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塑料發動機、碳纖維車頂!為了汽車減重,保時捷、寶馬夠拼!

塑料發動機、碳纖維車頂!為了汽車減重,保時捷、寶馬夠拼!

2019-07-18 14:00:44

安全功能的改進和電子設備的增加,新車的重量正在逐漸加重。

車重增加也意味著燃油消耗水平會更高,這與減少二氧化碳排放等環保的總體目標背道而馳。在節能環保的大背景下,如何減重、省油是每個車企繞不過去的話題。

德國研發出塑料發動機

現有的內燃機熱效率已經可見瓶頸,所以降低風阻、減輕重量也是提升工作效率、節約燃油的主要方式。

工程師們為此設計出了隱藏式門把手、虛擬外后視鏡、流線的造型以及采用全鋁車身甚至碳纖維材料來降低風阻或者重量。

然而,最近國外科研機構似乎在一個不可能的領域研究如何為電動汽車減重,那就是電機。

德國弗勞恩霍夫化學技術研究所和卡爾斯魯厄理工學院最近提出建議,用塑料替代電機的金屬外殼以降低電動車重量。

眾所周知,傳統的內燃機能量轉化效率并不是很高,目前最好的燃油發動機的能量轉化效率也僅能達到40%左右,而且這只是理論熱效率。

實際運行過程中發動機不可能隨時處于最佳工況下。剩余的大多數能量就以熱能的方式損耗掉了,所以內燃機需要耐熱性更高的金屬作為外殼以提供保護。

而電動車上的電機在能源轉化效率方面具有天生優勢,能夠輕易達到90%甚至更高,而剩下以熱量的形式被消耗掉的10%能量只要做好充分的散熱工作,那么就不需要在耐熱性方面對材料提出更高要求,這樣便使得采用高強度塑料外殼的電機成為可能。

新的電機為了解決動能轉化時產生的熱量對塑料外殼的影響,而在定子周圍采用了矩形散熱導管來實現更高效的散熱,同時也在轉子上采用類似的散熱設計,從而實現將這部分熱量的80%(甚至更高)帶走,保證電機在工作中不至于產生過高的溫度影響塑料外殼的強度。

最終,如果這種塑料外殼電機能夠被證明與金屬外殼一樣可靠,并得以應用,那么不僅能夠節省電機制造成本提升生產效率,還能夠為電動車減輕重量,一舉多得。

保時捷采用天然纖維有機復合材料,實現減重60%

汽車制造商保時捷正在利用有機材料在汽車制造應用中的優勢,推進輕量化應用。

比如保時捷新款718 Cayman GT4 跑車的車身部件采用天然纖維復合材料制成,這些材料由HOFZET木材纖維研究應用中心與漢諾威大學應用科學與藝術學院的IFBB生物塑料與生物復合材料研究中心共同研發。

重量是電動汽車的一個重要因素,因為它們需要更大,更重的電池,以最大限度地提高續航能力。續航能力通常是覺得消費者是否購買的關鍵指標。

輕量化設計是實現真正高效電動汽車的前提。根據麥肯錫商業咨詢公司的一項研究,到2030年,輕量化零部件在電動汽車中的份額將從30%上升到70%,以補償電動驅動和電機導致的汽車重量增加。

到目前為止,最受歡迎的解決方案是輕鋼和碳纖維增強塑料。但這種解決方案也有其缺點:首先,它在機械加工、維修和回收方面面臨著巨大的挑戰。其次,制造這些材料是高能源密集型企,環保指數不高。

因此,弗勞恩霍夫WKI的研究人員提出了一個問題,即是否可以使用其他纖維材料來減輕零部件的重量,只在那些具有結構優勢的地方使用碳纖維。

工業可行的解決方案必須具有積極的技術、生態和經濟影響,他們研究了各種現成的生態材料,從其技術性能、可用性和成本效益方面進行了研究。

事實證明,天然纖維增強塑料才是答案。作為有機復合材料的組成部分,植物纖維是輕型車身的可持續替代品。

植物纖維的生物組分改善了工業高性能復合材料在制造、使用和處置過程中的生態影響。

從經濟上講,使用可再生原材料是有益的,因為天然亞麻、工業大麻、木材和黃麻纖維比碳纖維便宜,制造所需的能源也更少。因此即使減重也不會背負高昂價格的標簽。

此外,在工業加工和汽車應用方面,天然纖維還有其他優勢:有機復合材料的自然生長結構提供了材料的聲學阻尼性能,并減少了碎片化,這在發生碰撞時非常重要。

弗勞恩霍夫WKI的科學家與保時捷賽車聯手,首先利用德國“四輛車”賽車隊的移動開發實驗室,在極端條件下對保時捷Cayman GT4 Clubsport上的有機材料進行了系列準備測試。

弗勞恩霍夫WKI木材纖維研究應用中心的項目經理Ole Hansen說:“與保時捷公司的合作還可以在汽車制造商的現實條件下進行開發。在過去的四年里,我們一直能夠不斷提高材料的性能。

“生物概念車”的多年經驗被整合到新的718 Cayman GT4 保時捷跑車零部件的材料開發中,這是第一款采用天然纖維復合材料制成車身部件的汽車。駕駛艙的車門、乘客艙車門以及后翼子板都是用有機纖維混合制成的。

由于車門采用了有機纖維復合材料而不是鋼鐵,最終實現了60%的減重,718 Cayman GT4 保時捷跑車是真正意義上的輕量化跑車,重量只有1320公斤。

復合材料由有機纖維增強的熱固性聚合物基體組成。有機纖維網的原料容易獲得,它具有很高的拉伸強度,特別是具有精細、均勻和懸垂等特性,容易適合零部件的成型制作。

即使與其他傳統制造的部件結合,也能輕松地將其生產到精確的尺寸,從而便于加工和質量保證。

目前,保時捷已開始批量生產Cayman GT4 Clubsport。

寶馬M2 Thunder采用碳纖維減重瘦身

寶馬去年年底,正式發布M Sport Kit的M2 Thunder版本,其中包括19英寸鍛造輪轂,碳纖維車頂和后備箱蓋,鈦合金排氣裝置,升級制動套件以及新型彈簧/減震套件。在增加發動機功率和扭矩的同時減輕車身重量。

該套件中的19英寸鍛造輪輞采用金色或黑色表面處理,與原始輪輞的M2 Thunder版本相比,可減少3.2千克非簧載質量,可用于轉向操作和動態駕駛積極影響。

碳纖維車頂將車輛重量減輕5公斤,可選碳纖維后備箱蓋和發動機罩可分別減輕重量6公斤和9公斤。

同時,消費者還可以購買帶有鈦合金消音器和93mm口徑尾喉的M Performance不銹鋼排氣系統。這種排氣系統可以減輕車輛重量8公斤。

隨著汽車行業的不斷發展,環保和節油是每個車企都很關心的課題,因此工程師們也在積極攻克汽車輕量化的一系列問題,未來應該會有更多的車用塑料和纖維復合材料運用到汽車上。


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