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从化学工业中寻找汽车轻量化解决方案

作者: 来源: 时间:2021-05-17

9月11日,在天津举办的“2014中国国际石油化工大会”——石化创新:助力汽车轻量化与燃料清洁化专题研讨会上,来自石油化工与汽车两大领域的不同专家,通过各自不同的观点提出了汽车产业节能与环保的发展路径,为汽车行业可持续发展提出了多样的解决方案。

在中国石油对外依存度已接近60%的今天,作为世界汽车第一产销大国的中国,在人均普及率还不高的背景下,已经面临环境、交通等一系列问题所带来的严峻约 束。中国汽车工业协会副秘书长李万里提出,加快发展环境友好型汽车产品,加快乘用车节能减排进程和商用车清洁化进程,是我国汽车行业未来发展的战略任务。 为了完成此项可持续发展目标,汽车行业全产业链与包括装备、材料、电子、化工等相关产业的深度融合,是构成现代汽车制造与服务体系的重要内容。

纤维增强塑料是汽车轻量化的主要方向之一

汽车整车的减重,主要可采用结构轻量化设计、材料轻量化、工艺轻量化三种途径来实现。应用不同的非金属复合材料,已经成为汽车产业减重的主要途径之一。

一汽集团技术中心材料部非金属研究室高级专家,中国汽车工程学会汽车非金属材料分会秘书长江梅,从专业的角度提出了汽车轻量化对化工新材料的需求。从全球 新车发展趋势不难看出,因排放与油耗所限,汽车整备质量下降是大势所趋。江梅认为,汽车轻量化材料已经在向高性能、低成本的高强钢、轻合金、纤维增强塑料 的多种材料组合方向发展。

在汽车轻量化所使用的几种主要新型材料中,聚合物基复合材料具有传统单一材料所不能实现的结构与功能的可设计性,根据不同的批量,采用不同聚合物基复合材 料会获得减重及降成本的双重效果。江梅指出,目前热塑性复合材料用于汽车内饰件、外饰件的技术和材料种类已基本成熟,只是根据不同的级别的车型和不同的风 格进行材料种类的调整和选用即可。

从复合材料——碳纤维在汽车传动轴上的应用来看,在厢式车和货车中,用碳纤维传动轴代替金属轴,不仅减轻了重量,而且降低了噪声和振动,并使整体工作更为 平顺。在英国GKN公司用纤维增强塑料制造的传动轴实例中,重量减轻达50%~60%,抗扭性比钢轴大10倍,弯曲刚度大15倍。

对于汽车产业使用新材料的需求与展望,江梅表示,通过多种纤维排布,可获得更高性能的碳纤维复合材料;与其他纤维相比,碳纤维复合材料具有更高的性价比, 因此已经成为汽车深度轻量化中主、次结构件的首选材料。尤其是与航空材料的超高性能需求相比,汽车用碳纤维不需要航空材料那样高的抗撕裂性,有其降成本的 空间,是未来汽车产业寻求性能与成本的最佳交点之一。

从市场化角度看,以低成本的碳纤维材料开发为例,如果以年产纯电动乘用车400万辆和客车100万辆计,仅车身一项对低成本碳纤维的需求量就为75万吨,以目前的单价约80元/公斤来计算,产值为6000万元。

从荣威E50看聚合物复合材料的具体应用

中国工业报记者在采访中了解到,来自德国赢创工业集团的汽车轻量化设计,涵盖轻量化设计、节能减排、照明和表面处理技术等领域,可以提供广泛的解决方案。 赢创功能性聚合物业务部丙烯酸聚合物业务亚太区创新管理总监栾大奇博士介绍,赢创为汽车轻量化设计提供的解决方案中,包括聚合物车窗,用于“三明治”结构 复合材料的超轻结构泡沫芯材与快速固化树脂,用于塑料金属包塑件的粘接剂,以及用于替代金属的高性能材料。

记者注意到,在本届中国国际石油化工大会上,赢创公司展台上的一辆荣威E50电动汽车,展示了该公司产品在帮助汽车节能减排方面的各种应用。比如,荣威 E50所采用的赢创PLEXIGLAS誖宝克力誖材料,能为汽车后窗减重40%~50%。栾大奇介绍,这种带有涂层的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),可以 广泛取代传统的无机玻璃,具有优异的紫外线稳定性和声学性能,可提高整车的附加值。

此外,荣威E50的引擎盖采用了由赢创开发的ROHACELL誖硬质结构泡沫材料。据了解,该材料用作夹层结构的芯材。相比金属引擎盖,夹层结构复合材料 减重效率高达70%。栾大奇表示,为了支持复合材料部件的批量生产,树脂灌注生产工艺中运用了基于VES鄄TAMIN誖固化技术的环氧树脂体系,使成型周 期进一步缩短,从而能够适应批量化生产的要求。

复合材料供应商应与汽车制造商协同开发

福特汽车的一项研究表明,复合材料可以将汽车零部件种类减为原来的8%,加工费用可降低60%,粘结费用相对于焊接可减少25%~40%。例如,复合材料 中的碳纤维复合材料具有质量轻、强度高、设计自由度大、集成性强的优点,在碰撞中的能量吸收能力是钢或铝的4~5倍,正在成为汽车轻量化材料的新宠。

在已知的汽车应用案例中,宝马最新的i3碳纤维车身电动汽车,轴距达2570毫米,汽车总重为1248公斤。由于车身使用了碳纤维材料,比起传统的电动汽 车,其车身重量减轻了250~350公斤。另一款宝马miniE电动汽车,应用了碳纤维车顶,相比钢制车顶,其重量减轻约6公斤,相当于钢制车顶重量的一 半,大幅降低了车辆的重心,车辆动态稳定性更强。

新款梅赛德斯-奔驰SLR迈凯轮跑车上,是全球率先采用碳纤维制成的前端碰撞缓冲构件的量产轿车,车身壳体、车门和发动机罩均由碳纤维复合材料制成,主体结构的重量降低了30%左右。

由于金属材料的解决方案已经完全透明化,相对神秘的碳纤维复合材料在汽车中的应用有什么需要注意的吗?对此,中国复合材料集团有限公司总经理张定金表示, 复合材料不应作为金属材料的简单替代品,重点应建立碳纤维复合材料在汽车上应用的系统解决方案,形成降低全寿命成本的应用理念。此外,碳纤维制造商及复合 材料供应商应与汽车制造商建立战略合作关系,共同开发碳纤维汽车部件。

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