'工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?'

"

我是一名遊戲愛好者。在遠古的單機遊戲時代,有兩類迵然不同的玩家:博派與狂派。

"博派:無論難度多變態,博派總要在不利形勢下追求極致的勝利。什麼"魂鬥派不發子彈通關"、"是男人就堅持30秒"都是博派喜聞樂見的經典之作;在手遊皇室戰爭中,依靠廉價卡組登頂世界冠軍的Jack,也被作為博派玩家代表而津津樂道。

"狂派:無論任何遊戲,狂派都必須要開個"金手指",依賴強大的優勢來取得碾壓的勝利,至於技術則成了無關緊要的因素。哪怕是玩難度較低的"魂鬥羅",也需要"上上下下左右左右BA"調出30條命來玩;到了網絡遊戲時代,狂派搖身一變,換了個稱呼:RMB玩家。

作為一位不折不扣的博派玩家(因為沒錢,沒法當RMB玩家),當聽說全鋁車身的概念的時候,心中想當然地掠過一個想法:與鋼相比,鋁合金密度低、比強度高,既然像狂派玩家一樣使用了更昂貴的材料,那麼全鋁車身設計、製造的技術含量肯定高不到哪去,有什麼好吹噓的呢?

這個想法正確嗎?應用全鋁車身到底是狂派還是博派?

正是帶著這個疑問,我參加了7月24日的蔚來整車工程安全體驗日活動,希望能夠探究出更深的認知。

汽車輕量化與鋁合金材料

汽車每減少10%的重量,可以大概減少6-8%的能耗(更節能)、減少5%制動距離(更安全)、減少8%加速時間(更高性能)[1]。

所謂輕量化,就是保證碰撞安全性能的前提下,從結構優化、輕質材料、成型工藝、連接技術等4個方面來降低整車重量。也就是說,採用鋁合金等輕質材料,只是輕量化系統工程的其中一環,而不是全部。

當然,這4個環節並不是同等重要的,業內正在經歷著從早年"材料是基礎、設計是龍頭、工藝是紐帶"技術路線,向"以新材料應用為導向,解決新材料應用過程中出現的設計和工藝問題"的轉變[2]。

也就是說,"輕質材料"是輕量化4個環節中最重要的一個。而鋁合金作為工業常見金屬材料,密度是鋼的1/3,同時具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高度的可回收性,是輕質材料的絕佳選擇(鈦合金與鎂合金暫不討論)。因此,說起輕量化必談全鋁車身,也就不足為奇了。

既然鋁合金這麼好,奧迪早在20年前就將全鋁車身應用在量產豪華車型A8上。回到國內自主品牌,直到2012年的上汽榮威950才在鋁機蓋、前後防撞樑上有少量的應用,足足晚了20年[3]。自主品牌大多走的是鋁蓋+防撞樑→鋁覆蓋件→全鋁車身的技術路線,甚至直到今天大多還是第一步[3]。這是為什麼呢?

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我是一名遊戲愛好者。在遠古的單機遊戲時代,有兩類迵然不同的玩家:博派與狂派。

"博派:無論難度多變態,博派總要在不利形勢下追求極致的勝利。什麼"魂鬥派不發子彈通關"、"是男人就堅持30秒"都是博派喜聞樂見的經典之作;在手遊皇室戰爭中,依靠廉價卡組登頂世界冠軍的Jack,也被作為博派玩家代表而津津樂道。

"狂派:無論任何遊戲,狂派都必須要開個"金手指",依賴強大的優勢來取得碾壓的勝利,至於技術則成了無關緊要的因素。哪怕是玩難度較低的"魂鬥羅",也需要"上上下下左右左右BA"調出30條命來玩;到了網絡遊戲時代,狂派搖身一變,換了個稱呼:RMB玩家。

作為一位不折不扣的博派玩家(因為沒錢,沒法當RMB玩家),當聽說全鋁車身的概念的時候,心中想當然地掠過一個想法:與鋼相比,鋁合金密度低、比強度高,既然像狂派玩家一樣使用了更昂貴的材料,那麼全鋁車身設計、製造的技術含量肯定高不到哪去,有什麼好吹噓的呢?

這個想法正確嗎?應用全鋁車身到底是狂派還是博派?

正是帶著這個疑問,我參加了7月24日的蔚來整車工程安全體驗日活動,希望能夠探究出更深的認知。

汽車輕量化與鋁合金材料

汽車每減少10%的重量,可以大概減少6-8%的能耗(更節能)、減少5%制動距離(更安全)、減少8%加速時間(更高性能)[1]。

所謂輕量化,就是保證碰撞安全性能的前提下,從結構優化、輕質材料、成型工藝、連接技術等4個方面來降低整車重量。也就是說,採用鋁合金等輕質材料,只是輕量化系統工程的其中一環,而不是全部。

當然,這4個環節並不是同等重要的,業內正在經歷著從早年"材料是基礎、設計是龍頭、工藝是紐帶"技術路線,向"以新材料應用為導向,解決新材料應用過程中出現的設計和工藝問題"的轉變[2]。

也就是說,"輕質材料"是輕量化4個環節中最重要的一個。而鋁合金作為工業常見金屬材料,密度是鋼的1/3,同時具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高度的可回收性,是輕質材料的絕佳選擇(鈦合金與鎂合金暫不討論)。因此,說起輕量化必談全鋁車身,也就不足為奇了。

既然鋁合金這麼好,奧迪早在20年前就將全鋁車身應用在量產豪華車型A8上。回到國內自主品牌,直到2012年的上汽榮威950才在鋁機蓋、前後防撞樑上有少量的應用,足足晚了20年[3]。自主品牌大多走的是鋁蓋+防撞樑→鋁覆蓋件→全鋁車身的技術路線,甚至直到今天大多還是第一步[3]。這是為什麼呢?

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[3]

除成本因素外,應用全鋁車身是否還存在其他難點呢?

全鋁車身的應用難點

武俠世界中的頂級裝備/祕籍,分為兩種。一種是像軟猥甲、凌波微步這樣的,不依賴於使用者的資質,只要穿上用上就能發揮巨大作用;另一種則是像乾坤大挪移神功,威力更大,但若使用者修為不夠,則可能走火入魔,反為其害。

那麼全鋁車身呢--如果鋁合金不要錢、隨便用,是不是就一定能用出好效果呢?深入研究之後,我發現並非如此。除成本之外,全鋁車身的應用還存在三大難點:材料特性認知、成型工藝與連接技術。

第一點,材料特性認知不足

根據日本的JISH4000標準,鋁合金材料按1000-7000分成七大類,也就是常說的5系鋁、6系鋁、7系鋁等。

不同的鋁合金特性差異很大,適合用在不同的位置。咱們以寶馬新X5為例:

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我是一名遊戲愛好者。在遠古的單機遊戲時代,有兩類迵然不同的玩家:博派與狂派。

"博派:無論難度多變態,博派總要在不利形勢下追求極致的勝利。什麼"魂鬥派不發子彈通關"、"是男人就堅持30秒"都是博派喜聞樂見的經典之作;在手遊皇室戰爭中,依靠廉價卡組登頂世界冠軍的Jack,也被作為博派玩家代表而津津樂道。

"狂派:無論任何遊戲,狂派都必須要開個"金手指",依賴強大的優勢來取得碾壓的勝利,至於技術則成了無關緊要的因素。哪怕是玩難度較低的"魂鬥羅",也需要"上上下下左右左右BA"調出30條命來玩;到了網絡遊戲時代,狂派搖身一變,換了個稱呼:RMB玩家。

作為一位不折不扣的博派玩家(因為沒錢,沒法當RMB玩家),當聽說全鋁車身的概念的時候,心中想當然地掠過一個想法:與鋼相比,鋁合金密度低、比強度高,既然像狂派玩家一樣使用了更昂貴的材料,那麼全鋁車身設計、製造的技術含量肯定高不到哪去,有什麼好吹噓的呢?

這個想法正確嗎?應用全鋁車身到底是狂派還是博派?

正是帶著這個疑問,我參加了7月24日的蔚來整車工程安全體驗日活動,希望能夠探究出更深的認知。

汽車輕量化與鋁合金材料

汽車每減少10%的重量,可以大概減少6-8%的能耗(更節能)、減少5%制動距離(更安全)、減少8%加速時間(更高性能)[1]。

所謂輕量化,就是保證碰撞安全性能的前提下,從結構優化、輕質材料、成型工藝、連接技術等4個方面來降低整車重量。也就是說,採用鋁合金等輕質材料,只是輕量化系統工程的其中一環,而不是全部。

當然,這4個環節並不是同等重要的,業內正在經歷著從早年"材料是基礎、設計是龍頭、工藝是紐帶"技術路線,向"以新材料應用為導向,解決新材料應用過程中出現的設計和工藝問題"的轉變[2]。

也就是說,"輕質材料"是輕量化4個環節中最重要的一個。而鋁合金作為工業常見金屬材料,密度是鋼的1/3,同時具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高度的可回收性,是輕質材料的絕佳選擇(鈦合金與鎂合金暫不討論)。因此,說起輕量化必談全鋁車身,也就不足為奇了。

既然鋁合金這麼好,奧迪早在20年前就將全鋁車身應用在量產豪華車型A8上。回到國內自主品牌,直到2012年的上汽榮威950才在鋁機蓋、前後防撞樑上有少量的應用,足足晚了20年[3]。自主品牌大多走的是鋁蓋+防撞樑→鋁覆蓋件→全鋁車身的技術路線,甚至直到今天大多還是第一步[3]。這是為什麼呢?

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[3]

除成本因素外,應用全鋁車身是否還存在其他難點呢?

全鋁車身的應用難點

武俠世界中的頂級裝備/祕籍,分為兩種。一種是像軟猥甲、凌波微步這樣的,不依賴於使用者的資質,只要穿上用上就能發揮巨大作用;另一種則是像乾坤大挪移神功,威力更大,但若使用者修為不夠,則可能走火入魔,反為其害。

那麼全鋁車身呢--如果鋁合金不要錢、隨便用,是不是就一定能用出好效果呢?深入研究之後,我發現並非如此。除成本之外,全鋁車身的應用還存在三大難點:材料特性認知、成型工藝與連接技術。

第一點,材料特性認知不足

根據日本的JISH4000標準,鋁合金材料按1000-7000分成七大類,也就是常說的5系鋁、6系鋁、7系鋁等。

不同的鋁合金特性差異很大,適合用在不同的位置。咱們以寶馬新X5為例:

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(寶馬新X5使用了多種鋁合金材料)

"5000系是鋁鎂合金(圖中的AlMg3、AlMg4等),固溶於鋁基體中,形成固溶強化效應,是一種熱處理不可強化的鋁合金,具有良好的腐蝕性和焊接性能。通常應用於強度要求不高,形狀複雜,對外觀品質要求較低的覆蓋件內板、空氣清潔罩、擋泥板、承載地板,其中5038與5183兩個型號的應用最廣泛[4]。

"6000系是鋁鎂硅合金(上圖中的AlMgSi、AlMg0.4Si1.2等),具有較高的強度、較好的塑性和優良的耐腐蝕性,是最主流的車用鋁全金材料,通用應用於頂蓋、行李箱蓋、車門等車身結構件。

"7000系合金以鋅為主,有時要添加少量鎂、銅。擁有媲美鋼材的硬度、焊接性能好,可熱處理強化。主要應用於航空航天,說是"航空鋁合金",倒是一點也沒吹牛。

如果採用傳統的高強度鋼作為車身的主要材料,那麼主機廠可以通過供應商、招聘員工、歷史資料等多種渠道來獲得技術知識,加快車身的研發進程、縮短研發週期。

那如果採用全鋁車身呢?對給主機廠帶來巨大的難題:國內鋁合金材料的供應商比較少、經驗不足;初創企業沒有歷史資料;國內也很難招聘到全鋁車身技術專家。

更不用說,蔚來ES8車型上的鋁合金用量高達96%,超過奧迪A8成為歷史新高;為了實現335kg的車身輕量化目標,航空7系鋁也是第一次應用在汽車上,它的材料特性表現如何,誰也沒有十足的把握。別說在全鋁車身發展較慢的中國了,就是放眼全球,蔚來ES8的全鋁車身設計也是一個難題。

"

我是一名遊戲愛好者。在遠古的單機遊戲時代,有兩類迵然不同的玩家:博派與狂派。

"博派:無論難度多變態,博派總要在不利形勢下追求極致的勝利。什麼"魂鬥派不發子彈通關"、"是男人就堅持30秒"都是博派喜聞樂見的經典之作;在手遊皇室戰爭中,依靠廉價卡組登頂世界冠軍的Jack,也被作為博派玩家代表而津津樂道。

"狂派:無論任何遊戲,狂派都必須要開個"金手指",依賴強大的優勢來取得碾壓的勝利,至於技術則成了無關緊要的因素。哪怕是玩難度較低的"魂鬥羅",也需要"上上下下左右左右BA"調出30條命來玩;到了網絡遊戲時代,狂派搖身一變,換了個稱呼:RMB玩家。

作為一位不折不扣的博派玩家(因為沒錢,沒法當RMB玩家),當聽說全鋁車身的概念的時候,心中想當然地掠過一個想法:與鋼相比,鋁合金密度低、比強度高,既然像狂派玩家一樣使用了更昂貴的材料,那麼全鋁車身設計、製造的技術含量肯定高不到哪去,有什麼好吹噓的呢?

這個想法正確嗎?應用全鋁車身到底是狂派還是博派?

