我们到了吗?这是后座乘客已经问了几十年的老问题。汽车工程师在轻量化的道路上也面临着类似的困境。
如今，汽车和卡车在车身、底盘、内饰和动力系统等方面使用的材料比以往任何时候都要轻。虽然许多容易摘到的果实已经摘下来，但工程师们仍在努力寻找新的机会，同时也在解决长期存在的成本、性能和安全问题。
向电动汽车的过渡正在推动汽车行业新的轻量化举措。无论是铝，碳纤维复合材料还是高强度钢，轻型材料都能实现下一代轿车，跑车，皮卡车和运动型多用途车辆，实现增加的范围和负载能力。
橡树岭国家实验室(ORNL)专门从事汽车动力系统应用的材料科学工程师Allen Haynes博士说:“轻量化对所有级别和类型的车辆都有好处。”“它可以减少燃料消耗或电池电力需求，降低排放，减少车辆生命周期的碳足迹，提高车辆性能，通过减少制动距离提高安全性，并允许更多的货物装载在货运车辆中。
Haynes解释说:“对于传统汽车来说，每减轻10%的车辆重量，就能提高6%到8%的燃油经济性。”
“迅速增加的EVS的时代已经明确到达，但大多数销售增长预测需要至少20年的车辆达到全球年度市场份额的50％，”Haynes的说明。“基于年度全球销售，预计将在未来二十年内全球制造和销往大约10亿额外的内燃机（icle）。
海恩斯警告说:“与此同时，气候科学表明，必须立即尽可能快地减少交通运输的碳足迹。”“因此，由于此类汽车在全球的销量巨大，在降低ICE重量的同时提高其效率，是快速脱碳交通的竞争中至关重要(但往往被忽视)的一步。”
五月花咨询有限责任公司总裁安德鲁·哈洛宁补充道:“总有机会减少车辆的重量，但性能和耐撞性必须考虑在内。电动汽车的轻量化需要在成本、可承受性、行驶里程和负载之间取得良好的平衡。
专门研究金属铸件和挤压件的Halonen解释说:“螺栓连接部件，比如转向节，通常更容易减轻重量。”“通过使用铝制动卡钳，汽车制造商平均可以将一辆汽车的重量减少6磅。ICE汽车的制动卡钳平均每10个中有8个是铁制的，但电动汽车的80%使用铝制零件。
“例如，Rivian R1T皮卡车比传统的冰竞争对手更重260公斤，如福特F-150，Chevy Silverado 1500和Ram 1500，”Halonen说。“为了解决这个问题，Rivian工程师决定使用铝制控制臂和指关节而不是那些大3拾取器中使用的焊接钢板。”
成功的故事
模拟软件领先供应商Altair的高级副总裁Richard Yen说:“替换材料只是轻量化的一部分。”“除了减轻重量，强大的设计还必须满足安全性、刚度、NVH(噪音、振动和严酷度)和耐久性性能，以及制造限制。这就要求工程师根据不同的性能要求考虑正确的材料。
“多材料设计是汽车结构轻量化的趋势，”Yen说。而且，拓扑优化为工程师提供了必要的洞察力，帮助他们将正确的材料放在正确的地方。
Yen解释说:“通过拓扑优化软件，工程师可以提供边界条件和负载。该程序显示加载路径，为特定设计建议放置材料的最佳位置。
“这是一种用于开发优化结构的技术，同时考虑设计限制，如预期的负载，可用的设计空间，材料和制造方法，”日元表示。“在设计过程中嵌入，拓扑优化可以创建设计，具有良好的平衡性能。
“今天，我们看到具有高性能计算和人工智能的模拟的融合，”日元指出。“随着AI和数据分析技术，历史数据和机器学习模型可以轻松应用于未来的设计迭代，而不是每次从头开始。”
每年，“牵牛星启发奖”(Altair Enlighten Award)都会表彰汽车轻量化和可持续性方面的成就。除了整车减重，评审团还考虑了OEM轻量化计划的进展，如材料、生产流程、设计方法和连接技术。
去年，丰田汽车公司(Toyota Motor Corp.)因2021年推出的锡耶纳(Sienna)小型货车采用的第三排座椅靠背设计而获奖。这种注射成型的纤维增强热塑性座椅靠背比其他替代品更轻，更容易组装，生产成本更低。
“这是零件整合、降低成本和提高性能的完美例子，”Yen解释道。“这种轻量化技术通过一次注入将15个钢构件整合为一个部件，同时降低了15%的成本，降低了30%的质量，并将安全性能提高了两倍。”
