“用鋁,、還是用鋼?”這個問題始終困擾著汽車工程師,。鋁合金一度威脅到汽車工業(yè)內(nèi)鋼鐵在過去所扮演的領(lǐng)導(dǎo)地位,如果以鋁和制造鋼的原料鐵來相比,不但重量減輕了一半,,抗腐蝕性也更優(yōu)于鋼,但是鋁的價格也相對昂貴,,且在制造和維修上都很困難,。因此近年隨著超輕型高強度鋼板的問世,也使得鋁合金的優(yōu)勢部分喪失,。相對于鋁合金,,不少汽車制造商更加傾向于選擇高強度碳鋼來替代普通鋼材,不過鋁和鋼之間的戰(zhàn)爭,,可不會就這么輕易結(jié)束,。
● 車用鋁合金零件比重顯著增加
雖然消費者對于車輛安全性的要求越來越高,然而整個社會對于環(huán)保節(jié)能的呼聲也相對提高,,因此也使得汽車制造商們不得不尋求更堅固,、更輕薄的造車原料,而鋁與鋼之間的戰(zhàn)爭也正由此展開,。
要制造一輛普通中型汽車必須耗去725公斤的鋼和鑄鐵,,還要再加上350公斤的沖壓鋼板。相比之下,,鋁合金在一款歐洲汽車內(nèi)的所占重量,,則是從1990年的50增加到2005年的131.5公斤(多數(shù)仍用于發(fā)動機內(nèi)部件與氣缸缸體),而且預(yù)計到了2010年還會再增加25公斤,。跟制造鋼原料的鐵相比,,鋁的重量不僅減輕了一半,其抗腐蝕能力也更優(yōu)于鋼,,種種特質(zhì)也使得鋁更加受到汽車工程師們的青睞,。
『 奧迪A8的全鋁車身結(jié)構(gòu) 』
在今天的汽車歷史中,已經(jīng)出現(xiàn)過不少使用全鋁合金打造車身的市售車,,包括本田的超級跑車NSX以及奧迪為了彰顯技術(shù)實力而推出的小型車A2,,而目前在市面上仍在銷售的車型則有奧迪 A8、R8和捷豹XJ是采用全鋁合金車身,。其中捷豹 XK更是將鋁合金技術(shù)與輕量化優(yōu)勢發(fā)揮到極致,,不僅車身零件結(jié)合總數(shù)從5,189個降至2,761個,,車身剛性更一舉提高了48%,同時還大幅瘦身達到90kg的效果(從1685kg減重至1,595kg),!
『捷豹XK采用鋁合金技術(shù),,大大降低了車身重量,提升了操控性能 』
全新XK車系的功率輸出僅比起舊款車型小幅增加6hp,,達到300hp的最大功率,,但是在瘦身有成之后的重量/功率比,再加上懸吊系統(tǒng)的改良,,換來的卻是平易近人,、更加靈巧的操控與駕馭感受。目前捷豹車廠的銷售量12萬570輛與15年前被福特收購前相比,,呈現(xiàn)倍數(shù)成長。
● 高強度鋼材迎戰(zhàn)鋁合金
鋁合金的異軍突起讓車用鋼鐵供貨商們倍感壓力,,因此他們也決定統(tǒng)一采取行動以對抗鋁的威脅,。早在1995年,便已有32家跨國鋼鐵生產(chǎn)廠商聯(lián)合提出了“超輕碳鋼車身”的概念,,這種采用高強度鋼材所制造的車身實現(xiàn)了更薄和更輕的結(jié)構(gòu),,能使車身重量減輕達25%!輕薄化的車身確實提高了高強度鋼材的銷售數(shù)字,,同時鋼鐵廠還對外宣稱,,這種材料還有另一大好處,也就是讓汽車在EuroNCAP碰撞測試中得到更高的分?jǐn)?shù),!
歐洲新車評測系統(tǒng)(European New Car Assessment Program)中的碰撞測試,,目前已經(jīng)發(fā)展成為是歐洲新車量產(chǎn)前的必要程序,也早已成為消費者在購車時重要的一項參考依據(jù),,當(dāng)今一款新車要想獲得“不差”的安全聲譽,,得要在碰撞測試中得到4至5顆星的評分。
根據(jù)沃爾沃安全中心工程師Marten Levenstam介紹,,鋼材質(zhì)量的提高使得汽車業(yè)者能夠制造出更具安全性的車身結(jié)構(gòu),,并且還不增加車身重量。“您能用普通鋼材構(gòu)成撞擊力道吸收區(qū),,用高強度鋼構(gòu)成超級安全的乘坐區(qū),!”Marten Levenstam說,經(jīng)得起強力撞擊的車型,,才能得到NCAP更優(yōu)異的評分,,所以這對于汽車制造商們來說顯然頗具吸引力。
由于歐盟修改了汽車廢氣排放中的二氧化碳含量標(biāo)準(zhǔn),,將其限制在每公里130克,,使得汽車設(shè)計師們的注意力也隨之轉(zhuǎn)移到能減輕車身重量的鋼合金上,。普通鋼板的厚度通常為0.7到0.75mm,而今日的超強度鋼板厚度則僅有0.65mm甚至更薄,,新款歐寶賽飛利的發(fā)動機蓋鋼板便只有0.6mm厚,!
