汽车轻量化塑料汽车不再仅仅是玩具?

来源: | 发布时间:2021-03-13 05:46

塑料汽车不再仅仅是玩具。

日前,一款命名为Urbee 2的3D打印塑料汽车面世,除了底盘和引擎,其余大部分材料都是塑料。它的设计师Jim Kor 在接受媒体采访时表示,他的这款塑料汽车和钢铁材质一样坚硬,但却是钢制汽车重量的一半。

虽然这部车目前仅限于实验阶段,远远达不到量产的程度,但毋庸置疑的是,这至少表示汽车零部件乃至整车都在朝着轻量化的方向发展。

据研究表明,一辆轿车的自重每减少10%,燃油消耗量就降低6%~8%,降低5%~6%的排放,这对于实现汽车节能减排意义重大。

国家汽车轻量化技术创新战略联盟副秘书长王智文在接受《中国经济和信息化》记者采访时表示,“高强度钢和塑料(非金属材料)是既能实现汽车轻量化又能控制低成本的好材料。”

以塑代钢

在节能减排压力下,“以塑代钢”的概念在汽车业广为流传。据美国化学工业学会的资料显示,目前汽车塑料零部件的重量总和还不及汽车总重量的十分之一,因此,可以扩展应用的空间还非常广阔。

近年来,为了提升市场竞争优势 ,各车企纷纷研发并上马采用了轻量化设计的车型。世界知名车企更是走在了这一领域的最前沿。宝马将于今年秋季量产BMWi3纯电动汽车,这款汽车的最大特点是,外壳材料为塑料、底盘材料为铝合金,与传统同类车型相比,实现减重250~350千克。这一现实不仅能够引领汽车设计新潮流,更将颠覆汽车制造流程及整体市场格局。

作为汽车的发明者,奔驰在车身轻量化领域肩负着更重的责任和使命。2012年11月的广州车展上,奔驰发布了一款名为F125的氢动力概念跑车。该车主要由碳纤维、铝合金以及塑料联合打造而成,在保证车身刚性的同时将车身轻量化做到了极致。

另外,凯迪拉克和福特也是汽车轻量化的杰出代表,凯迪拉克在发动机罩上已经使用了纤维增强塑料,而福特则正在研究如何降低生产碳纤维部件的成本。在资深汽车行业分析师张志勇看来,碳纤维材质成本过高,工艺复杂,难以工业化推广,只适用于赛车和少数豪华跑车。

车身减重风当然也已经吹进国内。本土车企中,长城汽车股份有限公司 (下称长城)和奇瑞汽车股份有限公司(下称奇瑞)是在这一研究领域走得最远的两家车企。

2011年11月,奇瑞汽车联合全球最大的聚合物生产公司之一德国拜耳材料科技(中国)有限公司,联手创建了“奇瑞——拜耳汽车轻量化联合实验室”,双方就聚氨酯复合材料、聚碳酸酯塑料车窗用材料、新能源锂电池材料、吸音降噪等材料在汽车上的应用展开共同研究,并对外联合申请项目及推广。而在此之前奇瑞的A3CC双门跑车已经在德国K展Sabic展台展出,其前翼子板采用Noryl GTX树脂制成。

长城汽车同样与拜耳公司展开了合作。在2012年北京车展上,长城展出的哈弗E概念车的7个车窗组件,均采用拜耳模克隆聚碳酸酯制成,并配有大尺寸全景天窗。这是我国本土汽车制造商首次如此大范围应用聚碳酸酯车窗。

2012年11月,扬州凯尔斯迈有限公司出资、清华大学和浙江大学共同研制的塑料电动汽车已经引起了国内业界的高度关注,被誉为轿车中的“装甲车”。这辆车车身由两层塑料型材组合,每层约半厘米厚,两层中间构成中空状态,由复合塑料加入玻纤及其他成分一次性冲压制成,目前已经顺利通过欧盟9个成员国权威检测机构的认证。

但是这种塑料电动汽车也还停留在试验阶段。武汉理工大学汽车工程学院博士生导师过学迅教授认为,从技术层面考虑,由于塑料需要专业模具冲压一次形成,无法像金属一样快速成型,而像凯尔斯迈公司研发的这种新型汽车车身相对较大,需要建成的模具生产线难度较高,目前还较难实现。

此外,除了家轿市场,卡车的轻量化也早已被提上议程。北汽福田已将其中型和重型卡车的保险杠从钢材改为塑料材质,并在部分汽车零部件中启用了玻纤增强塑料,还把部分钢制发动机部件也更换为塑料部件。

目前国外整车企业在轻量化上已经日趋成熟,而中国本土车企还处于学习或者是追赶的阶段。尤其是在轻量化材料的研发上,虽然有些成就,但仍处于初级阶段。

塑料难题

近年来,我国汽车塑料制品生产企业利用引进车型的技术,扩大塑料材料在汽车上的应用水平,形成了一批规模化、专业化的汽车塑料制品供应商,部分生产工艺水平达到了国内领先和国际同步。如上海延锋伟世通、长春富奥-江森公司、芜湖顺荣公司等。后者的六层塑料燃油箱已在奇瑞、江淮、东风、吉利、长城、华普、海马、长丰等国内汽车上广泛应用。