正是帶著這個疑問,我參加了7月24日的蔚來整車工程安全體驗日活動,希望能夠探究出更深的認知。

汽車輕量化與鋁合金材料

汽車每減少10%的重量,可以大概減少6-8%的能耗(更節能)、減少5%制動距離(更安全)、減少8%加速時間(更高性能)[1]。

所謂輕量化,就是保證碰撞安全性能的前提下,從結構優化、輕質材料、成型工藝、連接技術等4個方面來降低整車重量。也就是說,採用鋁合金等輕質材料,只是輕量化系統工程的其中一環,而不是全部。

當然,這4個環節並不是同等重要的,業內正在經歷著從早年"材料是基礎、設計是龍頭、工藝是紐帶"技術路線,向"以新材料應用為導向,解決新材料應用過程中出現的設計和工藝問題"的轉變[2]。

也就是說,"輕質材料"是輕量化4個環節中最重要的一個。而鋁合金作為工業常見金屬材料,密度是鋼的1/3,同時具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高度的可回收性,是輕質材料的絕佳選擇(鈦合金與鎂合金暫不討論)。因此,說起輕量化必談全鋁車身,也就不足為奇了。

既然鋁合金這麼好,奧迪早在20年前就將全鋁車身應用在量產豪華車型A8上。回到國內自主品牌,直到2012年的上汽榮威950才在鋁機蓋、前後防撞樑上有少量的應用,足足晚了20年[3]。自主品牌大多走的是鋁蓋+防撞樑→鋁覆蓋件→全鋁車身的技術路線,甚至直到今天大多還是第一步[3]。這是為什麼呢?

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[3]

除成本因素外,應用全鋁車身是否還存在其他難點呢?

全鋁車身的應用難點

武俠世界中的頂級裝備/祕籍,分為兩種。一種是像軟猥甲、凌波微步這樣的,不依賴於使用者的資質,只要穿上用上就能發揮巨大作用;另一種則是像乾坤大挪移神功,威力更大,但若使用者修為不夠,則可能走火入魔,反為其害。

那麼全鋁車身呢--如果鋁合金不要錢、隨便用,是不是就一定能用出好效果呢?深入研究之後,我發現並非如此。除成本之外,全鋁車身的應用還存在三大難點:材料特性認知、成型工藝與連接技術。

第一點,材料特性認知不足

根據日本的JISH4000標準,鋁合金材料按1000-7000分成七大類,也就是常說的5系鋁、6系鋁、7系鋁等。

不同的鋁合金特性差異很大,適合用在不同的位置。咱們以寶馬新X5為例:

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(寶馬新X5使用了多種鋁合金材料)

"5000系是鋁鎂合金(圖中的AlMg3、AlMg4等),固溶於鋁基體中,形成固溶強化效應,是一種熱處理不可強化的鋁合金,具有良好的腐蝕性和焊接性能。通常應用於強度要求不高,形狀複雜,對外觀品質要求較低的覆蓋件內板、空氣清潔罩、擋泥板、承載地板,其中5038與5183兩個型號的應用最廣泛[4]。

"6000系是鋁鎂硅合金(上圖中的AlMgSi、AlMg0.4Si1.2等),具有較高的強度、較好的塑性和優良的耐腐蝕性,是最主流的車用鋁全金材料,通用應用於頂蓋、行李箱蓋、車門等車身結構件。

"7000系合金以鋅為主,有時要添加少量鎂、銅。擁有媲美鋼材的硬度、焊接性能好,可熱處理強化。主要應用於航空航天,說是"航空鋁合金",倒是一點也沒吹牛。

如果採用傳統的高強度鋼作為車身的主要材料,那麼主機廠可以通過供應商、招聘員工、歷史資料等多種渠道來獲得技術知識,加快車身的研發進程、縮短研發週期。

那如果採用全鋁車身呢?對給主機廠帶來巨大的難題:國內鋁合金材料的供應商比較少、經驗不足;初創企業沒有歷史資料;國內也很難招聘到全鋁車身技術專家。

更不用說,蔚來ES8車型上的鋁合金用量高達96%,超過奧迪A8成為歷史新高;為了實現335kg的車身輕量化目標,航空7系鋁也是第一次應用在汽車上,它的材料特性表現如何,誰也沒有十足的把握。別說在全鋁車身發展較慢的中國了,就是放眼全球,蔚來ES8的全鋁車身設計也是一個難題。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

典型鋁車身的用鋁比例,圖片來源[4]

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我是一名遊戲愛好者。在遠古的單機遊戲時代,有兩類迵然不同的玩家:博派與狂派。

"博派:無論難度多變態,博派總要在不利形勢下追求極致的勝利。什麼"魂鬥派不發子彈通關"、"是男人就堅持30秒"都是博派喜聞樂見的經典之作;在手遊皇室戰爭中,依靠廉價卡組登頂世界冠軍的Jack,也被作為博派玩家代表而津津樂道。

"狂派:無論任何遊戲,狂派都必須要開個"金手指",依賴強大的優勢來取得碾壓的勝利,至於技術則成了無關緊要的因素。哪怕是玩難度較低的"魂鬥羅",也需要"上上下下左右左右BA"調出30條命來玩;到了網絡遊戲時代,狂派搖身一變,換了個稱呼:RMB玩家。

作為一位不折不扣的博派玩家(因為沒錢,沒法當RMB玩家),當聽說全鋁車身的概念的時候,心中想當然地掠過一個想法:與鋼相比,鋁合金密度低、比強度高,既然像狂派玩家一樣使用了更昂貴的材料,那麼全鋁車身設計、製造的技術含量肯定高不到哪去,有什麼好吹噓的呢?

這個想法正確嗎?應用全鋁車身到底是狂派還是博派?

正是帶著這個疑問,我參加了7月24日的蔚來整車工程安全體驗日活動,希望能夠探究出更深的認知。

汽車輕量化與鋁合金材料

汽車每減少10%的重量,可以大概減少6-8%的能耗(更節能)、減少5%制動距離(更安全)、減少8%加速時間(更高性能)[1]。

所謂輕量化,就是保證碰撞安全性能的前提下,從結構優化、輕質材料、成型工藝、連接技術等4個方面來降低整車重量。也就是說,採用鋁合金等輕質材料,只是輕量化系統工程的其中一環,而不是全部。

當然,這4個環節並不是同等重要的,業內正在經歷著從早年"材料是基礎、設計是龍頭、工藝是紐帶"技術路線,向"以新材料應用為導向,解決新材料應用過程中出現的設計和工藝問題"的轉變[2]。

也就是說,"輕質材料"是輕量化4個環節中最重要的一個。而鋁合金作為工業常見金屬材料,密度是鋼的1/3,同時具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高度的可回收性,是輕質材料的絕佳選擇(鈦合金與鎂合金暫不討論)。因此,說起輕量化必談全鋁車身,也就不足為奇了。

既然鋁合金這麼好,奧迪早在20年前就將全鋁車身應用在量產豪華車型A8上。回到國內自主品牌,直到2012年的上汽榮威950才在鋁機蓋、前後防撞樑上有少量的應用,足足晚了20年[3]。自主品牌大多走的是鋁蓋+防撞樑→鋁覆蓋件→全鋁車身的技術路線,甚至直到今天大多還是第一步[3]。這是為什麼呢?

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[3]

除成本因素外,應用全鋁車身是否還存在其他難點呢?

全鋁車身的應用難點

武俠世界中的頂級裝備/祕籍,分為兩種。一種是像軟猥甲、凌波微步這樣的,不依賴於使用者的資質,只要穿上用上就能發揮巨大作用;另一種則是像乾坤大挪移神功,威力更大,但若使用者修為不夠,則可能走火入魔,反為其害。

那麼全鋁車身呢--如果鋁合金不要錢、隨便用,是不是就一定能用出好效果呢?深入研究之後,我發現並非如此。除成本之外,全鋁車身的應用還存在三大難點:材料特性認知、成型工藝與連接技術。

第一點,材料特性認知不足

根據日本的JISH4000標準,鋁合金材料按1000-7000分成七大類,也就是常說的5系鋁、6系鋁、7系鋁等。

不同的鋁合金特性差異很大,適合用在不同的位置。咱們以寶馬新X5為例:

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(寶馬新X5使用了多種鋁合金材料)

"5000系是鋁鎂合金(圖中的AlMg3、AlMg4等),固溶於鋁基體中,形成固溶強化效應,是一種熱處理不可強化的鋁合金,具有良好的腐蝕性和焊接性能。通常應用於強度要求不高,形狀複雜,對外觀品質要求較低的覆蓋件內板、空氣清潔罩、擋泥板、承載地板,其中5038與5183兩個型號的應用最廣泛[4]。

"6000系是鋁鎂硅合金(上圖中的AlMgSi、AlMg0.4Si1.2等),具有較高的強度、較好的塑性和優良的耐腐蝕性,是最主流的車用鋁全金材料,通用應用於頂蓋、行李箱蓋、車門等車身結構件。

"7000系合金以鋅為主,有時要添加少量鎂、銅。擁有媲美鋼材的硬度、焊接性能好,可熱處理強化。主要應用於航空航天,說是"航空鋁合金",倒是一點也沒吹牛。

如果採用傳統的高強度鋼作為車身的主要材料,那麼主機廠可以通過供應商、招聘員工、歷史資料等多種渠道來獲得技術知識,加快車身的研發進程、縮短研發週期。

那如果採用全鋁車身呢?對給主機廠帶來巨大的難題:國內鋁合金材料的供應商比較少、經驗不足;初創企業沒有歷史資料;國內也很難招聘到全鋁車身技術專家。

更不用說,蔚來ES8車型上的鋁合金用量高達96%,超過奧迪A8成為歷史新高;為了實現335kg的車身輕量化目標,航空7系鋁也是第一次應用在汽車上,它的材料特性表現如何,誰也沒有十足的把握。別說在全鋁車身發展較慢的中國了,就是放眼全球,蔚來ES8的全鋁車身設計也是一個難題。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

典型鋁車身的用鋁比例,圖片來源[4]

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來全鋁架構用鋁量高達96.4%

面對上述難題,蔚來的解決方法是:從基礎的材料特性研究做起,來彌補對鋁合金的認知缺失。在安全體驗日現場,蔚來整車安全團隊負責人PereFontsMestres介紹說,備選材料A與材料B從數值來看均滿足要求,但在材料特性試驗中,材料A出現斷裂、表現不穩定、吸能效率低,而材料B未發生斷裂、穩定摺疊、吸能充分,因此最終選用了材料B。

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我是一名遊戲愛好者。在遠古的單機遊戲時代,有兩類迵然不同的玩家:博派與狂派。

"博派:無論難度多變態,博派總要在不利形勢下追求極致的勝利。什麼"魂鬥派不發子彈通關"、"是男人就堅持30秒"都是博派喜聞樂見的經典之作;在手遊皇室戰爭中,依靠廉價卡組登頂世界冠軍的Jack,也被作為博派玩家代表而津津樂道。

"狂派:無論任何遊戲,狂派都必須要開個"金手指",依賴強大的優勢來取得碾壓的勝利,至於技術則成了無關緊要的因素。哪怕是玩難度較低的"魂鬥羅",也需要"上上下下左右左右BA"調出30條命來玩;到了網絡遊戲時代,狂派搖身一變,換了個稱呼:RMB玩家。

作為一位不折不扣的博派玩家(因為沒錢,沒法當RMB玩家),當聽說全鋁車身的概念的時候,心中想當然地掠過一個想法:與鋼相比,鋁合金密度低、比強度高,既然像狂派玩家一樣使用了更昂貴的材料,那麼全鋁車身設計、製造的技術含量肯定高不到哪去,有什麼好吹噓的呢?

這個想法正確嗎?應用全鋁車身到底是狂派還是博派?

正是帶著這個疑問,我參加了7月24日的蔚來整車工程安全體驗日活動,希望能夠探究出更深的認知。

汽車輕量化與鋁合金材料

汽車每減少10%的重量,可以大概減少6-8%的能耗(更節能)、減少5%制動距離(更安全)、減少8%加速時間(更高性能)[1]。

所謂輕量化,就是保證碰撞安全性能的前提下,從結構優化、輕質材料、成型工藝、連接技術等4個方面來降低整車重量。也就是說,採用鋁合金等輕質材料,只是輕量化系統工程的其中一環,而不是全部。

當然,這4個環節並不是同等重要的,業內正在經歷著從早年"材料是基礎、設計是龍頭、工藝是紐帶"技術路線,向"以新材料應用為導向,解決新材料應用過程中出現的設計和工藝問題"的轉變[2]。

也就是說,"輕質材料"是輕量化4個環節中最重要的一個。而鋁合金作為工業常見金屬材料,密度是鋼的1/3,同時具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高度的可回收性,是輕質材料的絕佳選擇(鈦合金與鎂合金暫不討論)。因此,說起輕量化必談全鋁車身,也就不足為奇了。

既然鋁合金這麼好,奧迪早在20年前就將全鋁車身應用在量產豪華車型A8上。回到國內自主品牌,直到2012年的上汽榮威950才在鋁機蓋、前後防撞樑上有少量的應用,足足晚了20年[3]。自主品牌大多走的是鋁蓋+防撞樑→鋁覆蓋件→全鋁車身的技術路線,甚至直到今天大多還是第一步[3]。這是為什麼呢?

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[3]

除成本因素外,應用全鋁車身是否還存在其他難點呢?