“轻量化并不总是要更昂贵，”Todd Muck，Todd Muck，MII在盐水中的丰田技术中心的身体设计中的高级总工程师，MI在座位项目上工作。“传统上，用于座位的树脂部件具有金属增强物，可以增加该过程的更高成本。”
巴斯夫性能材料公司(BASF Performance Materials)的应用开发工程和复合技术经理马特·帕金森(Matt Parkinson)表示:“这是首款完全注入式座椅靠背的无插入式座椅靠背。”巴斯夫性能材料公司与丰田公司共同参与了该项目。“其中一个挑战是确保高延伸率和冲击质量的碰撞要求。
“与此同时，我们专注于力量和僵硬，因为座椅用作装载楼，”帕金森说。“丰田也希望注塑成型[组件]，即射击部分，这意味着它是一体化的，没有复杂和昂贵的后处理。”
屡获殊荣的应用使用35％的玻璃增强和抗冲击改性的聚酰胺PA6等级Basf Ultramid。
许多选项
除了聚合物，汽车工程师还试验了许多其他类型的轻量化材料。
ORNL的海恩斯说:“一个持续的趋势是增加铝的使用，在可能的情况下替代钢和铸铁。”“铝的密度比钢低得多，但由于在刚度、疲劳强度、成形性、可焊性或一些高强度铝合金的成本等方面的权衡，钢的替代品可能受到限制。
Haynes指出:“另一个持续发展的趋势是各种先进的高强度钢(AHSS)家族的发展，旨在提高强度、延展性、韧性和疲劳性能，允许更薄的截面减轻重量。”“目前，第三代AHSS合金正在开发中。”
对实惠的需求，轻质复合材料也继续增加汽车行业。尽管与成本和生产量相关的挑战，但碳纤维复合材料的使用逐渐扩展。并且，一种可能促进更常用材料的技术是添加剂制造。
“印刷聚合物复合材料，通常是须状或纤维增强的，正在被评估(作为潜在的替代品)，以替代注塑或其他工艺不能提供足够的解决方案的一些汽车部件，”Haynes说。“打印成本更高，但对于原型制作、小批量生产(因为在某些情况下，它可以消除昂贵的夹具、模具和模具的需求)、定制，或提供不再(在日常生产中)的遗留部件，它可能是一个理想的路线。”
另一个日益增长的趋势是混合材料应用，即各种不同的钢、铝合金、镁组件(通常是压铸内部部件)、塑料和复合材料被集成在一起，以尽可能地通过组件在当地减轻重量。
Haynes说:“为支持这一趋势，发展先进的多材料连接策略尤为重要，该策略为每种材料配对量身定制，以保证足够的连接强度、疲劳寿命、耐腐蚀性和制造速度。”“复合材料系统的加入仍然是一个重要的重点领域。
“汽车在汽车中的使用需要加入不同的材料，这可能会产生与粘合强度，微观结构稳定，制造速度或腐蚀相关的重大挑战，”哈迪恩斯指出。
轻质金属
海恩斯和他在橡树岭国家实验室的同事们目前正在进行几个研发项目，涉及用于汽车应用的轻量化材料。例如，去年年底，美国能源部汽车技术办公室启动了一个新的轻金属核心项目，参与该项目的工程师来自橡树岭国家实验室、阿贡国家实验室和太平洋西北国家实验室(PNNL)。
Haynes说:“这个项目的重点是开发一种科学的理解方法，允许对用于汽车车身和车架的铸铝、铝板和铸镁合金进行局部微观结构修改和改进。”“该项目的概念是研究和开发新的材料加工方法，以提高现有轻质合金的局部成形性、强度、功能、耐腐蚀性或连接策略。”
在这个项目中，ORNL的研究工作之一是在现有的铝合金薄板或铸件上打印增强材料或附加结构。该项目的目标是“创建一种混合工艺，在这种工艺中，增材制造的应用仅限于组件的一个非常局部的区域，只在需要的部件区域实现特定的附加功能或效益。”海恩斯认为，这对传统汽车和电动汽车都有好处。
ORNL还开发了金属金属复合材料的添加剂制造方法。该过程从高强度，高温，高密度材料打印内部网格或骨架，然后用较低的密度，较低的熔点材料（如铝）渗透并渗透它。结果是金属金属复合结构，其密度较低，可用于结构内的局部定制的机械，声学或热性质。
