轻若鸿毛

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  从北京到法兰克福的飞行距离有10 124 km,若是根据目前流行的碳计算器来盘算一下,这一旅程换算成CO2的排放量超过了1407 kg。而这只是此行的一小部分,或许这样的出行看起来不够环保,不过,即将到达的目的地神秘的轻量化设计却深深吸引着我。或许,在那里我可以窥探到汽车未来发展方向中“即轻且重”的一段。
  
  奥迪的轻量化设计到底有多大的功效?整车质量减轻后,乘员的安全性如何保证?轻量化的设计对材料又有哪些要求?带着这些问题,在乘坐了近12小时的飞机后,我来到了位于德国内卡苏姆的奥迪品味车苑,而2011年奥迪科技日的活动主题,也正是轻量化设计带给我们的启迪。
  
  汽车轻了,我们得到了什么?
  
  何为汽车轻量化技术?顾名思义,轻量化就是把车身质量减轻。但实际上,这样的认识往往过于片面。试想一下,如果把造车的钢铁都换成塑料,减轻质量的目的是达到了,但安全性却完全丧失了。事实上,真正有价值的轻量化技术,应当是不以牺牲安全为前提的,即采用现代设计方法和有效的手段对车身进行优化设计,或使用新型材料(质量更轻但是强度不减),以达到减重、降耗、环保、安全的综合目标。
  根据奥迪的研究表明,质量每减轻10%,油耗可降低6%~8%。车身质量降低100 kg,意味着百公里油耗减少0.3 L,C02排放量也将相应减少7.5 g~12.5 g/km。而车身质量占整车质量的1/3,空载情况下,约70%的油耗用在车身质量上。这意味着只要通过科学的方式,将车身质量减轻后,就可以有效减少燃油消耗。车身质量降低能够使用更加紧凑的制动器、更小的发动机以及更小的燃油箱,更轻的质量还带来了更好的加速性和更短的制动距离,在转弯时减少侧向漂移,使转弯曲线更加安全,并且能够满足驾驶者对更高弯道速度的追求。同时,更轻的车身制动效果更好,更有利于主动安全控制。
  
  体积大、质量轻——奥迪汽车的未来发展方向
  
  几乎在整个汽车行业内,车辆都在一代代逐渐加重,但奥迪除外。整个四环品牌正在凭借其系统的轻质结构策略颠倒重量螺旋上升的趋势。第2代TT紧凑型跑车比其前代车型减少质量多达90kg。随着新款奥迪A6的上市如今每款奥迪新车型都将继续保持比前代车型更轻的趋势。
  体积大、质量轻是奥迪汽车的核心竞争力。奥迪在量产车中应用轻质结构技术已经有多年的经验。自1994年起,奥迪就不断生产带ASF车身的车辆。截至目前,总量已经达到550 000辆。在当前的车型系列中,奥迪A8豪华型轿车、奥迪R8高性能跑车堪称ASF原理最纯粹的表现形式。奥迪TT紧凑型跑车的车身是一种铝和钢的混合结构,而奥迪A7 Sportback和新款A6采用钢制车身,同样包含很大一部分铝材料。
  
  逐克减重——奥迪工程师信奉的哲学
  
  奥迪的轻质结构方法是每位开发工程师信奉的哲学。对奥迪来说,轻质结构不仅意味着材料工程,而且意味着流程技术、新接缝技术的开发和服务及维修水平提升的全面能力。在内卡苏姆的奥迪品味车苑,车身的很多部件被分解开来,奥迪相关人员自豪地向我们展示着这些零件的轻量化成果。同样位于这里的奥迪轻质设计中心(ALDC)则是轻量化工程师的天堂,在这里,奥迪的轻量化设计从车身开始,不断扩展至整个车辆的每个技术领域,大到车身外观部件、发动机、变速器,小到1个螺钉、1根线束,工程师都努力做到逐克减轻。例如奥迪R8的翼子板这样一个部件,ALDC都要经过反复的实验,包括材料的选择、材料的强度、抗扭性等项目,最终在保证安全性的前提下实现部件质量的逐渐减轻。
  