全鋁車身的應用難點

武俠世界中的頂級裝備/祕籍,分為兩種。一種是像軟猥甲、凌波微步這樣的,不依賴於使用者的資質,只要穿上用上就能發揮巨大作用;另一種則是像乾坤大挪移神功,威力更大,但若使用者修為不夠,則可能走火入魔,反為其害。

那麼全鋁車身呢--如果鋁合金不要錢、隨便用,是不是就一定能用出好效果呢?深入研究之後,我發現並非如此。除成本之外,全鋁車身的應用還存在三大難點:材料特性認知、成型工藝與連接技術。

第一點,材料特性認知不足

根據日本的JISH4000標準,鋁合金材料按1000-7000分成七大類,也就是常說的5系鋁、6系鋁、7系鋁等。

不同的鋁合金特性差異很大,適合用在不同的位置。咱們以寶馬新X5為例:

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(寶馬新X5使用了多種鋁合金材料)

"5000系是鋁鎂合金(圖中的AlMg3、AlMg4等),固溶於鋁基體中,形成固溶強化效應,是一種熱處理不可強化的鋁合金,具有良好的腐蝕性和焊接性能。通常應用於強度要求不高,形狀複雜,對外觀品質要求較低的覆蓋件內板、空氣清潔罩、擋泥板、承載地板,其中5038與5183兩個型號的應用最廣泛[4]。

"6000系是鋁鎂硅合金(上圖中的AlMgSi、AlMg0.4Si1.2等),具有較高的強度、較好的塑性和優良的耐腐蝕性,是最主流的車用鋁全金材料,通用應用於頂蓋、行李箱蓋、車門等車身結構件。

"7000系合金以鋅為主,有時要添加少量鎂、銅。擁有媲美鋼材的硬度、焊接性能好,可熱處理強化。主要應用於航空航天,說是"航空鋁合金",倒是一點也沒吹牛。

如果採用傳統的高強度鋼作為車身的主要材料,那麼主機廠可以通過供應商、招聘員工、歷史資料等多種渠道來獲得技術知識,加快車身的研發進程、縮短研發週期。

那如果採用全鋁車身呢?對給主機廠帶來巨大的難題:國內鋁合金材料的供應商比較少、經驗不足;初創企業沒有歷史資料;國內也很難招聘到全鋁車身技術專家。

更不用說,蔚來ES8車型上的鋁合金用量高達96%,超過奧迪A8成為歷史新高;為了實現335kg的車身輕量化目標,航空7系鋁也是第一次應用在汽車上,它的材料特性表現如何,誰也沒有十足的把握。別說在全鋁車身發展較慢的中國了,就是放眼全球,蔚來ES8的全鋁車身設計也是一個難題。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

典型鋁車身的用鋁比例,圖片來源[4]

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來全鋁架構用鋁量高達96.4%

面對上述難題,蔚來的解決方法是:從基礎的材料特性研究做起,來彌補對鋁合金的認知缺失。在安全體驗日現場,蔚來整車安全團隊負責人PereFontsMestres介紹說,備選材料A與材料B從數值來看均滿足要求,但在材料特性試驗中,材料A出現斷裂、表現不穩定、吸能效率低,而材料B未發生斷裂、穩定摺疊、吸能充分,因此最終選用了材料B。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(這是一個現場視頻,講述材料特性研究的基礎研究)

"

我是一名遊戲愛好者。在遠古的單機遊戲時代,有兩類迵然不同的玩家:博派與狂派。

"博派:無論難度多變態,博派總要在不利形勢下追求極致的勝利。什麼"魂鬥派不發子彈通關"、"是男人就堅持30秒"都是博派喜聞樂見的經典之作;在手遊皇室戰爭中,依靠廉價卡組登頂世界冠軍的Jack,也被作為博派玩家代表而津津樂道。

"狂派:無論任何遊戲,狂派都必須要開個"金手指",依賴強大的優勢來取得碾壓的勝利,至於技術則成了無關緊要的因素。哪怕是玩難度較低的"魂鬥羅",也需要"上上下下左右左右BA"調出30條命來玩;到了網絡遊戲時代,狂派搖身一變,換了個稱呼:RMB玩家。

作為一位不折不扣的博派玩家(因為沒錢,沒法當RMB玩家),當聽說全鋁車身的概念的時候,心中想當然地掠過一個想法:與鋼相比,鋁合金密度低、比強度高,既然像狂派玩家一樣使用了更昂貴的材料,那麼全鋁車身設計、製造的技術含量肯定高不到哪去,有什麼好吹噓的呢?

這個想法正確嗎?應用全鋁車身到底是狂派還是博派?

正是帶著這個疑問,我參加了7月24日的蔚來整車工程安全體驗日活動,希望能夠探究出更深的認知。

汽車輕量化與鋁合金材料

汽車每減少10%的重量,可以大概減少6-8%的能耗(更節能)、減少5%制動距離(更安全)、減少8%加速時間(更高性能)[1]。

所謂輕量化,就是保證碰撞安全性能的前提下,從結構優化、輕質材料、成型工藝、連接技術等4個方面來降低整車重量。也就是說,採用鋁合金等輕質材料,只是輕量化系統工程的其中一環,而不是全部。

當然,這4個環節並不是同等重要的,業內正在經歷著從早年"材料是基礎、設計是龍頭、工藝是紐帶"技術路線,向"以新材料應用為導向,解決新材料應用過程中出現的設計和工藝問題"的轉變[2]。

也就是說,"輕質材料"是輕量化4個環節中最重要的一個。而鋁合金作為工業常見金屬材料,密度是鋼的1/3,同時具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高度的可回收性,是輕質材料的絕佳選擇(鈦合金與鎂合金暫不討論)。因此,說起輕量化必談全鋁車身,也就不足為奇了。

既然鋁合金這麼好,奧迪早在20年前就將全鋁車身應用在量產豪華車型A8上。回到國內自主品牌,直到2012年的上汽榮威950才在鋁機蓋、前後防撞樑上有少量的應用,足足晚了20年[3]。自主品牌大多走的是鋁蓋+防撞樑→鋁覆蓋件→全鋁車身的技術路線,甚至直到今天大多還是第一步[3]。這是為什麼呢?

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[3]

除成本因素外,應用全鋁車身是否還存在其他難點呢?

全鋁車身的應用難點

武俠世界中的頂級裝備/祕籍,分為兩種。一種是像軟猥甲、凌波微步這樣的,不依賴於使用者的資質,只要穿上用上就能發揮巨大作用;另一種則是像乾坤大挪移神功,威力更大,但若使用者修為不夠,則可能走火入魔,反為其害。

那麼全鋁車身呢--如果鋁合金不要錢、隨便用,是不是就一定能用出好效果呢?深入研究之後,我發現並非如此。除成本之外,全鋁車身的應用還存在三大難點:材料特性認知、成型工藝與連接技術。

第一點,材料特性認知不足

根據日本的JISH4000標準,鋁合金材料按1000-7000分成七大類,也就是常說的5系鋁、6系鋁、7系鋁等。

不同的鋁合金特性差異很大,適合用在不同的位置。咱們以寶馬新X5為例:

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(寶馬新X5使用了多種鋁合金材料)

"5000系是鋁鎂合金(圖中的AlMg3、AlMg4等),固溶於鋁基體中,形成固溶強化效應,是一種熱處理不可強化的鋁合金,具有良好的腐蝕性和焊接性能。通常應用於強度要求不高,形狀複雜,對外觀品質要求較低的覆蓋件內板、空氣清潔罩、擋泥板、承載地板,其中5038與5183兩個型號的應用最廣泛[4]。

"6000系是鋁鎂硅合金(上圖中的AlMgSi、AlMg0.4Si1.2等),具有較高的強度、較好的塑性和優良的耐腐蝕性,是最主流的車用鋁全金材料,通用應用於頂蓋、行李箱蓋、車門等車身結構件。

"7000系合金以鋅為主,有時要添加少量鎂、銅。擁有媲美鋼材的硬度、焊接性能好,可熱處理強化。主要應用於航空航天,說是"航空鋁合金",倒是一點也沒吹牛。

如果採用傳統的高強度鋼作為車身的主要材料,那麼主機廠可以通過供應商、招聘員工、歷史資料等多種渠道來獲得技術知識,加快車身的研發進程、縮短研發週期。

那如果採用全鋁車身呢?對給主機廠帶來巨大的難題:國內鋁合金材料的供應商比較少、經驗不足;初創企業沒有歷史資料;國內也很難招聘到全鋁車身技術專家。

更不用說,蔚來ES8車型上的鋁合金用量高達96%,超過奧迪A8成為歷史新高;為了實現335kg的車身輕量化目標,航空7系鋁也是第一次應用在汽車上,它的材料特性表現如何,誰也沒有十足的把握。別說在全鋁車身發展較慢的中國了,就是放眼全球,蔚來ES8的全鋁車身設計也是一個難題。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

典型鋁車身的用鋁比例,圖片來源[4]

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來全鋁架構用鋁量高達96.4%

面對上述難題,蔚來的解決方法是:從基礎的材料特性研究做起,來彌補對鋁合金的認知缺失。在安全體驗日現場,蔚來整車安全團隊負責人PereFontsMestres介紹說,備選材料A與材料B從數值來看均滿足要求,但在材料特性試驗中,材料A出現斷裂、表現不穩定、吸能效率低,而材料B未發生斷裂、穩定摺疊、吸能充分,因此最終選用了材料B。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(這是一個現場視頻,講述材料特性研究的基礎研究)

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(除了材料特性試驗之外,還要針對新材料製成的零部件進行試驗)

這些試驗便是應用全鋁車身的代價。造車新勢力的研發流程本來就被縮短,為了應用全鋁車身又憑空增加了不少工作量,參與這項工作的工程師們,真的可以說是壓力山大。難怪在會後的單獨交流中,Pere表示蔚來ES8的全鋁車身設計能夠保證質量、按時完成,是一項值得驕傲的成就。

第二點,鋁合金的成型工藝不同

對全鋁車身來說,不僅材料特性是全新的,材料的成型工藝也是全新的。鋁合金的主要成型工藝包括鑄造、擠出、衝壓。如下圖表徵了材料的強度與延展性之間的關係,延展性越高,則成型難度越小。我們可以看到,與3代高強度鋼材料相比,7系鋁的延展性幾乎墊底,成型難度很高。

"

我是一名遊戲愛好者。在遠古的單機遊戲時代,有兩類迵然不同的玩家:博派與狂派。

"博派:無論難度多變態,博派總要在不利形勢下追求極致的勝利。什麼"魂鬥派不發子彈通關"、"是男人就堅持30秒"都是博派喜聞樂見的經典之作;在手遊皇室戰爭中,依靠廉價卡組登頂世界冠軍的Jack,也被作為博派玩家代表而津津樂道。

"狂派:無論任何遊戲,狂派都必須要開個"金手指",依賴強大的優勢來取得碾壓的勝利,至於技術則成了無關緊要的因素。哪怕是玩難度較低的"魂鬥羅",也需要"上上下下左右左右BA"調出30條命來玩;到了網絡遊戲時代,狂派搖身一變,換了個稱呼:RMB玩家。

作為一位不折不扣的博派玩家(因為沒錢,沒法當RMB玩家),當聽說全鋁車身的概念的時候,心中想當然地掠過一個想法:與鋼相比,鋁合金密度低、比強度高,既然像狂派玩家一樣使用了更昂貴的材料,那麼全鋁車身設計、製造的技術含量肯定高不到哪去,有什麼好吹噓的呢?

這個想法正確嗎?應用全鋁車身到底是狂派還是博派?

正是帶著這個疑問,我參加了7月24日的蔚來整車工程安全體驗日活動,希望能夠探究出更深的認知。

汽車輕量化與鋁合金材料

汽車每減少10%的重量,可以大概減少6-8%的能耗(更節能)、減少5%制動距離(更安全)、減少8%加速時間(更高性能)[1]。

所謂輕量化,就是保證碰撞安全性能的前提下,從結構優化、輕質材料、成型工藝、連接技術等4個方面來降低整車重量。也就是說,採用鋁合金等輕質材料,只是輕量化系統工程的其中一環,而不是全部。

當然,這4個環節並不是同等重要的,業內正在經歷著從早年"材料是基礎、設計是龍頭、工藝是紐帶"技術路線,向"以新材料應用為導向,解決新材料應用過程中出現的設計和工藝問題"的轉變[2]。

也就是說,"輕質材料"是輕量化4個環節中最重要的一個。而鋁合金作為工業常見金屬材料,密度是鋼的1/3,同時具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高度的可回收性,是輕質材料的絕佳選擇(鈦合金與鎂合金暫不討論)。因此,說起輕量化必談全鋁車身,也就不足為奇了。

既然鋁合金這麼好,奧迪早在20年前就將全鋁車身應用在量產豪華車型A8上。回到國內自主品牌,直到2012年的上汽榮威950才在鋁機蓋、前後防撞樑上有少量的應用,足足晚了20年[3]。自主品牌大多走的是鋁蓋+防撞樑→鋁覆蓋件→全鋁車身的技術路線,甚至直到今天大多還是第一步[3]。這是為什麼呢?

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[3]

除成本因素外,應用全鋁車身是否還存在其他難點呢?