Haynes说:“与传统的高温铝材料相比，新型印刷铝合金的强度和耐温性显著提高，这是一个非常近期和重要的发展。”“(我们)开发了多种新型可打印的先进铝合金。它们是专门设计来利用某些增材制造工艺提供的快速凝固速度。
Haynes指出:“这是轻量化材料研究的一个特别有趣的领域，因为增材制造传统上被认为具有提供几何设计自由的主要优势。”“但是，加法制造可以为某些轻量化合金增加更多价值。”
“例如，某些类型的铝合金的激光粉床印刷提供了快速的凝固效果，导致极端的微观结构细化和形成高度稳定的非平衡固体相，其中一些从未识别过，”Haynes索赔。
“这些新的微观结构可能导致合金强度的显着增加，以及在较高温度下的稳定性，作为激光粉床印刷过程的冷却速率的直接结果，”Haynes解释说。“我们目前]从这些新设计的铝合金中印刷第一组活塞，在今年晚些时候为发动机测试。
“这些新设计的轻质合金有可能改变印刷铝部件的范式，因为它提供了几何复杂性和改善的材料特性，”Haynes指出。“由于成本利润在未来几年内发生变化，并且作为一般印刷卷扩大并开始降低设备和原料的成本，添加剂制造将提供一些独特的途径，以进一步设计驱动车辆框架，底盘，内部和内部和动力列车，以及启用更强的材料。
Haynes预测:“车架、车身和底盘应用的更坚固和更硬的合金将使薄板材料、挤压和铸件更薄，从而进一步降低重量。”
电动汽车
传统上，轻量化的目标是改善冰车的燃料经济性。然而，从谢谢电动汽车的过渡改变了轻量化努力的目标和设计考虑因素。
Lux Research公司的高级分析师Anthony Schiavo说:“电动汽车的架构与内燃机车有根本的不同，主要的特点是大型电池组，而不是大型发动机舱。汽车底部的重型电池组，以及使用一个平台用于多辆汽车的愿望，将推动汽车行业回到车身-车架布局。
Schiavo说:“车体-车架结构倾向于采用高强度钢和铝作为主要结构元素，因为这些金属的额外重量将主要集中在车辆的底部，在那里对性能的影响最小。”
然而，需要为电池外壳和电动机壳体开发更高的强度，实惠的轻质合金。
“[它们必须]提供出色的冲击保护，同时提供非常好的热性能，以改善电池和电动汽车电机产生的热量的管理，”ORNL的海恩斯说。“这是一个重大的冶金科学挑战，因为改善合金力学性能的显微组织和机制往往同时减少了材料的热传输。”
这些挑战可能为复合材料打开大门。
Forward Engineering North America LLC总经理Adam Halsband表示:“向电动汽车的转变为我们创造了一个不可思议的机会，让我们能够进行全新、干净的设计。这些新的设计机会让我们能够使用最新的复合材料，开发高度集成的质量和成本效益高的结构。”现在，oem比以往任何时候都更加依赖上游供应商来支持创新产品开发。
“就人们如何看待汽车上的大众而言，这种转变具有破坏性，”哈斯班德补充说。“但是，如今对汽车制造商来说，真正重要的是成本效益、灵活性和可扩展性。任何轻量化的汽车材料都需要具有成本效益并易于集成。”
“新型电动汽车的性能令人难以置信，”哈斯本指出。“如今一辆普通的电动轿车能够提供几年前连最快的跑车都难以提供的加速度，这种想法令人惊叹。
“目前，降低这些新产品的成本和扩大这些新平台的规模的竞赛正在展开，”Halsband说。“复合材料的完美定位是成本高效，提供汽车行业所要求的性能、封装效率和可扩展性。”
EV应用程序
电池外壳可能是复合材料在成本敏感的汽车行业获得更多接受的一种方式。传统上，大多数房屋是由铝或钢制成的。
“原始设备制造商正在挑战乘用车设计的极限，(迫使工程师)想出更有效、更灵活的方法，将储能装置整合到电动汽车中，”霍斯本表示。
“另一个同样重要的因素是，快速发展的动力系统技术法规的演变，”Halsband指出。“新的全球安全标准促使电池外壳的性能要求更加严格，这要求工程师确保他们的设计满足这些不断变化的要求。”
Forward Engineering公司最近参与了一项研发项目，该项目开发了一种用片状成型化合物(SMC)制成的轻型电池外壳。其他参与合作的公司包括赢创(Evonik)、LION Smart、Lorenz和Vestaro。