在塑料化进行得如火如荼,俨然成为汽车行业的旗帜时,过学讯教授提出了自己的冷静思考:“塑料化并不是汽车轻量化的唯一方法,塑料本身的疲劳期比金属短,尤其暴露在高温环境和接触汽油时,老化现象尤其严重,并且应用在齿轮或者其他传力的部位时,无法达到金属的强度。而且,目前应用较多的碳纤维复合材料在使用过后会丧失其力学性能,根本无法回收,只能作为废品或降级处理。我认为高强度钢和含铝金属是更适合实现汽车轻量化的材料。”

这确实是汽车塑料化进程中无法回避的难题,在颁布了整车可回收性强制要求的日本 、美国等国家,丰田公司和福特公司都明确表示,将设法扩大可再生材料与天然材料的应用范围。

反观国内,原材料产业研究中心总经理冀志宏指出,国家并未颁布针对性较强的法规标准,只有一些普适性法规如《再生资源回收管理办法》等,在新材料规划、石化和化学工业“十二五 ”发展规划中也有一些涉及。塑料汽车的环保和再循环情况,前景堪忧。

鉴于此,国内汽车零部件、汽车塑料企业要在市场中占有一席之地,必须提高国际竞争力,把企业开发能力和产品水平提到更高的层次,并参与汽车工业的发展与竞争,从设计开发阶段就要进行汽车用塑料材料回收、再生利用的研究,以满足环保的需要。

伴随轻量化发展的一个最直接问题就是汽车自重。轻量化的度应该怎么控制?毕竟,节能减排不能用人身安全来换取。这或许是任何人听到塑料汽车这个概念时最先考虑的问题。

王智文对此有自己的看法:“汽车并不是车越重越安全。即使汽车上使用很轻的材料,如果采取高强度的加工工艺,也能达到很轻但弹性非常好的效果。从而也就越安全。”

目前,国家汽车轻量化技术创新战略联盟正在与长安汽车集团合作,共同研发和推广“以铝代钢”的引擎盖。王智文介绍,这项研究是出于在发生事故时,对行人的安全保护的考量。因为在引擎盖等部分应用铝合金可以减轻撞击对人身造成的二次伤害。

铝板的重量虽然大约为钢板的1/3, 但其可吸收的碰撞能量却是钢板的2 倍。铝合金在遭遇撞击时的安全系数更高,因为其材质有非常好的吸能作用。

发展瓶颈

虽然汽车轻量化已是大势所趋,但国内汽车轻量化技术尚不成熟,相关产业也未形成规模,很大程度上影响着国内车企发展汽车轻量化的热情。

此外,国内汽车在轻量化技术方面与国外先进水平相比仍存在较大差距,尤其是在高端材料的应用和发展方面,更是受制于人。“同样一辆车,国外可以做到1.3吨,而我们必须做到1.5吨以上,不是故意做这么重,而是我们做不轻。”王智文说。

我国乘用车重量平均比欧洲汽车重5%~10%,商用车的数字则是17%。例如,国内载重40 吨的牵引车自重为9吨,国外同等先进车型只有7吨,而国内自卸车自重则比国外重3~4吨。

王智文强调,在汽车传统塑料应用件的比例上,与国外车企并没有太大差距。但是在向高端发展时,无论是材料技术,还是设计水平,都面临种种困难。“材料加工成零部件是一个非常复杂的过程。虽然国内的通道、接头、内饰件、保险杠甚至包括仪表盘等都是用塑料做的。但向功能件、结构件发展时,难度就很大了。”

国内原材料本身就很落后,尤其是高端材料完全被国外的一些化学厂商所垄断控制,例如杜邦、巴斯夫、拜尔,他们掌握材料的设计技术和分析技术,也掌握零部件的设计技术。

由于高端材料长期受制于国外技术垄断,导致产品成本居高不下,迫使一些企业放弃高端材料在汽车上的使用。

王智文同时还指出,轻量化材料成本高,也不符合目前国内车型的市场定位。“国外车企多是将轻量化材料应用到跑车和概念车上,偏向小批量、多品种,追求个性化服务。而我国车企在高端产品领域品牌价值偏低,因此市场需求小。”

目前,阻碍我国汽车轻量化技术研发的关键因素,是各研发机构往往只注重单个技术的研发,很少开展各技术间的交叉与融合。就好像先有鸡还是先有蛋的问题,材料企业往往只管做出材料,而车企则负责制造和组装,双方缺乏沟通和协作,也导致轻量化材料在产业推进方面步履维艰。

轻量化技术的发展涉及众多学科,需要运用多学科交叉融合所形成的综合性、系统性知识体系。因此,未来汽车产业的轻量化需要产业链上下游企业各界的共同努力和探索。

随着我国汽车保有量的不断攀升,以及汽车尾气排放对城市空气污染的加剧,车身轻量化发展的要求变得更加迫切。对此,相关研究机构或政府部门应该做出战略性的超前部署。

 

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