全鋁車身的應用難點

武俠世界中的頂級裝備/祕籍,分為兩種。一種是像軟猥甲、凌波微步這樣的,不依賴於使用者的資質,只要穿上用上就能發揮巨大作用;另一種則是像乾坤大挪移神功,威力更大,但若使用者修為不夠,則可能走火入魔,反為其害。

那麼全鋁車身呢--如果鋁合金不要錢、隨便用,是不是就一定能用出好效果呢?深入研究之後,我發現並非如此。除成本之外,全鋁車身的應用還存在三大難點:材料特性認知、成型工藝與連接技術。

第一點,材料特性認知不足

根據日本的JISH4000標準,鋁合金材料按1000-7000分成七大類,也就是常說的5系鋁、6系鋁、7系鋁等。

不同的鋁合金特性差異很大,適合用在不同的位置。咱們以寶馬新X5為例:

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(寶馬新X5使用了多種鋁合金材料)

"5000系是鋁鎂合金(圖中的AlMg3、AlMg4等),固溶於鋁基體中,形成固溶強化效應,是一種熱處理不可強化的鋁合金,具有良好的腐蝕性和焊接性能。通常應用於強度要求不高,形狀複雜,對外觀品質要求較低的覆蓋件內板、空氣清潔罩、擋泥板、承載地板,其中5038與5183兩個型號的應用最廣泛[4]。

"6000系是鋁鎂硅合金(上圖中的AlMgSi、AlMg0.4Si1.2等),具有較高的強度、較好的塑性和優良的耐腐蝕性,是最主流的車用鋁全金材料,通用應用於頂蓋、行李箱蓋、車門等車身結構件。

"7000系合金以鋅為主,有時要添加少量鎂、銅。擁有媲美鋼材的硬度、焊接性能好,可熱處理強化。主要應用於航空航天,說是"航空鋁合金",倒是一點也沒吹牛。

如果採用傳統的高強度鋼作為車身的主要材料,那麼主機廠可以通過供應商、招聘員工、歷史資料等多種渠道來獲得技術知識,加快車身的研發進程、縮短研發週期。

那如果採用全鋁車身呢?對給主機廠帶來巨大的難題:國內鋁合金材料的供應商比較少、經驗不足;初創企業沒有歷史資料;國內也很難招聘到全鋁車身技術專家。

更不用說,蔚來ES8車型上的鋁合金用量高達96%,超過奧迪A8成為歷史新高;為了實現335kg的車身輕量化目標,航空7系鋁也是第一次應用在汽車上,它的材料特性表現如何,誰也沒有十足的把握。別說在全鋁車身發展較慢的中國了,就是放眼全球,蔚來ES8的全鋁車身設計也是一個難題。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

典型鋁車身的用鋁比例,圖片來源[4]

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來全鋁架構用鋁量高達96.4%

面對上述難題,蔚來的解決方法是:從基礎的材料特性研究做起,來彌補對鋁合金的認知缺失。在安全體驗日現場,蔚來整車安全團隊負責人PereFontsMestres介紹說,備選材料A與材料B從數值來看均滿足要求,但在材料特性試驗中,材料A出現斷裂、表現不穩定、吸能效率低,而材料B未發生斷裂、穩定摺疊、吸能充分,因此最終選用了材料B。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(這是一個現場視頻,講述材料特性研究的基礎研究)

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(除了材料特性試驗之外,還要針對新材料製成的零部件進行試驗)

這些試驗便是應用全鋁車身的代價。造車新勢力的研發流程本來就被縮短,為了應用全鋁車身又憑空增加了不少工作量,參與這項工作的工程師們,真的可以說是壓力山大。難怪在會後的單獨交流中,Pere表示蔚來ES8的全鋁車身設計能夠保證質量、按時完成,是一項值得驕傲的成就。

第二點,鋁合金的成型工藝不同

對全鋁車身來說,不僅材料特性是全新的,材料的成型工藝也是全新的。鋁合金的主要成型工藝包括鑄造、擠出、衝壓。如下圖表徵了材料的強度與延展性之間的關係,延展性越高,則成型難度越小。我們可以看到,與3代高強度鋼材料相比,7系鋁的延展性幾乎墊底,成型難度很高。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[5]

除了延伸率低、成型時易破裂的成型難題之外,鋁合金的回彈性是普通鋼板的3倍,回彈不好控制[3],這就又增加了設計難度(同情蔚來車身工程師)。鋁合金成型工藝上的突破,不僅依賴於蔚來工程師的設計水平提高,對供應商也提出更高的要求。

"

我是一名遊戲愛好者。在遠古的單機遊戲時代,有兩類迵然不同的玩家:博派與狂派。

"博派:無論難度多變態,博派總要在不利形勢下追求極致的勝利。什麼"魂鬥派不發子彈通關"、"是男人就堅持30秒"都是博派喜聞樂見的經典之作;在手遊皇室戰爭中,依靠廉價卡組登頂世界冠軍的Jack,也被作為博派玩家代表而津津樂道。

"狂派:無論任何遊戲,狂派都必須要開個"金手指",依賴強大的優勢來取得碾壓的勝利,至於技術則成了無關緊要的因素。哪怕是玩難度較低的"魂鬥羅",也需要"上上下下左右左右BA"調出30條命來玩;到了網絡遊戲時代,狂派搖身一變,換了個稱呼:RMB玩家。

作為一位不折不扣的博派玩家(因為沒錢,沒法當RMB玩家),當聽說全鋁車身的概念的時候,心中想當然地掠過一個想法:與鋼相比,鋁合金密度低、比強度高,既然像狂派玩家一樣使用了更昂貴的材料,那麼全鋁車身設計、製造的技術含量肯定高不到哪去,有什麼好吹噓的呢?

這個想法正確嗎?應用全鋁車身到底是狂派還是博派?

正是帶著這個疑問,我參加了7月24日的蔚來整車工程安全體驗日活動,希望能夠探究出更深的認知。

汽車輕量化與鋁合金材料

汽車每減少10%的重量,可以大概減少6-8%的能耗(更節能)、減少5%制動距離(更安全)、減少8%加速時間(更高性能)[1]。

所謂輕量化,就是保證碰撞安全性能的前提下,從結構優化、輕質材料、成型工藝、連接技術等4個方面來降低整車重量。也就是說,採用鋁合金等輕質材料,只是輕量化系統工程的其中一環,而不是全部。

當然,這4個環節並不是同等重要的,業內正在經歷著從早年"材料是基礎、設計是龍頭、工藝是紐帶"技術路線,向"以新材料應用為導向,解決新材料應用過程中出現的設計和工藝問題"的轉變[2]。

也就是說,"輕質材料"是輕量化4個環節中最重要的一個。而鋁合金作為工業常見金屬材料,密度是鋼的1/3,同時具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高度的可回收性,是輕質材料的絕佳選擇(鈦合金與鎂合金暫不討論)。因此,說起輕量化必談全鋁車身,也就不足為奇了。

既然鋁合金這麼好,奧迪早在20年前就將全鋁車身應用在量產豪華車型A8上。回到國內自主品牌,直到2012年的上汽榮威950才在鋁機蓋、前後防撞樑上有少量的應用,足足晚了20年[3]。自主品牌大多走的是鋁蓋+防撞樑→鋁覆蓋件→全鋁車身的技術路線,甚至直到今天大多還是第一步[3]。這是為什麼呢?

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[3]

除成本因素外,應用全鋁車身是否還存在其他難點呢?

全鋁車身的應用難點

武俠世界中的頂級裝備/祕籍,分為兩種。一種是像軟猥甲、凌波微步這樣的,不依賴於使用者的資質,只要穿上用上就能發揮巨大作用;另一種則是像乾坤大挪移神功,威力更大,但若使用者修為不夠,則可能走火入魔,反為其害。

那麼全鋁車身呢--如果鋁合金不要錢、隨便用,是不是就一定能用出好效果呢?深入研究之後,我發現並非如此。除成本之外,全鋁車身的應用還存在三大難點:材料特性認知、成型工藝與連接技術。

第一點,材料特性認知不足

根據日本的JISH4000標準,鋁合金材料按1000-7000分成七大類,也就是常說的5系鋁、6系鋁、7系鋁等。

不同的鋁合金特性差異很大,適合用在不同的位置。咱們以寶馬新X5為例:

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(寶馬新X5使用了多種鋁合金材料)

"5000系是鋁鎂合金(圖中的AlMg3、AlMg4等),固溶於鋁基體中,形成固溶強化效應,是一種熱處理不可強化的鋁合金,具有良好的腐蝕性和焊接性能。通常應用於強度要求不高,形狀複雜,對外觀品質要求較低的覆蓋件內板、空氣清潔罩、擋泥板、承載地板,其中5038與5183兩個型號的應用最廣泛[4]。

"6000系是鋁鎂硅合金(上圖中的AlMgSi、AlMg0.4Si1.2等),具有較高的強度、較好的塑性和優良的耐腐蝕性,是最主流的車用鋁全金材料,通用應用於頂蓋、行李箱蓋、車門等車身結構件。

"7000系合金以鋅為主,有時要添加少量鎂、銅。擁有媲美鋼材的硬度、焊接性能好,可熱處理強化。主要應用於航空航天,說是"航空鋁合金",倒是一點也沒吹牛。

如果採用傳統的高強度鋼作為車身的主要材料,那麼主機廠可以通過供應商、招聘員工、歷史資料等多種渠道來獲得技術知識,加快車身的研發進程、縮短研發週期。

那如果採用全鋁車身呢?對給主機廠帶來巨大的難題:國內鋁合金材料的供應商比較少、經驗不足;初創企業沒有歷史資料;國內也很難招聘到全鋁車身技術專家。

更不用說,蔚來ES8車型上的鋁合金用量高達96%,超過奧迪A8成為歷史新高;為了實現335kg的車身輕量化目標,航空7系鋁也是第一次應用在汽車上,它的材料特性表現如何,誰也沒有十足的把握。別說在全鋁車身發展較慢的中國了,就是放眼全球,蔚來ES8的全鋁車身設計也是一個難題。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

典型鋁車身的用鋁比例,圖片來源[4]

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來全鋁架構用鋁量高達96.4%

面對上述難題,蔚來的解決方法是:從基礎的材料特性研究做起,來彌補對鋁合金的認知缺失。在安全體驗日現場,蔚來整車安全團隊負責人PereFontsMestres介紹說,備選材料A與材料B從數值來看均滿足要求,但在材料特性試驗中,材料A出現斷裂、表現不穩定、吸能效率低,而材料B未發生斷裂、穩定摺疊、吸能充分,因此最終選用了材料B。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(這是一個現場視頻,講述材料特性研究的基礎研究)

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(除了材料特性試驗之外,還要針對新材料製成的零部件進行試驗)

這些試驗便是應用全鋁車身的代價。造車新勢力的研發流程本來就被縮短,為了應用全鋁車身又憑空增加了不少工作量,參與這項工作的工程師們,真的可以說是壓力山大。難怪在會後的單獨交流中,Pere表示蔚來ES8的全鋁車身設計能夠保證質量、按時完成,是一項值得驕傲的成就。

第二點,鋁合金的成型工藝不同

對全鋁車身來說,不僅材料特性是全新的,材料的成型工藝也是全新的。鋁合金的主要成型工藝包括鑄造、擠出、衝壓。如下圖表徵了材料的強度與延展性之間的關係,延展性越高,則成型難度越小。我們可以看到,與3代高強度鋼材料相比,7系鋁的延展性幾乎墊底,成型難度很高。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[5]

除了延伸率低、成型時易破裂的成型難題之外,鋁合金的回彈性是普通鋼板的3倍,回彈不好控制[3],這就又增加了設計難度(同情蔚來車身工程師)。鋁合金成型工藝上的突破,不僅依賴於蔚來工程師的設計水平提高,對供應商也提出更高的要求。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來後防護樞紐,整車最大單體鋁鑄件

第三點,鋁合金的連接技術

因鋁合金熔點低、熱導率高、表面易氧化等特性,鋼材料上廣泛應用的電阻點焊技術,在鋁合金上有時候就不太好用了[6]。為了應用全鋁車身,蔚來把主流的鋁合金連接技術都用了一遍(如下圖)。

"

我是一名遊戲愛好者。在遠古的單機遊戲時代,有兩類迵然不同的玩家:博派與狂派。

"博派:無論難度多變態,博派總要在不利形勢下追求極致的勝利。什麼"魂鬥派不發子彈通關"、"是男人就堅持30秒"都是博派喜聞樂見的經典之作;在手遊皇室戰爭中,依靠廉價卡組登頂世界冠軍的Jack,也被作為博派玩家代表而津津樂道。

"狂派:無論任何遊戲,狂派都必須要開個"金手指",依賴強大的優勢來取得碾壓的勝利,至於技術則成了無關緊要的因素。哪怕是玩難度較低的"魂鬥羅",也需要"上上下下左右左右BA"調出30條命來玩;到了網絡遊戲時代,狂派搖身一變,換了個稱呼:RMB玩家。

作為一位不折不扣的博派玩家(因為沒錢,沒法當RMB玩家),當聽說全鋁車身的概念的時候,心中想當然地掠過一個想法:與鋼相比,鋁合金密度低、比強度高,既然像狂派玩家一樣使用了更昂貴的材料,那麼全鋁車身設計、製造的技術含量肯定高不到哪去,有什麼好吹噓的呢?

這個想法正確嗎?應用全鋁車身到底是狂派還是博派?

正是帶著這個疑問,我參加了7月24日的蔚來整車工程安全體驗日活動,希望能夠探究出更深的認知。

汽車輕量化與鋁合金材料

汽車每減少10%的重量,可以大概減少6-8%的能耗(更節能)、減少5%制動距離(更安全)、減少8%加速時間(更高性能)[1]。

所謂輕量化,就是保證碰撞安全性能的前提下,從結構優化、輕質材料、成型工藝、連接技術等4個方面來降低整車重量。也就是說,採用鋁合金等輕質材料,只是輕量化系統工程的其中一環,而不是全部。

當然,這4個環節並不是同等重要的,業內正在經歷著從早年"材料是基礎、設計是龍頭、工藝是紐帶"技術路線,向"以新材料應用為導向,解決新材料應用過程中出現的設計和工藝問題"的轉變[2]。

也就是說,"輕質材料"是輕量化4個環節中最重要的一個。而鋁合金作為工業常見金屬材料,密度是鋼的1/3,同時具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高度的可回收性,是輕質材料的絕佳選擇(鈦合金與鎂合金暫不討論)。因此,說起輕量化必談全鋁車身,也就不足為奇了。

既然鋁合金這麼好,奧迪早在20年前就將全鋁車身應用在量產豪華車型A8上。回到國內自主品牌,直到2012年的上汽榮威950才在鋁機蓋、前後防撞樑上有少量的應用,足足晚了20年[3]。自主品牌大多走的是鋁蓋+防撞樑→鋁覆蓋件→全鋁車身的技術路線,甚至直到今天大多還是第一步[3]。這是為什麼呢?

