当听说全铝车身概念的时候,心中想当然地掠过一个想法:与钢相比,铝合金密度低、比强度高,既然像狂派玩家一样使用了更昂贵的材料,那么全铝车身设计、制造的技术含量肯定高不到哪去,有什么好吹嘘的呢?
01、汽车轻量化与铝合金材料
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?
02、全铝车身的应用难点
武侠世界中的顶级装备/秘籍,分为两种。一种是像软猥甲、凌波微步这样的,不依赖于使用者的资质,只要穿上用上就能发挥巨大作用;另一种则是像乾坤大挪移神功,威力更大,但若使用者修为不够,则可能走火入魔,反为其害。
那么全铝车身呢 —— 如果铝合金不要钱、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:
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,**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,全铝车身设计也是一个难题。
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,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。
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。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。
第三点,铝合金的连接技术
因铝合金熔点低、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,把主流的铝合金连接技术都用了一遍(如下图)。
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。