支持建立汽车材料应用评价公共服务平台,以及汽车材料生产制造技术的产业化。

第四,推动电动汽车行业和化工行业的骨干企业,联合成立一个轻量化新材料的产业基金,聚集更多的社会力量来推动汽车轻量化。

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