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[3]

除成本因素外,應用全鋁車身是否還存在其他難點呢?

全鋁車身的應用難點

武俠世界中的頂級裝備/祕籍,分為兩種。一種是像軟猥甲、凌波微步這樣的,不依賴於使用者的資質,只要穿上用上就能發揮巨大作用;另一種則是像乾坤大挪移神功,威力更大,但若使用者修為不夠,則可能走火入魔,反為其害。

那麼全鋁車身呢--如果鋁合金不要錢、隨便用,是不是就一定能用出好效果呢?深入研究之後,我發現並非如此。除成本之外,全鋁車身的應用還存在三大難點:材料特性認知、成型工藝與連接技術。

第一點,材料特性認知不足

根據日本的JISH4000標準,鋁合金材料按1000-7000分成七大類,也就是常說的5系鋁、6系鋁、7系鋁等。

不同的鋁合金特性差異很大,適合用在不同的位置。咱們以寶馬新X5為例:

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(寶馬新X5使用了多種鋁合金材料)

"5000系是鋁鎂合金(圖中的AlMg3、AlMg4等),固溶於鋁基體中,形成固溶強化效應,是一種熱處理不可強化的鋁合金,具有良好的腐蝕性和焊接性能。通常應用於強度要求不高,形狀複雜,對外觀品質要求較低的覆蓋件內板、空氣清潔罩、擋泥板、承載地板,其中5038與5183兩個型號的應用最廣泛[4]。

"6000系是鋁鎂硅合金(上圖中的AlMgSi、AlMg0.4Si1.2等),具有較高的強度、較好的塑性和優良的耐腐蝕性,是最主流的車用鋁全金材料,通用應用於頂蓋、行李箱蓋、車門等車身結構件。

"7000系合金以鋅為主,有時要添加少量鎂、銅。擁有媲美鋼材的硬度、焊接性能好,可熱處理強化。主要應用於航空航天,說是"航空鋁合金",倒是一點也沒吹牛。

如果採用傳統的高強度鋼作為車身的主要材料,那麼主機廠可以通過供應商、招聘員工、歷史資料等多種渠道來獲得技術知識,加快車身的研發進程、縮短研發週期。

那如果採用全鋁車身呢?對給主機廠帶來巨大的難題:國內鋁合金材料的供應商比較少、經驗不足;初創企業沒有歷史資料;國內也很難招聘到全鋁車身技術專家。

更不用說,蔚來ES8車型上的鋁合金用量高達96%,超過奧迪A8成為歷史新高;為了實現335kg的車身輕量化目標,航空7系鋁也是第一次應用在汽車上,它的材料特性表現如何,誰也沒有十足的把握。別說在全鋁車身發展較慢的中國了,就是放眼全球,蔚來ES8的全鋁車身設計也是一個難題。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

典型鋁車身的用鋁比例,圖片來源[4]

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來全鋁架構用鋁量高達96.4%

面對上述難題,蔚來的解決方法是:從基礎的材料特性研究做起,來彌補對鋁合金的認知缺失。在安全體驗日現場,蔚來整車安全團隊負責人PereFontsMestres介紹說,備選材料A與材料B從數值來看均滿足要求,但在材料特性試驗中,材料A出現斷裂、表現不穩定、吸能效率低,而材料B未發生斷裂、穩定摺疊、吸能充分,因此最終選用了材料B。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(這是一個現場視頻,講述材料特性研究的基礎研究)

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(除了材料特性試驗之外,還要針對新材料製成的零部件進行試驗)

這些試驗便是應用全鋁車身的代價。造車新勢力的研發流程本來就被縮短,為了應用全鋁車身又憑空增加了不少工作量,參與這項工作的工程師們,真的可以說是壓力山大。難怪在會後的單獨交流中,Pere表示蔚來ES8的全鋁車身設計能夠保證質量、按時完成,是一項值得驕傲的成就。

第二點,鋁合金的成型工藝不同

對全鋁車身來說,不僅材料特性是全新的,材料的成型工藝也是全新的。鋁合金的主要成型工藝包括鑄造、擠出、衝壓。如下圖表徵了材料的強度與延展性之間的關係,延展性越高,則成型難度越小。我們可以看到,與3代高強度鋼材料相比,7系鋁的延展性幾乎墊底,成型難度很高。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[5]

除了延伸率低、成型時易破裂的成型難題之外,鋁合金的回彈性是普通鋼板的3倍,回彈不好控制[3],這就又增加了設計難度(同情蔚來車身工程師)。鋁合金成型工藝上的突破,不僅依賴於蔚來工程師的設計水平提高,對供應商也提出更高的要求。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來後防護樞紐,整車最大單體鋁鑄件

第三點,鋁合金的連接技術

因鋁合金熔點低、熱導率高、表面易氧化等特性,鋼材料上廣泛應用的電阻點焊技術,在鋁合金上有時候就不太好用了[6]。為了應用全鋁車身,蔚來把主流的鋁合金連接技術都用了一遍(如下圖)。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

最主要的3種連接方式為自衝鉚接(SPR,Self-PiercingRiveting)、熱融自攻鉚接/流鑽螺釘(FDS,FlowDrillScrew)與鋁點焊ASW(AlSpotWelding),ES8前期規劃的SPR焊槍多達134套,FDS設備多達32套,而ASW設備也接近50套,都是為了全鋁車身而投入的白花花銀子啊[7]。

"

我是一名遊戲愛好者。在遠古的單機遊戲時代,有兩類迵然不同的玩家:博派與狂派。

"博派:無論難度多變態,博派總要在不利形勢下追求極致的勝利。什麼"魂鬥派不發子彈通關"、"是男人就堅持30秒"都是博派喜聞樂見的經典之作;在手遊皇室戰爭中,依靠廉價卡組登頂世界冠軍的Jack,也被作為博派玩家代表而津津樂道。

"狂派:無論任何遊戲,狂派都必須要開個"金手指",依賴強大的優勢來取得碾壓的勝利,至於技術則成了無關緊要的因素。哪怕是玩難度較低的"魂鬥羅",也需要"上上下下左右左右BA"調出30條命來玩;到了網絡遊戲時代,狂派搖身一變,換了個稱呼:RMB玩家。

作為一位不折不扣的博派玩家(因為沒錢,沒法當RMB玩家),當聽說全鋁車身的概念的時候,心中想當然地掠過一個想法:與鋼相比,鋁合金密度低、比強度高,既然像狂派玩家一樣使用了更昂貴的材料,那麼全鋁車身設計、製造的技術含量肯定高不到哪去,有什麼好吹噓的呢?

這個想法正確嗎?應用全鋁車身到底是狂派還是博派?

正是帶著這個疑問,我參加了7月24日的蔚來整車工程安全體驗日活動,希望能夠探究出更深的認知。

汽車輕量化與鋁合金材料

汽車每減少10%的重量,可以大概減少6-8%的能耗(更節能)、減少5%制動距離(更安全)、減少8%加速時間(更高性能)[1]。

所謂輕量化,就是保證碰撞安全性能的前提下,從結構優化、輕質材料、成型工藝、連接技術等4個方面來降低整車重量。也就是說,採用鋁合金等輕質材料,只是輕量化系統工程的其中一環,而不是全部。

當然,這4個環節並不是同等重要的,業內正在經歷著從早年"材料是基礎、設計是龍頭、工藝是紐帶"技術路線,向"以新材料應用為導向,解決新材料應用過程中出現的設計和工藝問題"的轉變[2]。

也就是說,"輕質材料"是輕量化4個環節中最重要的一個。而鋁合金作為工業常見金屬材料,密度是鋼的1/3,同時具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高度的可回收性,是輕質材料的絕佳選擇(鈦合金與鎂合金暫不討論)。因此,說起輕量化必談全鋁車身,也就不足為奇了。

既然鋁合金這麼好,奧迪早在20年前就將全鋁車身應用在量產豪華車型A8上。回到國內自主品牌,直到2012年的上汽榮威950才在鋁機蓋、前後防撞樑上有少量的應用,足足晚了20年[3]。自主品牌大多走的是鋁蓋+防撞樑→鋁覆蓋件→全鋁車身的技術路線,甚至直到今天大多還是第一步[3]。這是為什麼呢?

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[3]

除成本因素外,應用全鋁車身是否還存在其他難點呢?

全鋁車身的應用難點

武俠世界中的頂級裝備/祕籍,分為兩種。一種是像軟猥甲、凌波微步這樣的,不依賴於使用者的資質,只要穿上用上就能發揮巨大作用;另一種則是像乾坤大挪移神功,威力更大,但若使用者修為不夠,則可能走火入魔,反為其害。

那麼全鋁車身呢--如果鋁合金不要錢、隨便用,是不是就一定能用出好效果呢?深入研究之後,我發現並非如此。除成本之外,全鋁車身的應用還存在三大難點:材料特性認知、成型工藝與連接技術。

第一點,材料特性認知不足

根據日本的JISH4000標準,鋁合金材料按1000-7000分成七大類,也就是常說的5系鋁、6系鋁、7系鋁等。

不同的鋁合金特性差異很大,適合用在不同的位置。咱們以寶馬新X5為例:

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(寶馬新X5使用了多種鋁合金材料)

"5000系是鋁鎂合金(圖中的AlMg3、AlMg4等),固溶於鋁基體中,形成固溶強化效應,是一種熱處理不可強化的鋁合金,具有良好的腐蝕性和焊接性能。通常應用於強度要求不高,形狀複雜,對外觀品質要求較低的覆蓋件內板、空氣清潔罩、擋泥板、承載地板,其中5038與5183兩個型號的應用最廣泛[4]。

"6000系是鋁鎂硅合金(上圖中的AlMgSi、AlMg0.4Si1.2等),具有較高的強度、較好的塑性和優良的耐腐蝕性,是最主流的車用鋁全金材料,通用應用於頂蓋、行李箱蓋、車門等車身結構件。

"7000系合金以鋅為主,有時要添加少量鎂、銅。擁有媲美鋼材的硬度、焊接性能好,可熱處理強化。主要應用於航空航天,說是"航空鋁合金",倒是一點也沒吹牛。

如果採用傳統的高強度鋼作為車身的主要材料,那麼主機廠可以通過供應商、招聘員工、歷史資料等多種渠道來獲得技術知識,加快車身的研發進程、縮短研發週期。

那如果採用全鋁車身呢?對給主機廠帶來巨大的難題:國內鋁合金材料的供應商比較少、經驗不足;初創企業沒有歷史資料;國內也很難招聘到全鋁車身技術專家。

更不用說,蔚來ES8車型上的鋁合金用量高達96%,超過奧迪A8成為歷史新高;為了實現335kg的車身輕量化目標,航空7系鋁也是第一次應用在汽車上,它的材料特性表現如何,誰也沒有十足的把握。別說在全鋁車身發展較慢的中國了,就是放眼全球,蔚來ES8的全鋁車身設計也是一個難題。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

典型鋁車身的用鋁比例,圖片來源[4]

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來全鋁架構用鋁量高達96.4%

面對上述難題,蔚來的解決方法是:從基礎的材料特性研究做起,來彌補對鋁合金的認知缺失。在安全體驗日現場,蔚來整車安全團隊負責人PereFontsMestres介紹說,備選材料A與材料B從數值來看均滿足要求,但在材料特性試驗中,材料A出現斷裂、表現不穩定、吸能效率低,而材料B未發生斷裂、穩定摺疊、吸能充分,因此最終選用了材料B。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(這是一個現場視頻,講述材料特性研究的基礎研究)

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(除了材料特性試驗之外,還要針對新材料製成的零部件進行試驗)

這些試驗便是應用全鋁車身的代價。造車新勢力的研發流程本來就被縮短,為了應用全鋁車身又憑空增加了不少工作量,參與這項工作的工程師們,真的可以說是壓力山大。難怪在會後的單獨交流中,Pere表示蔚來ES8的全鋁車身設計能夠保證質量、按時完成,是一項值得驕傲的成就。

第二點,鋁合金的成型工藝不同

對全鋁車身來說,不僅材料特性是全新的,材料的成型工藝也是全新的。鋁合金的主要成型工藝包括鑄造、擠出、衝壓。如下圖表徵了材料的強度與延展性之間的關係,延展性越高,則成型難度越小。我們可以看到,與3代高強度鋼材料相比,7系鋁的延展性幾乎墊底,成型難度很高。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[5]

除了延伸率低、成型時易破裂的成型難題之外,鋁合金的回彈性是普通鋼板的3倍,回彈不好控制[3],這就又增加了設計難度(同情蔚來車身工程師)。鋁合金成型工藝上的突破,不僅依賴於蔚來工程師的設計水平提高,對供應商也提出更高的要求。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來後防護樞紐,整車最大單體鋁鑄件

第三點,鋁合金的連接技術

因鋁合金熔點低、熱導率高、表面易氧化等特性,鋼材料上廣泛應用的電阻點焊技術,在鋁合金上有時候就不太好用了[6]。為了應用全鋁車身,蔚來把主流的鋁合金連接技術都用了一遍(如下圖)。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

最主要的3種連接方式為自衝鉚接(SPR,Self-PiercingRiveting)、熱融自攻鉚接/流鑽螺釘(FDS,FlowDrillScrew)與鋁點焊ASW(AlSpotWelding),ES8前期規劃的SPR焊槍多達134套,FDS設備多達32套,而ASW設備也接近50套,都是為了全鋁車身而投入的白花花銀子啊[7]。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

SPR連接工藝過程,圖片來源[8]

"

我是一名遊戲愛好者。在遠古的單機遊戲時代,有兩類迵然不同的玩家:博派與狂派。

"博派:無論難度多變態,博派總要在不利形勢下追求極致的勝利。什麼"魂鬥派不發子彈通關"、"是男人就堅持30秒"都是博派喜聞樂見的經典之作;在手遊皇室戰爭中,依靠廉價卡組登頂世界冠軍的Jack,也被作為博派玩家代表而津津樂道。

"狂派:無論任何遊戲,狂派都必須要開個"金手指",依賴強大的優勢來取得碾壓的勝利,至於技術則成了無關緊要的因素。哪怕是玩難度較低的"魂鬥羅",也需要"上上下下左右左右BA"調出30條命來玩;到了網絡遊戲時代,狂派搖身一變,換了個稱呼:RMB玩家。

作為一位不折不扣的博派玩家(因為沒錢,沒法當RMB玩家),當聽說全鋁車身的概念的時候,心中想當然地掠過一個想法:與鋼相比,鋁合金密度低、比強度高,既然像狂派玩家一樣使用了更昂貴的材料,那麼全鋁車身設計、製造的技術含量肯定高不到哪去,有什麼好吹噓的呢?

