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【轻量化高峰论坛】北汽曹渡:整车轻量化是“牵一发而动全身”的正向设计

2018-07-12 16:20:22 盖世汽车综合
核心提示:7月12日-13日,“2018中国汽车轻量化产业高峰论坛”在上海隆重举行,盖世汽车全程直播,敬请关注。

7月12日-13日,“2018中国汽车轻量化产业高峰论坛”在上海隆重举行,论坛以“新技术、新材料、新工艺“为主题,旨在降低汽车自身重量同时提高输出功率、降低噪声、提升操控性和安全性,并对汽车轻量化政策趋势发展、整车轻量化平台化设计方案、关键零部件轻量化技术开发及汽车轻量化多材料应用及成本控制分析等问题展开探讨。

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北汽股份研究院副院长、总工程师曹渡

北汽股份研究院副院长、总工程师曹渡进行了“汽车轻量化多材料及工艺应用设计分析综述”的主题演讲,曹渡认为:

1、整车轻量化是一发而动全身的正向设计,是各个系统整体的减重而不是某个零部件的减重。

2、轻量化实际上是整车的正向设计,而我国自主品牌现在的产品研发水平仍然处在逆向或者半逆向的水平,制约了整个轻量化的发展。

3、到2025年,铝合金应用以及复合材料的应用会大幅度增加。且在今后10-15年之间,汽车材料工业将迎来大的革命,普通钢、高强钢、聚合物、铝合金、镁等材料的用量将平分秋色。

4、模压是未来的方向,适合于小批量生产,特别是年产1~1.5万辆的新能源车企。

以下是嘉宾演讲实录(有部分删减):

曹渡:各位同事大家早上好!今天跟大家汇报一下汽车轻量化多材料多工艺应用设计的分析,把各种技术方案和材料做一个对比,来看看我们怎么选材,在产品开发中怎么应用。

首先是综述,重要性讲了好多年了,这个不用说了。过去整车产品开发就是质量、节点、成本三大目标,这几年增加了一个目标叫轻量化指标,实际上轻量化指标对整车开发而言是一个挑战,为什么这么说呢?首先,汽车轻量化现在仅仅停留在零部件减重的低级别水平,这显然太过肤浅;第二,面对众多新技术、新材料,主机厂不知道该如何选材用材;第三,新能源汽车的特点以及轻量化工艺材料的变化趋势也是一大问题,稍后会向大家做汇报。

这三年我都把这个例子拿出来说,这个例子说明汽车轻量化不是一个简单的零部件减重,而是顶层正向设计,为什么这么说呢?这个案例从一开始就讲要减重140公斤,你会看到它的纵梁结构大幅度缩减,减重之后载荷和动能见效了,前舱通过结构优化千疮百孔,都是因为这个减重做的,另外整个制动系统也是缩小了。还有一个有趣的,油箱也减了8L,8L油加上材料也就8、9公斤,所有这些归到140公斤里面去,我们看到整车轻量化是一发而动全身的正向设计,是各个系统整体的减重而不是某个零部件的减重,这才是问题的关键。这样的话带来的优点是什么呢?我们看到一开始减重综合油耗降低了1.2L,大家很难想象,130公斤减重油耗顶多降0.3、0.4,怎么会降到1.2L呢。减重以后发动机排量减少了,用了更好优化的1.5DGI,变了发动机排量以后,对发动机汽车动力系统进行重新匹配,这个匹配又降了0.4L,合起来能够让整车减1.2L油的综合效果。

综合起来看,整车的研发减重绝对不是简单的零部件减重,而是整体正向设计的开发。我这两年一直在提这个事,我们国家政府做的轻量化技术路线仍然停滞在零部件轻量化技术路线的水平,并没有一个完整的轻量化技术路线来谈整车的轻量化开发,整体一发而动全身的轻量化技术是没有的。所以希望我们的政府、国家能够在这方面做一些改善。