“模块化，混合材料设计利用SMC的结构和热性能，”Halsband说。“[我们是]能够设计结构模块，这些结构模块减轻了外壳内的交叉构件的需要，导致零件数计算整合，包装效率和大气。
Halsband解释说:“通过我们的模拟驱动设计方法，我们能够满足最严格的新监管要求，与同类容量包相比，实现约10%的重量节约。”“除了节省大量成本，该设计的封装效率也为工程师提供了更大的设计自由度。
Halsband解释说:“Lorenz开发的新型SMC化合物由于其机械性能和易于加工，为我们提供了非凡的设计自由。”“这些特性使设计高度集成的包盖成为可能，将多个元素整合到一个单一的模制结构中。
“将横梁函数集成到结构模块外壳中消除了冗余部件和紧固件，”加入HALSBABRES。“使用材料混合，以及清洁的纸张方法到包分割，允许团队简化设计，进一步实现零件整合和减少系统中的关节数。”
欧洲的另一个轻量级电池外壳项目涉及来自Econcore N.v.的工程师，该公司是一家比比利时公司，该公司开发了可回收的热塑性蜂窝夹层面板。
EconCore首席运营官Tomasz Czarnecki表示:“毫无疑问，使用复合材料有一些有趣的机会来减轻重量。”“我们相信使用蜂窝夹层材料有更大的潜在好处，与铝或钢的替代品相比，甚至与单片复合材料相比，蜂窝夹层材料具有难以置信的刚度，同时也非常轻。”
Econcore已经在车间中使用热塑性蜂窝材料的经验，这可以压缩成型以产生三维形状。该公司的客户之一，一级供应商，最近提供现代，带有三明治部分，具有聚丙烯蜂窝和玻璃垫热塑性复合皮肤。通过使用该材料，现代工程师能够将克里特SUV中的行李箱楼层减轻20％。
“此外，[本]在Czarnecki解释道解释道。”“技术的其他商业应用[包括]振动阻尼器。”
“将来，我们希望看到更多涉及室内零件的应用，例如门板，头部，座椅靠背和包裹架，”Czarnecki Notes。“需要重量轻，刚性和可回收的东西是热塑性蜂窝夹层结构的潜在候选者。”
EconCore最近推出了由回收PET (RPET)和高性能热塑性塑料(HPT)制成的下一代蜂窝。
Czarnecki说:“这些发展源于市场对更可持续材料的需求，以及将重点转向高性能和易于加工的热塑性塑料解决方案的高端应用，例如在航空航天和公共交通市场。”
Czarnecki表示，RPET蜂窝的使用提供了一个可持续的解决方案，具有良好的生命周期评估和低碳足迹，符合全球可持续发展目标。HPT蜂窝满足了低成本、短周期可加工的高端热塑性复合材料的需求，轻质、坚固、耐疲劳、可回收。
EconCore还开发了新型蜂窝芯，用于电动汽车电池结构的夹层板。它们是由SABIC的NORYL GTX树脂、聚苯醚混合物和EconCore的专利技术制成的。
Czarnecki解释说:“热塑性蜂窝结构提供了高性能重量比和在冲击下高效的能量吸收。”“结合有效的、在线集成夹层板生产技术，这种减重对整体生产成本的节约和环境责任具有积极意义。除了减少原材料的使用，蜂巢还支持可回收利用。
“新的蜂窝结构具有比替代材料更高的热性能，更高的尺寸稳定性和较低的吸水性，”Czarnecki。“它还表现出高达180℃的高承载能力。”
使电动机和电池打火机
电动牵引电动机和电池是EV轻质努力的另一个焦点。
PNNL的工程师们将铜线的导电性提高了5%。更高的电导率意味着同样的效率需要更少的铜，这可以减轻电动汽车的重量。
PNNL最近与通用汽车(General Motors)合作，测试电动汽车零部件中的铜线。作为研发项目的一部分，工程师验证了增加的导电性，并发现它也具有更高的延展性。
“在其他物理性能方面，它的表现就像普通的铜，所以它可以焊接，并承受其他机械应力，而不会降低性能，”太平洋国家实验室的工程师Glenn Grant说，他是该项目的首席研究员。这意味着不需要专门的制造方法来组装电机。
格兰特说:“通用汽车的工程师证实，这种导电率更高的铜线可以用与传统铜线完全相同的方式焊接、钎焊和成形。”“这表明与现有电机制造工艺的无缝集成。”