這個想法正確嗎?應用全鋁車身到底是狂派還是博派?

正是帶著這個疑問,我參加了7月24日的蔚來整車工程安全體驗日活動,希望能夠探究出更深的認知。

汽車輕量化與鋁合金材料

汽車每減少10%的重量,可以大概減少6-8%的能耗(更節能)、減少5%制動距離(更安全)、減少8%加速時間(更高性能)[1]。

所謂輕量化,就是保證碰撞安全性能的前提下,從結構優化、輕質材料、成型工藝、連接技術等4個方面來降低整車重量。也就是說,採用鋁合金等輕質材料,只是輕量化系統工程的其中一環,而不是全部。

當然,這4個環節並不是同等重要的,業內正在經歷著從早年"材料是基礎、設計是龍頭、工藝是紐帶"技術路線,向"以新材料應用為導向,解決新材料應用過程中出現的設計和工藝問題"的轉變[2]。

也就是說,"輕質材料"是輕量化4個環節中最重要的一個。而鋁合金作為工業常見金屬材料,密度是鋼的1/3,同時具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高度的可回收性,是輕質材料的絕佳選擇(鈦合金與鎂合金暫不討論)。因此,說起輕量化必談全鋁車身,也就不足為奇了。

既然鋁合金這麼好,奧迪早在20年前就將全鋁車身應用在量產豪華車型A8上。回到國內自主品牌,直到2012年的上汽榮威950才在鋁機蓋、前後防撞樑上有少量的應用,足足晚了20年[3]。自主品牌大多走的是鋁蓋+防撞樑→鋁覆蓋件→全鋁車身的技術路線,甚至直到今天大多還是第一步[3]。這是為什麼呢?

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[3]

除成本因素外,應用全鋁車身是否還存在其他難點呢?

全鋁車身的應用難點

武俠世界中的頂級裝備/祕籍,分為兩種。一種是像軟猥甲、凌波微步這樣的,不依賴於使用者的資質,只要穿上用上就能發揮巨大作用;另一種則是像乾坤大挪移神功,威力更大,但若使用者修為不夠,則可能走火入魔,反為其害。

那麼全鋁車身呢--如果鋁合金不要錢、隨便用,是不是就一定能用出好效果呢?深入研究之後,我發現並非如此。除成本之外,全鋁車身的應用還存在三大難點:材料特性認知、成型工藝與連接技術。

第一點,材料特性認知不足

根據日本的JISH4000標準,鋁合金材料按1000-7000分成七大類,也就是常說的5系鋁、6系鋁、7系鋁等。

不同的鋁合金特性差異很大,適合用在不同的位置。咱們以寶馬新X5為例:

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(寶馬新X5使用了多種鋁合金材料)

"5000系是鋁鎂合金(圖中的AlMg3、AlMg4等),固溶於鋁基體中,形成固溶強化效應,是一種熱處理不可強化的鋁合金,具有良好的腐蝕性和焊接性能。通常應用於強度要求不高,形狀複雜,對外觀品質要求較低的覆蓋件內板、空氣清潔罩、擋泥板、承載地板,其中5038與5183兩個型號的應用最廣泛[4]。

"6000系是鋁鎂硅合金(上圖中的AlMgSi、AlMg0.4Si1.2等),具有較高的強度、較好的塑性和優良的耐腐蝕性,是最主流的車用鋁全金材料,通用應用於頂蓋、行李箱蓋、車門等車身結構件。

"7000系合金以鋅為主,有時要添加少量鎂、銅。擁有媲美鋼材的硬度、焊接性能好,可熱處理強化。主要應用於航空航天,說是"航空鋁合金",倒是一點也沒吹牛。

如果採用傳統的高強度鋼作為車身的主要材料,那麼主機廠可以通過供應商、招聘員工、歷史資料等多種渠道來獲得技術知識,加快車身的研發進程、縮短研發週期。

那如果採用全鋁車身呢?對給主機廠帶來巨大的難題:國內鋁合金材料的供應商比較少、經驗不足;初創企業沒有歷史資料;國內也很難招聘到全鋁車身技術專家。

更不用說,蔚來ES8車型上的鋁合金用量高達96%,超過奧迪A8成為歷史新高;為了實現335kg的車身輕量化目標,航空7系鋁也是第一次應用在汽車上,它的材料特性表現如何,誰也沒有十足的把握。別說在全鋁車身發展較慢的中國了,就是放眼全球,蔚來ES8的全鋁車身設計也是一個難題。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

典型鋁車身的用鋁比例,圖片來源[4]

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來全鋁架構用鋁量高達96.4%

面對上述難題,蔚來的解決方法是:從基礎的材料特性研究做起,來彌補對鋁合金的認知缺失。在安全體驗日現場,蔚來整車安全團隊負責人PereFontsMestres介紹說,備選材料A與材料B從數值來看均滿足要求,但在材料特性試驗中,材料A出現斷裂、表現不穩定、吸能效率低,而材料B未發生斷裂、穩定摺疊、吸能充分,因此最終選用了材料B。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(這是一個現場視頻,講述材料特性研究的基礎研究)

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(除了材料特性試驗之外,還要針對新材料製成的零部件進行試驗)

這些試驗便是應用全鋁車身的代價。造車新勢力的研發流程本來就被縮短,為了應用全鋁車身又憑空增加了不少工作量,參與這項工作的工程師們,真的可以說是壓力山大。難怪在會後的單獨交流中,Pere表示蔚來ES8的全鋁車身設計能夠保證質量、按時完成,是一項值得驕傲的成就。

第二點,鋁合金的成型工藝不同

對全鋁車身來說,不僅材料特性是全新的,材料的成型工藝也是全新的。鋁合金的主要成型工藝包括鑄造、擠出、衝壓。如下圖表徵了材料的強度與延展性之間的關係,延展性越高,則成型難度越小。我們可以看到,與3代高強度鋼材料相比,7系鋁的延展性幾乎墊底,成型難度很高。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[5]

除了延伸率低、成型時易破裂的成型難題之外,鋁合金的回彈性是普通鋼板的3倍,回彈不好控制[3],這就又增加了設計難度(同情蔚來車身工程師)。鋁合金成型工藝上的突破,不僅依賴於蔚來工程師的設計水平提高,對供應商也提出更高的要求。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來後防護樞紐,整車最大單體鋁鑄件

第三點,鋁合金的連接技術

因鋁合金熔點低、熱導率高、表面易氧化等特性,鋼材料上廣泛應用的電阻點焊技術,在鋁合金上有時候就不太好用了[6]。為了應用全鋁車身,蔚來把主流的鋁合金連接技術都用了一遍(如下圖)。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

最主要的3種連接方式為自衝鉚接(SPR,Self-PiercingRiveting)、熱融自攻鉚接/流鑽螺釘(FDS,FlowDrillScrew)與鋁點焊ASW(AlSpotWelding),ES8前期規劃的SPR焊槍多達134套,FDS設備多達32套,而ASW設備也接近50套,都是為了全鋁車身而投入的白花花銀子啊[7]。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

SPR連接工藝過程,圖片來源[8]

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

FDS連接工藝過程,圖片來源[9]

所以說,應用全鋁車身真的不容易,不僅材料特性需要重新試驗研究、成型工藝需要重新設計,就連連接工藝也變得複雜很多。

講到這裡,文章題目的問題就能回答了:如果全鋁材料隨便用,車身設計並不會變得更簡單,而是會變得更有挑戰性。採用全鋁車身的蔚來,其實並不是"狂派",而是和我一樣的"博派"。

新技術的知識溢出效應

全鋁車身應用,只是蔚來整車安全設計的難點之一,其他難點還有:如何安放氣囊以實現安全的同時保證女王副駕的空間舒適性、如何保證換電效率的同時保證碰撞安全性、如何設計大側面安全氣簾來加強第三排座椅的保證。

為了解決上述難點,蔚來投入了大量的資源與人力進行研發。客觀地說,能夠從無到有的情況下按時完成全鋁車身的設計與量產,在C-NCAP的2018年新規下拿到五星安全成績,並額外通過了歐標柱碰安全試驗、美標80kph尾碰安全試驗,成果值得肯定。

"

我是一名遊戲愛好者。在遠古的單機遊戲時代,有兩類迵然不同的玩家:博派與狂派。

"博派:無論難度多變態,博派總要在不利形勢下追求極致的勝利。什麼"魂鬥派不發子彈通關"、"是男人就堅持30秒"都是博派喜聞樂見的經典之作;在手遊皇室戰爭中,依靠廉價卡組登頂世界冠軍的Jack,也被作為博派玩家代表而津津樂道。

"狂派:無論任何遊戲,狂派都必須要開個"金手指",依賴強大的優勢來取得碾壓的勝利,至於技術則成了無關緊要的因素。哪怕是玩難度較低的"魂鬥羅",也需要"上上下下左右左右BA"調出30條命來玩;到了網絡遊戲時代,狂派搖身一變,換了個稱呼:RMB玩家。

作為一位不折不扣的博派玩家(因為沒錢,沒法當RMB玩家),當聽說全鋁車身的概念的時候,心中想當然地掠過一個想法:與鋼相比,鋁合金密度低、比強度高,既然像狂派玩家一樣使用了更昂貴的材料,那麼全鋁車身設計、製造的技術含量肯定高不到哪去,有什麼好吹噓的呢?

這個想法正確嗎?應用全鋁車身到底是狂派還是博派?

正是帶著這個疑問,我參加了7月24日的蔚來整車工程安全體驗日活動,希望能夠探究出更深的認知。

汽車輕量化與鋁合金材料

汽車每減少10%的重量,可以大概減少6-8%的能耗(更節能)、減少5%制動距離(更安全)、減少8%加速時間(更高性能)[1]。

所謂輕量化,就是保證碰撞安全性能的前提下,從結構優化、輕質材料、成型工藝、連接技術等4個方面來降低整車重量。也就是說,採用鋁合金等輕質材料,只是輕量化系統工程的其中一環,而不是全部。

當然,這4個環節並不是同等重要的,業內正在經歷著從早年"材料是基礎、設計是龍頭、工藝是紐帶"技術路線,向"以新材料應用為導向,解決新材料應用過程中出現的設計和工藝問題"的轉變[2]。

也就是說,"輕質材料"是輕量化4個環節中最重要的一個。而鋁合金作為工業常見金屬材料,密度是鋼的1/3,同時具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高度的可回收性,是輕質材料的絕佳選擇(鈦合金與鎂合金暫不討論)。因此,說起輕量化必談全鋁車身,也就不足為奇了。

既然鋁合金這麼好,奧迪早在20年前就將全鋁車身應用在量產豪華車型A8上。回到國內自主品牌,直到2012年的上汽榮威950才在鋁機蓋、前後防撞樑上有少量的應用,足足晚了20年[3]。自主品牌大多走的是鋁蓋+防撞樑→鋁覆蓋件→全鋁車身的技術路線,甚至直到今天大多還是第一步[3]。這是為什麼呢?

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[3]

除成本因素外,應用全鋁車身是否還存在其他難點呢?