  选材——轻量化的第1步
  
  铝、超高强度钢和纤维增强塑料这3种材料是奥迪非常青睐的车身材料。奥迪最重要的轻质结构战略就是在合适的地方使用最少的、最合适的材料。
  奥迪空间框架结构(ASF)正是基于铝材料的应用,其基本结构好像一个木料建筑物的框架结构。其框架由挤压型材和高压压铸铝部件构成,车顶表面、底板或侧面板等铝面板通过摩擦连接集成于此框架中,以便形成半支撑结构。它们共同构成了一个完整的封闭结构。根据各自的功能,奥迪空间框架结构(ASF)的部件形状和截面会完全不同。奥迪A8豪华轿车、R8高性能跑车和TT紧凑型跑车均采用ASF车身,这3款车型的ASF形式以及生产方式均不同,各车型都是定制的。与钢制车身相比,ASF车身至少减重40%。它在总体能量平衡方面也有明显优势,包括循环再利用等方面。
  当然,这些轻量化的设计不仅包括采用轻质的奥迪空间框架结构(ASF)设计的铝制车身,很多钢制车身车型也在各自的级别中处于最轻的行列。在传统的钢材料方面,奥迪也使用了大量的高科技制作流程,从激光焊到将铝和钢连接在一起的自攻螺钉。高温成形的钢构成钢制车身的高强度骨干,应用于奥迪A1、A4和Q5等车型。所有这些技术具有一个共同的原则:探索最轻的解决方案。在开发新A6的时候,轻质结构是最重要的方面之一。每一个零部件都会就其在车辆整体中的重量和影响进行评估。不同总成中的轻质结构部件相互发生作用的方式带来了优化的整体效果。而在铝材和钢材的混合结构方面,奥迪已开发了众多的生产方法。比如耐久性极强的自攻丝螺钉和能够强化铝材和钢材之间粘合强度的结构胶等。以新奥迪A6为例,含20%铝材的混合铝结构较传统的钢结构降低了约15%的重量,与上一代A6相比,新车车身的质量降低了超过80 kg。
  纤维增强塑料(FRP)是一种特别引人关注的材料,尤其是碳纤维增强塑料(CFRP)。奥迪已经为内饰和车身提供了大量的CFRP部件,主要是R8车型系列。范围包括承重结构元件,比如R8 Spyder中的侧壁和顶舱盖。碳纤维增强塑料不仅比钢轻60%左右,而且这种材料能使机械设计师们自由定义很多部件的属性。CFRP部件在用于吸收来自单个方向的力时能够发挥出最佳性能。
  在本次奥迪科技日上,quattro concept概念车成为了媒体的焦点。该车采用四驱概念技术平台开发,外形则使用了奥迪A5的样式。其车身是用轻质结构铝制部件按照ASF奥迪空间框架结构装配而成的。挤压型材、压铸件以及铝材构筑了具有超常强度的抗冲击结构。发动机罩和后舱口、保险杠以及数不胜数的空气动力学零部件是用更轻的高强度碳纤维制成的。而同样被奥迪展示的一款特殊版TTS则使用了各种碳纤维增强塑料(CFRP)和铝制部件。安装轻质结构座椅也是为了减轻重量。quattro concept概念车的目标整备质量是1400 Kg,而TTS的目标整备质量仅为1390 Kg。
  
  相关链接——奥迪轻质设计中心
  
  奥迪轻质设计中心(ALDC)位于德国境内的内卡苏姆。这里是实实在在奥迪轻量化竞争力的来源所在。大约有180名专家在这个机构工作,在这里汲取的经验为奥迪获得的成绩奠定了基础。而它自身的成绩也是斐然的,包括无数的专利、欧洲专利局颁发的2008年年度欧洲发明家荣誉以及4次荣获世界最重要车身设计比赛欧洲车身大奖。
  目前,在ALDC技术中心中大约有50位专家正在致力于纤维增强塑料(FRP)的研究。奥迪与其姊妹品牌兰博基尼在碳纤维增强塑料(CFRP)和铝材领域中进行技术转让,从而取得双赢的结果。
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