橡树岭国家实验室的工程师们也在试验制造更轻电动汽车的新方法。
“电机基本上是金属-钢层合板和铜绕组的组合，”Burak Ozpineci说，他是ORNL电力驱动技术项目的经理和电力电子和电力机械小组的负责人。“为了实现电动汽车的目标和目标，我们需要提高电动驱动的功率密度，并将电机体积减少8倍，这意味着改善材料性能。”
Ozpineci和他的同事们正在用碳纳米管技术进行实验，以开发具有更好的机械强度、更轻的重量和更高的电流容量的电导体。其目标是提高电动汽车牵引电机的性能、减小体积并增加功率密度。
Ornl工程师最近创建了一种复合材料，可以增加铜线的电流容量，提供一种可用于超高效，电源密集电机的新材料。该材料可以部署在使用铜的任何组件中，包括更高效的母线和用于EV牵引反相器的较小连接器。
为了生产一种重量更轻、性能更好的导电材料，工程师们在平坦的铜基底上沉积并排列碳纳米管。这就产生了一种金属基复合材料，其电流处理能力和机械性能都优于纯铜。
电池始终是EV轻质努力方面的众所周知。在电动车中，电池组占车辆总重量的大约三分之一。要解决该问题，汽车工程师正在使用生成设计软件和仿真工具来创建较轻的电池。
达索系统(Dassault Systemes)的复合材料和增材制造行业顾问瑞尼•理查森(Rani Richardson)表示:“电池是电动汽车的新油箱。”“他们需要储存尽可能多的能量，以减少距离焦虑，并在意外事件发生时保持安全。电池是高度复杂的系统，需要在各个层面采用先进的工程方法:从化学到电池工程，到模块和封装工程，最后集成到整车。
“[我们]为所有这些秤提供电池解决方案，”Richardson声称。例如，“我们的CATIA品牌提供了电池库，以有效地使用1D模拟单元格，模块和包装。在该系统级表示中，将每个单元的老化，热和电信象组合以了解细胞的整个模块的行为方式。
“随着分子水平的建模特征，可以在3D中模拟各个电池的机械，热，扩散和电气行为，”Richardson解释说。“Sumulia功能广泛用于电池和全电池模块，以提高滥用测试场景中的强度，僵硬和安全性。最后，可以模拟集成到完整车型的电池组以实现现实的测试条件。“
欧洲工程师解决eV轻量化挑战
西班牙阿拉贡技术研究所(ITAINNOVA)的工程师们正在协调一项新的欧盟倡议，为电动汽车开发轻型部件。LEVIS项目的目标是创造多材料生产技术，包括可回收树脂和生物基碳纤维复合材料。
其他13个组织也参与了这个为期两年的项目，包括荷兰Cenex、马瑞利悬挂系统和Steinbeis-Europa-Zentrum。
LEVIS项目的科学协调员Agustín Chiminelli说:“(因为)电动汽车的电池通常具有相当的重量，汽车制造商和供应商必须寻求新的轻量化技术，以弥补其他汽车部件的超重。”“这些技术可以直接有助于提高车辆的效率，如每公里耗电千瓦时，以及车辆的自动驾驶，并减少对环境的影响。”
Chiminelli和他的同事们将专注于三个不同的组件：横梁，悬架控制臂和电池夹紧系统。
Chiminelli解释说:“我们将使用基于热塑性碳纤维化合物和金属的多材料解决方案，这将通过一系列盈利和可扩展的制造技术来生产。”“由于其优异的机械性能，这些复合材料与金属适当结合，是轻应用的理想材料。
“LEVIS旨在发展[新技术]基于树脂和环境友好型扩声系统，具有成本效益的制造工艺，优化关节，先进的仿真方法和结构的完整性监控技术，这些多材料部件，” Chiminelli指出。“这些发展的组合将使我们能够获得轻量级组件。”
Cenex Nederland的业务开发经理Theodora Skordili补充说:“新的轻量级组件将使用循环方法开发。“这意味着我们将特别注意使用可回收材料和组件的设计,组件的使用寿命结束时,什么都不会被浪费,每个部分可以回收或重用相同的组件或为他人。这些部件的使用寿命将得到优化，它们的设计将允许简单、有效的拆卸和重用。”