材料方面,刚刚徐徐总监提到了2005-2015年,现在我讲2015-2025年甚至到2035年材料的变化。这是北美的,我们看到在2025年的时候,预测铝合金应用以及复合材料的应用会大幅度的增加。这个是2015年底我去德国的时候,德国政府委托德国工程师协会做的汽车轻量化盘点的报告,他们把20年后的预测都已经做出来了,有一定的参考意义。可以看到,在今后的10-15年之间,到2035年汽车的材料、用量将是平分秋色,换句话说,普通钢、高强钢、聚合物、铝合金、镁都是20%的应用了,这就是汽车材料工业的大革命。

我们首先要搞清楚轻量化的定义,如果定义不搞清楚工作很难做。汽车轻量化联盟是从德国来的定义,这个定义是我针对汽车的研发自己写的,我觉得有了这个定义才能更加明确我们的设计目标,有了定义我们才知道轻量化的内容,通常来说就注意到了这三个内容,材料的轻量化、结构优化、工艺轻量化,大部分人都是注意到轻量化的这个,按照轻量化的定义是不够的,比如说模块化设计也是轻量化的一种,是符合轻量化定义的。还有就是装配轻量化设计,比方说激光拼焊,把不同密度钢度聚集在一起做轻量化设计,都是很好的。其实我们做的最不好的是这一点,性能目标轻量化,刚才提到底盘,自主品牌现在实际上还处在一种逆向和半逆向的水平,目前还没有谁敢说减了150公斤就敢把底盘的纵梁随意更改的,改改车身,改改内外饰没有问题,要改底盘这种安全件我们还没有这个水平。原因是因为我们对性能目标的制定逆向,制约了整车轻量化的水平。我们都是搞轻量化的,一定要知道国家的水平差距在哪里,轻量化实际上是一个整车正向设计,而我们现在的产品研发水平仍然处在逆向或者半逆向的水平,制约了整个轻量化的发展。

轻量化材料无非是这些,这些材料涉及到了一些工艺,今天来了很多供应商是搞这方面的工艺的。我们说一说优缺点,我说的不一定准,可以会后讨论。首先是高强钢是轻量化技术里面主要的材料和工艺,就是冷冲,我们看到成本优势、效率优势等等实际上固定资产投入也是相当高的,最大的特点就是效率高,月产量达到2万、1万的时候我们可以就要优先考虑这个,缺点就是一次性固定资产投入大,精度有点困难,超过500兆帕,尤其到了800-1000兆帕就不能控制了。我们应用了热成形技术,这个优点和缺点是什么?精度和复杂程度大幅度提升,但是成本也是大幅度提升,其实技术不难,但是真正做这个的不是太多。我们可以把这些技术用在关键的冲击载荷,跟碰撞相关的结构件上面。

但是,当结构件要求软硬不一样时,我们就要采取软区热成形,二者工艺上是一样的,只是在模具上采用不同的冷却时间。优缺点跟刚才热成形钢是一样的,这个模具要求更高、技术难度也更高,且供应商也相对少一些。辊压成形技术成熟度可以,等截面的地方我们可以有很多的应用。下一个是激光拼焊,装配轻量化,它本身并不轻量化,我们看到零部件减重并不明显,自主品牌用的比较少,当有软硬钢不同配合、不同强度要求的时候,确实可以用这个工艺手段取代软区热成形。差厚板技术,这个也是在一开始轧制的时候可以控制不同厚度,可以替代激光拼焊,这个技术有一定难度。还有一个是液压成形技术,这个成本相对比较低,精度很高,但是生产效率相对低,主要用在一些管梁或者等截面上,这个是轻量化技术里面很好的技术,但是应用并不是很广泛。

铝合金成形技术跟高强钢的成形技术相似,我们还有很多专家属于压铸,我们也说一下压铸技术,三年前我们在做国家项目的时候找不到高压铸铝的三毫米减震塔,在中国做这个的企业有的,但是不多,三毫米厚技术有一定难度,但是减重是比较明显的。锻压成型技术是成熟的,可以应用在除了轮毂以外的地方。还有挤压成型,这些工艺都有类似之处,怎么样选用需要跟供应商合作探讨,用刚才说到的轻量化定义,将最轻的材料,用最少的成本、用在最合适的地方。