全鋁車身的應用難點

武俠世界中的頂級裝備/祕籍,分為兩種。一種是像軟猥甲、凌波微步這樣的,不依賴於使用者的資質,只要穿上用上就能發揮巨大作用;另一種則是像乾坤大挪移神功,威力更大,但若使用者修為不夠,則可能走火入魔,反為其害。

那麼全鋁車身呢--如果鋁合金不要錢、隨便用,是不是就一定能用出好效果呢?深入研究之後,我發現並非如此。除成本之外,全鋁車身的應用還存在三大難點:材料特性認知、成型工藝與連接技術。

第一點,材料特性認知不足

根據日本的JISH4000標準,鋁合金材料按1000-7000分成七大類,也就是常說的5系鋁、6系鋁、7系鋁等。

不同的鋁合金特性差異很大,適合用在不同的位置。咱們以寶馬新X5為例:

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(寶馬新X5使用了多種鋁合金材料)

"5000系是鋁鎂合金(圖中的AlMg3、AlMg4等),固溶於鋁基體中,形成固溶強化效應,是一種熱處理不可強化的鋁合金,具有良好的腐蝕性和焊接性能。通常應用於強度要求不高,形狀複雜,對外觀品質要求較低的覆蓋件內板、空氣清潔罩、擋泥板、承載地板,其中5038與5183兩個型號的應用最廣泛[4]。

"6000系是鋁鎂硅合金(上圖中的AlMgSi、AlMg0.4Si1.2等),具有較高的強度、較好的塑性和優良的耐腐蝕性,是最主流的車用鋁全金材料,通用應用於頂蓋、行李箱蓋、車門等車身結構件。

"7000系合金以鋅為主,有時要添加少量鎂、銅。擁有媲美鋼材的硬度、焊接性能好,可熱處理強化。主要應用於航空航天,說是"航空鋁合金",倒是一點也沒吹牛。

如果採用傳統的高強度鋼作為車身的主要材料,那麼主機廠可以通過供應商、招聘員工、歷史資料等多種渠道來獲得技術知識,加快車身的研發進程、縮短研發週期。

那如果採用全鋁車身呢?對給主機廠帶來巨大的難題:國內鋁合金材料的供應商比較少、經驗不足;初創企業沒有歷史資料;國內也很難招聘到全鋁車身技術專家。

更不用說,蔚來ES8車型上的鋁合金用量高達96%,超過奧迪A8成為歷史新高;為了實現335kg的車身輕量化目標,航空7系鋁也是第一次應用在汽車上,它的材料特性表現如何,誰也沒有十足的把握。別說在全鋁車身發展較慢的中國了,就是放眼全球,蔚來ES8的全鋁車身設計也是一個難題。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

典型鋁車身的用鋁比例,圖片來源[4]

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來全鋁架構用鋁量高達96.4%

面對上述難題,蔚來的解決方法是:從基礎的材料特性研究做起,來彌補對鋁合金的認知缺失。在安全體驗日現場,蔚來整車安全團隊負責人PereFontsMestres介紹說,備選材料A與材料B從數值來看均滿足要求,但在材料特性試驗中,材料A出現斷裂、表現不穩定、吸能效率低,而材料B未發生斷裂、穩定摺疊、吸能充分,因此最終選用了材料B。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(這是一個現場視頻,講述材料特性研究的基礎研究)

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(除了材料特性試驗之外,還要針對新材料製成的零部件進行試驗)

這些試驗便是應用全鋁車身的代價。造車新勢力的研發流程本來就被縮短,為了應用全鋁車身又憑空增加了不少工作量,參與這項工作的工程師們,真的可以說是壓力山大。難怪在會後的單獨交流中,Pere表示蔚來ES8的全鋁車身設計能夠保證質量、按時完成,是一項值得驕傲的成就。

第二點,鋁合金的成型工藝不同

對全鋁車身來說,不僅材料特性是全新的,材料的成型工藝也是全新的。鋁合金的主要成型工藝包括鑄造、擠出、衝壓。如下圖表徵了材料的強度與延展性之間的關係,延展性越高,則成型難度越小。我們可以看到,與3代高強度鋼材料相比,7系鋁的延展性幾乎墊底,成型難度很高。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[5]

除了延伸率低、成型時易破裂的成型難題之外,鋁合金的回彈性是普通鋼板的3倍,回彈不好控制[3],這就又增加了設計難度(同情蔚來車身工程師)。鋁合金成型工藝上的突破,不僅依賴於蔚來工程師的設計水平提高,對供應商也提出更高的要求。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來後防護樞紐,整車最大單體鋁鑄件

第三點,鋁合金的連接技術

因鋁合金熔點低、熱導率高、表面易氧化等特性,鋼材料上廣泛應用的電阻點焊技術,在鋁合金上有時候就不太好用了[6]。為了應用全鋁車身,蔚來把主流的鋁合金連接技術都用了一遍(如下圖)。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

最主要的3種連接方式為自衝鉚接(SPR,Self-PiercingRiveting)、熱融自攻鉚接/流鑽螺釘(FDS,FlowDrillScrew)與鋁點焊ASW(AlSpotWelding),ES8前期規劃的SPR焊槍多達134套,FDS設備多達32套,而ASW設備也接近50套,都是為了全鋁車身而投入的白花花銀子啊[7]。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

SPR連接工藝過程,圖片來源[8]

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

FDS連接工藝過程,圖片來源[9]

所以說,應用全鋁車身真的不容易,不僅材料特性需要重新試驗研究、成型工藝需要重新設計,就連連接工藝也變得複雜很多。

講到這裡,文章題目的問題就能回答了:如果全鋁材料隨便用,車身設計並不會變得更簡單,而是會變得更有挑戰性。採用全鋁車身的蔚來,其實並不是"狂派",而是和我一樣的"博派"。

新技術的知識溢出效應

全鋁車身應用,只是蔚來整車安全設計的難點之一,其他難點還有:如何安放氣囊以實現安全的同時保證女王副駕的空間舒適性、如何保證換電效率的同時保證碰撞安全性、如何設計大側面安全氣簾來加強第三排座椅的保證。

為了解決上述難點,蔚來投入了大量的資源與人力進行研發。客觀地說,能夠從無到有的情況下按時完成全鋁車身的設計與量產,在C-NCAP的2018年新規下拿到五星安全成績,並額外通過了歐標柱碰安全試驗、美標80kph尾碰安全試驗,成果值得肯定。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(歐標柱碰視頻)

"

我是一名遊戲愛好者。在遠古的單機遊戲時代,有兩類迵然不同的玩家:博派與狂派。

"博派:無論難度多變態,博派總要在不利形勢下追求極致的勝利。什麼"魂鬥派不發子彈通關"、"是男人就堅持30秒"都是博派喜聞樂見的經典之作;在手遊皇室戰爭中,依靠廉價卡組登頂世界冠軍的Jack,也被作為博派玩家代表而津津樂道。

"狂派:無論任何遊戲,狂派都必須要開個"金手指",依賴強大的優勢來取得碾壓的勝利,至於技術則成了無關緊要的因素。哪怕是玩難度較低的"魂鬥羅",也需要"上上下下左右左右BA"調出30條命來玩;到了網絡遊戲時代,狂派搖身一變,換了個稱呼:RMB玩家。

作為一位不折不扣的博派玩家(因為沒錢,沒法當RMB玩家),當聽說全鋁車身的概念的時候,心中想當然地掠過一個想法:與鋼相比,鋁合金密度低、比強度高,既然像狂派玩家一樣使用了更昂貴的材料,那麼全鋁車身設計、製造的技術含量肯定高不到哪去,有什麼好吹噓的呢?

這個想法正確嗎?應用全鋁車身到底是狂派還是博派?

正是帶著這個疑問,我參加了7月24日的蔚來整車工程安全體驗日活動,希望能夠探究出更深的認知。

汽車輕量化與鋁合金材料

汽車每減少10%的重量,可以大概減少6-8%的能耗(更節能)、減少5%制動距離(更安全)、減少8%加速時間(更高性能)[1]。

所謂輕量化,就是保證碰撞安全性能的前提下,從結構優化、輕質材料、成型工藝、連接技術等4個方面來降低整車重量。也就是說,採用鋁合金等輕質材料,只是輕量化系統工程的其中一環,而不是全部。

當然,這4個環節並不是同等重要的,業內正在經歷著從早年"材料是基礎、設計是龍頭、工藝是紐帶"技術路線,向"以新材料應用為導向,解決新材料應用過程中出現的設計和工藝問題"的轉變[2]。

也就是說,"輕質材料"是輕量化4個環節中最重要的一個。而鋁合金作為工業常見金屬材料,密度是鋼的1/3,同時具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高度的可回收性,是輕質材料的絕佳選擇(鈦合金與鎂合金暫不討論)。因此,說起輕量化必談全鋁車身,也就不足為奇了。

既然鋁合金這麼好,奧迪早在20年前就將全鋁車身應用在量產豪華車型A8上。回到國內自主品牌,直到2012年的上汽榮威950才在鋁機蓋、前後防撞樑上有少量的應用,足足晚了20年[3]。自主品牌大多走的是鋁蓋+防撞樑→鋁覆蓋件→全鋁車身的技術路線,甚至直到今天大多還是第一步[3]。這是為什麼呢?

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[3]

除成本因素外,應用全鋁車身是否還存在其他難點呢?

全鋁車身的應用難點

武俠世界中的頂級裝備/祕籍,分為兩種。一種是像軟猥甲、凌波微步這樣的,不依賴於使用者的資質,只要穿上用上就能發揮巨大作用;另一種則是像乾坤大挪移神功,威力更大,但若使用者修為不夠,則可能走火入魔,反為其害。

那麼全鋁車身呢--如果鋁合金不要錢、隨便用,是不是就一定能用出好效果呢?深入研究之後,我發現並非如此。除成本之外,全鋁車身的應用還存在三大難點:材料特性認知、成型工藝與連接技術。

第一點,材料特性認知不足

根據日本的JISH4000標準,鋁合金材料按1000-7000分成七大類,也就是常說的5系鋁、6系鋁、7系鋁等。

不同的鋁合金特性差異很大,適合用在不同的位置。咱們以寶馬新X5為例:

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(寶馬新X5使用了多種鋁合金材料)

"5000系是鋁鎂合金(圖中的AlMg3、AlMg4等),固溶於鋁基體中,形成固溶強化效應,是一種熱處理不可強化的鋁合金,具有良好的腐蝕性和焊接性能。通常應用於強度要求不高,形狀複雜,對外觀品質要求較低的覆蓋件內板、空氣清潔罩、擋泥板、承載地板,其中5038與5183兩個型號的應用最廣泛[4]。

"6000系是鋁鎂硅合金(上圖中的AlMgSi、AlMg0.4Si1.2等),具有較高的強度、較好的塑性和優良的耐腐蝕性,是最主流的車用鋁全金材料,通用應用於頂蓋、行李箱蓋、車門等車身結構件。

"7000系合金以鋅為主,有時要添加少量鎂、銅。擁有媲美鋼材的硬度、焊接性能好,可熱處理強化。主要應用於航空航天,說是"航空鋁合金",倒是一點也沒吹牛。

如果採用傳統的高強度鋼作為車身的主要材料,那麼主機廠可以通過供應商、招聘員工、歷史資料等多種渠道來獲得技術知識,加快車身的研發進程、縮短研發週期。

那如果採用全鋁車身呢?對給主機廠帶來巨大的難題:國內鋁合金材料的供應商比較少、經驗不足;初創企業沒有歷史資料;國內也很難招聘到全鋁車身技術專家。

更不用說,蔚來ES8車型上的鋁合金用量高達96%,超過奧迪A8成為歷史新高;為了實現335kg的車身輕量化目標,航空7系鋁也是第一次應用在汽車上,它的材料特性表現如何,誰也沒有十足的把握。別說在全鋁車身發展較慢的中國了,就是放眼全球,蔚來ES8的全鋁車身設計也是一個難題。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

典型鋁車身的用鋁比例,圖片來源[4]

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來全鋁架構用鋁量高達96.4%

面對上述難題,蔚來的解決方法是:從基礎的材料特性研究做起,來彌補對鋁合金的認知缺失。在安全體驗日現場,蔚來整車安全團隊負責人PereFontsMestres介紹說,備選材料A與材料B從數值來看均滿足要求,但在材料特性試驗中,材料A出現斷裂、表現不穩定、吸能效率低,而材料B未發生斷裂、穩定摺疊、吸能充分,因此最終選用了材料B。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(這是一個現場視頻,講述材料特性研究的基礎研究)

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(除了材料特性試驗之外,還要針對新材料製成的零部件進行試驗)

這些試驗便是應用全鋁車身的代價。造車新勢力的研發流程本來就被縮短,為了應用全鋁車身又憑空增加了不少工作量,參與這項工作的工程師們,真的可以說是壓力山大。難怪在會後的單獨交流中,Pere表示蔚來ES8的全鋁車身設計能夠保證質量、按時完成,是一項值得驕傲的成就。

第二點,鋁合金的成型工藝不同

對全鋁車身來說,不僅材料特性是全新的,材料的成型工藝也是全新的。鋁合金的主要成型工藝包括鑄造、擠出、衝壓。如下圖表徵了材料的強度與延展性之間的關係,延展性越高,則成型難度越小。我們可以看到,與3代高強度鋼材料相比,7系鋁的延展性幾乎墊底,成型難度很高。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[5]

除了延伸率低、成型時易破裂的成型難題之外,鋁合金的回彈性是普通鋼板的3倍,回彈不好控制[3],這就又增加了設計難度(同情蔚來車身工程師)。鋁合金成型工藝上的突破,不僅依賴於蔚來工程師的設計水平提高,對供應商也提出更高的要求。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來後防護樞紐,整車最大單體鋁鑄件

第三點,鋁合金的連接技術

因鋁合金熔點低、熱導率高、表面易氧化等特性,鋼材料上廣泛應用的電阻點焊技術,在鋁合金上有時候就不太好用了[6]。為了應用全鋁車身,蔚來把主流的鋁合金連接技術都用了一遍(如下圖)。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

最主要的3種連接方式為自衝鉚接(SPR,Self-PiercingRiveting)、熱融自攻鉚接/流鑽螺釘(FDS,FlowDrillScrew)與鋁點焊ASW(AlSpotWelding),ES8前期規劃的SPR焊槍多達134套,FDS設備多達32套,而ASW設備也接近50套,都是為了全鋁車身而投入的白花花銀子啊[7]。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