鋼鐵生產(chǎn)廠商Arcelor-Mittal、Robert Bosch GmbH與咨詢公司Arthur D. Little的分析結(jié)果得出了一個發(fā)人深省的結(jié)論:僅僅減輕車身重量就能節(jié)省約5%的燃油,,并且通過這樣的方式來提高油耗表現(xiàn),,只需在每輛車上增加212歐元(約為2200人民幣)的成本以購買高強度鋼材。現(xiàn)有的省油科技包括可變氣門與進氣岐管,、渦輪增壓和汽缸間歇功能等,,卻絕對無法達到5%的節(jié)油效果,而且降低車身重量,,還可有效減輕剎車系統(tǒng)的負荷并提高發(fā)動機效能,。
● 鋁合金的技術(shù)瓶頸
鋼鐵生產(chǎn)廠商Arcelor-Mittal認(rèn)為,采用高張力鋼板來減輕車身重量是比較經(jīng)濟的選擇,,他們也預(yù)料隨著高張力鋼板達到更高的經(jīng)濟規(guī)模,,市售車的重量亦能夠進一步減輕。盡管鋁合金生產(chǎn)廠商無法反駁這一點,,但是他們卻用另一種觀點對其提出質(zhì)疑:如果想要降低二氧化碳的排放量,,考慮到汽車的生命周期和資源回收性(鋁的回收比例高于鋼鐵),鋁顯然優(yōu)于鋼,!
『寶馬5系的車身結(jié)構(gòu),,鋼制車身和鋁制車首』
除了奧迪和捷豹之外,對于推出“全鋁合金車款”有興趣的車廠至今仍寥寥無幾,。寶馬制造了鋁鋼材料混用的車身結(jié)構(gòu),,但是首要原因卻是基于平衡車身前后配重以提升操控性。寶馬5系即是鋼制車身和鋁制車首(主要在發(fā)動機蓋)的結(jié)合體實例,,而X5僅在車身前半部用上了少數(shù)鋁合金零件,,其整體結(jié)構(gòu)仍為鋼制。
不過僅僅是這種混合結(jié)構(gòu),,就已經(jīng)使得制造成本增加了25%,,而這還不是讓車廠頭痛的唯一原因,因為鋁在受熱后體積大幅膨脹的金屬特性,,更使得鋁制車用零件的制造難度大大增加,,在焊接車身時必須使用特制夾鉗,并采用特殊工藝才能將鋁制零件固定在特定位置,。包括通用汽車在內(nèi)的國際性大車廠仍無法將鋁合金廣泛應(yīng)用在旗下各車型上,,主要原因就是考慮到處理鋁制零件的特殊設(shè)備無法在遍布全球的組裝廠與維修點廣泛普及。
由于鋁金屬價格昂貴,,且在制造和維修上都很困難,,因此汽車制造商更傾向于選擇高強度碳鋼來替代普通鋼材,。在1995年當(dāng)時,幾乎所有車廠都只會使用普通鋼材造車,,不過如今,,每輛車平均已含有26%的高強度碳鋼和6%更高等級的鋼鐵合金。根據(jù)Arcelor-Mittal市場研究部門主管Patrick Pichant的預(yù)測,,高速鋼(High-Speed Steel/高強度鋼鐵合金材料之一)的應(yīng)用將會在5年內(nèi)由現(xiàn)在的6%增加到12%,,而由于歐盟對于二氧化碳排放量的嚴(yán)格限制導(dǎo)致車廠迫切需要減輕車身重量,高速鋼也很可能會因而得到更廣泛的應(yīng)用,。
一個是源自于航空工業(yè)的輕量化材質(zhì)(鋁合金),,一個是現(xiàn)有材料的技術(shù)升級(高強度鋼材),看來鋁和鋼之間的戰(zhàn)爭在短期之內(nèi)仍不會結(jié)束,。
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