另外就是复合材料,以注塑为切入点,可以看到注塑有很多优点,也很成熟,但是成本相对高而生产效率相对低,注塑可以做很多的零部件,注塑的强度不可以跟高强钢和普通钢相提并论。模压将成为以后发展的趋势,模压的主要优势就是成本优势,毕竟是批量化生产,要考虑成本和生产效率,一般来说一万台以下的用模压可以取代的,固定资产的投入相对注塑模式要低很多,这个会是将来的发展趋势。另外还有一个新技术,最近几年兴起的热压注塑,欧洲已经在做,现在最成功的案例已经用到批量的就是最近上市的福特蒙迪欧的门模块。

关于门和车身的典型趋势,这个是典型的门,我们关注的就是框架、结构,门的结构是用普通钢加高强钢骨架才能撑起其高度和强度,这是典型传统门的结构形式,外门皮也是钢的。看看轻量化其他的结构形式,首先是铝合金,整个结构形式跟钢材的传统门是类似的。

另外车身方面,典型的是铝合金的车身,最成功的其实是F150,它减了318公斤,成本增加了1500块,相当于每公斤30块。另外一个典型的车身案例就是全碳纤维,宝马i3用了50%的碳纤维,宝马i8用了60%的碳纤维,这都是一种尝试。   

最后来看一看它的趋势和发展,铝合金以福特F150来说是已经成熟了,但是不是趋势呢?不一定,我们看看奥迪A8,从第二代的时候全铝到第三代改为8%的钢,到最近两年第四代的奥迪A8用了40%的钢材,主要是出于碰撞和安全性、整车刚性、成本。当今无论从成本还是强度,高强钢的应用都是当今趋势。宝马7系白车身上把三种材料用到一起,包含4种不同的碳纤维成型技术,三种不同的铝合金技术,白车身虽然减重只有40公斤,但是整车减了130公斤,成功之处就是均衡减重。今后的发展趋势一定是一个多材料集成设计应用的趋势。

再来讲讲新能源汽车的特点,2017年新能源汽车累计销量70多万辆,有多少新能源公司? 3000万辆的主机厂我估计可以数得过来,但是70万辆的新能源公司数不过来,强大的市场竞争力导致每家企业的量不会太大,产量不大的时候会导致工艺和技术设计以及材料和工艺选择的变化,这就是新能源汽车一大特点,供应商应该以此切入进去。我认为模压是未来的方向,适合于年产1~1.5万辆以下的车企。

另外新能源汽车还有一个很重要的指标增加里程,轻量化是可以对冲成本,车辆减重后电池模组可以减少,用电池模组减少的成本来对冲轻量化增加的成本,所以说高端的轻量化,复合材料比较昂贵的轻量化方案应该在新能源汽车上实施。

轻量化和成本关系的模型在哪里?过去我们做成本轻量化的时候是减成本的,但是减到这个点的时候就要增加了。我们做的车一般都是在这个区间,高端车可能做到这个区间,轻量化做到一定程度是有成本增加的,要通过成本模型对比,如轻量化跟里程数、油价、附加费用等的关系。在零部件做出来以后,每公斤零部件成本的对比,你就知道各种工艺涉及到的材料决定我们用哪些工艺技术。

最后总结起来,高强钢一定是接下来3-5年的发展趋势,铝合金也在不断推广应用,碳纤维一定是在新能源汽车领域应用,新材料必然拉动一些新的企业……汽车未来的发展一定是设计多材料的混合搭配使用。

多材料的的搭配设计符合轻量化的定义,最大限度利用各种材料的性能优势达到减重和成本优化的目的是必然趋势,昂贵的轻量化材料首先应该在新能源汽车应用,轻量化对我们主机厂一个正向设计的挑战,我们需要与供应商展开密切合作,发挥各自的特点和优势,突破科学和技术革命,及时跟进创新,实现双赢的共同发展。

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