SPR連接工藝過程,圖片來源[8]

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

FDS連接工藝過程,圖片來源[9]

所以說,應用全鋁車身真的不容易,不僅材料特性需要重新試驗研究、成型工藝需要重新設計,就連連接工藝也變得複雜很多。

講到這裡,文章題目的問題就能回答了:如果全鋁材料隨便用,車身設計並不會變得更簡單,而是會變得更有挑戰性。採用全鋁車身的蔚來,其實並不是"狂派",而是和我一樣的"博派"。

新技術的知識溢出效應

全鋁車身應用,只是蔚來整車安全設計的難點之一,其他難點還有:如何安放氣囊以實現安全的同時保證女王副駕的空間舒適性、如何保證換電效率的同時保證碰撞安全性、如何設計大側面安全氣簾來加強第三排座椅的保證。

為了解決上述難點,蔚來投入了大量的資源與人力進行研發。客觀地說,能夠從無到有的情況下按時完成全鋁車身的設計與量產,在C-NCAP的2018年新規下拿到五星安全成績,並額外通過了歐標柱碰安全試驗、美標80kph尾碰安全試驗,成果值得肯定。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(歐標柱碰視頻)

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(美標尾碰視頻)

知名公眾號"汽車輕量化設計"曾表達這樣一個觀點:雖然超高強度鋼、熱成型鋼來勢洶洶,但鋁合金材料依然是未來汽車輕量化的核心材料,阻礙國內鋁車身應用的主要是對材料特性、結構、工藝的研究不夠[10]。

蔚來在全鋁車身的材料特性、成型工藝、連接工藝上的"激進"投入,從企業自身角度來講,可能只是為了彰顯敢於創新、安全與性能不妥協的品牌形象。

而從國內汽車行業的角度來說,蔚來投入的資源最終會轉化為工程師的知識,將來有各種機會流入到其他汽車企業,在客觀上促進了國內鋁製車身的應用與輕量化技術的發展,這便是新技術的知識溢出效應。

曾與某個合資品牌的車身設計師交流:"國內的鋁製車身工程師多嗎,好不好招?"他回答"目前幾乎找不到"。而這一情況,在蔚來踐行全鋁車身的設計與量產之後,將有所改觀。蔚來的黑點再多,在全鋁車身的創新這點是沒得黑的。

麻省理工大學主編的《重塑製造業》一書中,也闡述了這種知識溢出效應:企業的創新常常會促進整個行業的發展[11]。書中舉了很多這樣的例子,其中一個是:柯達公司所在的紐約州羅切斯特,企業的創新向外溢出,催生了博士倫公司、康寧公司等一群光學/光子公司,進而形成了光學產業集群。

補充:高壓系統的碰撞斷電功能

大家應該還記得,前一段沸沸揚揚的瑪莎拉帝醉駕追尾寶馬的事故中,最終導致死亡的原因是碰撞後起火。

電動汽車沒有油路洩漏起火的問題,但是它有高壓電路。若碰撞之後不能及時斷掉高壓電,則很可能引燃起火、乘員觸電,甚至會對救援人員造成人身傷害。因此,電動汽車高壓系統的碰撞斷電功能,有兩個特性特別重要:

"可靠性:由於涉及到人身安全,系統可靠性非常重要,一般都要設置冗餘控制通路。

"實時性:碰撞是電光火石一瞬間的事情,整個碰撞過程以毫秒來計,因此高壓系統斷電越快越安全;此外,碰撞後汽車控制系統可能也會失效,斷電要是慢了,有可能就永遠也斷不了電了。

普通的高壓系統碰撞斷電需要多久呢?我們來看看論文[A02]的傳統控制架構:如下圖所示,在碰撞傳感器偵測到碰撞之後,第1步將信號傳給氣囊ECU、第2步傳給VCU再傳給BMS(也可設計為直接傳給BMS)、第3步由BMS控制繼電器斷電(每1步中,可能還要經歷接收信號&邏輯判斷、發送控制信號兩個週期)。若以50ms為一個控制週期,那麼從碰撞發生到斷電,起碼要經歷100-300ms的時間。

"

我是一名遊戲愛好者。在遠古的單機遊戲時代,有兩類迵然不同的玩家:博派與狂派。

"博派:無論難度多變態,博派總要在不利形勢下追求極致的勝利。什麼"魂鬥派不發子彈通關"、"是男人就堅持30秒"都是博派喜聞樂見的經典之作;在手遊皇室戰爭中,依靠廉價卡組登頂世界冠軍的Jack,也被作為博派玩家代表而津津樂道。

"狂派:無論任何遊戲,狂派都必須要開個"金手指",依賴強大的優勢來取得碾壓的勝利,至於技術則成了無關緊要的因素。哪怕是玩難度較低的"魂鬥羅",也需要"上上下下左右左右BA"調出30條命來玩;到了網絡遊戲時代,狂派搖身一變,換了個稱呼:RMB玩家。

作為一位不折不扣的博派玩家(因為沒錢,沒法當RMB玩家),當聽說全鋁車身的概念的時候,心中想當然地掠過一個想法:與鋼相比,鋁合金密度低、比強度高,既然像狂派玩家一樣使用了更昂貴的材料,那麼全鋁車身設計、製造的技術含量肯定高不到哪去,有什麼好吹噓的呢?

這個想法正確嗎?應用全鋁車身到底是狂派還是博派?

正是帶著這個疑問,我參加了7月24日的蔚來整車工程安全體驗日活動,希望能夠探究出更深的認知。

汽車輕量化與鋁合金材料

汽車每減少10%的重量,可以大概減少6-8%的能耗(更節能)、減少5%制動距離(更安全)、減少8%加速時間(更高性能)[1]。

所謂輕量化,就是保證碰撞安全性能的前提下,從結構優化、輕質材料、成型工藝、連接技術等4個方面來降低整車重量。也就是說,採用鋁合金等輕質材料,只是輕量化系統工程的其中一環,而不是全部。

當然,這4個環節並不是同等重要的,業內正在經歷著從早年"材料是基礎、設計是龍頭、工藝是紐帶"技術路線,向"以新材料應用為導向,解決新材料應用過程中出現的設計和工藝問題"的轉變[2]。

也就是說,"輕質材料"是輕量化4個環節中最重要的一個。而鋁合金作為工業常見金屬材料,密度是鋼的1/3,同時具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高度的可回收性,是輕質材料的絕佳選擇(鈦合金與鎂合金暫不討論)。因此,說起輕量化必談全鋁車身,也就不足為奇了。

既然鋁合金這麼好,奧迪早在20年前就將全鋁車身應用在量產豪華車型A8上。回到國內自主品牌,直到2012年的上汽榮威950才在鋁機蓋、前後防撞樑上有少量的應用,足足晚了20年[3]。自主品牌大多走的是鋁蓋+防撞樑→鋁覆蓋件→全鋁車身的技術路線,甚至直到今天大多還是第一步[3]。這是為什麼呢?

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[3]

除成本因素外,應用全鋁車身是否還存在其他難點呢?

全鋁車身的應用難點

武俠世界中的頂級裝備/祕籍,分為兩種。一種是像軟猥甲、凌波微步這樣的,不依賴於使用者的資質,只要穿上用上就能發揮巨大作用;另一種則是像乾坤大挪移神功,威力更大,但若使用者修為不夠,則可能走火入魔,反為其害。

那麼全鋁車身呢--如果鋁合金不要錢、隨便用,是不是就一定能用出好效果呢?深入研究之後,我發現並非如此。除成本之外,全鋁車身的應用還存在三大難點:材料特性認知、成型工藝與連接技術。

第一點,材料特性認知不足

根據日本的JISH4000標準,鋁合金材料按1000-7000分成七大類,也就是常說的5系鋁、6系鋁、7系鋁等。

不同的鋁合金特性差異很大,適合用在不同的位置。咱們以寶馬新X5為例:

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(寶馬新X5使用了多種鋁合金材料)

"5000系是鋁鎂合金(圖中的AlMg3、AlMg4等),固溶於鋁基體中,形成固溶強化效應,是一種熱處理不可強化的鋁合金,具有良好的腐蝕性和焊接性能。通常應用於強度要求不高,形狀複雜,對外觀品質要求較低的覆蓋件內板、空氣清潔罩、擋泥板、承載地板,其中5038與5183兩個型號的應用最廣泛[4]。

"6000系是鋁鎂硅合金(上圖中的AlMgSi、AlMg0.4Si1.2等),具有較高的強度、較好的塑性和優良的耐腐蝕性,是最主流的車用鋁全金材料,通用應用於頂蓋、行李箱蓋、車門等車身結構件。

"7000系合金以鋅為主,有時要添加少量鎂、銅。擁有媲美鋼材的硬度、焊接性能好,可熱處理強化。主要應用於航空航天,說是"航空鋁合金",倒是一點也沒吹牛。

如果採用傳統的高強度鋼作為車身的主要材料,那麼主機廠可以通過供應商、招聘員工、歷史資料等多種渠道來獲得技術知識,加快車身的研發進程、縮短研發週期。

那如果採用全鋁車身呢?對給主機廠帶來巨大的難題:國內鋁合金材料的供應商比較少、經驗不足;初創企業沒有歷史資料;國內也很難招聘到全鋁車身技術專家。

更不用說,蔚來ES8車型上的鋁合金用量高達96%,超過奧迪A8成為歷史新高;為了實現335kg的車身輕量化目標,航空7系鋁也是第一次應用在汽車上,它的材料特性表現如何,誰也沒有十足的把握。別說在全鋁車身發展較慢的中國了,就是放眼全球,蔚來ES8的全鋁車身設計也是一個難題。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

典型鋁車身的用鋁比例,圖片來源[4]

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來全鋁架構用鋁量高達96.4%

面對上述難題,蔚來的解決方法是:從基礎的材料特性研究做起,來彌補對鋁合金的認知缺失。在安全體驗日現場,蔚來整車安全團隊負責人PereFontsMestres介紹說,備選材料A與材料B從數值來看均滿足要求,但在材料特性試驗中,材料A出現斷裂、表現不穩定、吸能效率低,而材料B未發生斷裂、穩定摺疊、吸能充分,因此最終選用了材料B。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(這是一個現場視頻,講述材料特性研究的基礎研究)

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(除了材料特性試驗之外,還要針對新材料製成的零部件進行試驗)

這些試驗便是應用全鋁車身的代價。造車新勢力的研發流程本來就被縮短,為了應用全鋁車身又憑空增加了不少工作量,參與這項工作的工程師們,真的可以說是壓力山大。難怪在會後的單獨交流中,Pere表示蔚來ES8的全鋁車身設計能夠保證質量、按時完成,是一項值得驕傲的成就。

第二點,鋁合金的成型工藝不同

對全鋁車身來說,不僅材料特性是全新的,材料的成型工藝也是全新的。鋁合金的主要成型工藝包括鑄造、擠出、衝壓。如下圖表徵了材料的強度與延展性之間的關係,延展性越高,則成型難度越小。我們可以看到,與3代高強度鋼材料相比,7系鋁的延展性幾乎墊底,成型難度很高。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[5]

除了延伸率低、成型時易破裂的成型難題之外,鋁合金的回彈性是普通鋼板的3倍,回彈不好控制[3],這就又增加了設計難度(同情蔚來車身工程師)。鋁合金成型工藝上的突破,不僅依賴於蔚來工程師的設計水平提高,對供應商也提出更高的要求。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來後防護樞紐,整車最大單體鋁鑄件

第三點,鋁合金的連接技術

因鋁合金熔點低、熱導率高、表面易氧化等特性,鋼材料上廣泛應用的電阻點焊技術,在鋁合金上有時候就不太好用了[6]。為了應用全鋁車身,蔚來把主流的鋁合金連接技術都用了一遍(如下圖)。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

最主要的3種連接方式為自衝鉚接(SPR,Self-PiercingRiveting)、熱融自攻鉚接/流鑽螺釘(FDS,FlowDrillScrew)與鋁點焊ASW(AlSpotWelding),ES8前期規劃的SPR焊槍多達134套,FDS設備多達32套,而ASW設備也接近50套,都是為了全鋁車身而投入的白花花銀子啊[7]。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

SPR連接工藝過程,圖片來源[8]

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

FDS連接工藝過程,圖片來源[9]

所以說,應用全鋁車身真的不容易,不僅材料特性需要重新試驗研究、成型工藝需要重新設計,就連連接工藝也變得複雜很多。

講到這裡,文章題目的問題就能回答了:如果全鋁材料隨便用,車身設計並不會變得更簡單,而是會變得更有挑戰性。採用全鋁車身的蔚來,其實並不是"狂派",而是和我一樣的"博派"。

新技術的知識溢出效應

全鋁車身應用,只是蔚來整車安全設計的難點之一,其他難點還有:如何安放氣囊以實現安全的同時保證女王副駕的空間舒適性、如何保證換電效率的同時保證碰撞安全性、如何設計大側面安全氣簾來加強第三排座椅的保證。

為了解決上述難點,蔚來投入了大量的資源與人力進行研發。客觀地說,能夠從無到有的情況下按時完成全鋁車身的設計與量產,在C-NCAP的2018年新規下拿到五星安全成績,並額外通過了歐標柱碰安全試驗、美標80kph尾碰安全試驗,成果值得肯定。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(歐標柱碰視頻)

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(美標尾碰視頻)

知名公眾號"汽車輕量化設計"曾表達這樣一個觀點:雖然超高強度鋼、熱成型鋼來勢洶洶,但鋁合金材料依然是未來汽車輕量化的核心材料,阻礙國內鋁車身應用的主要是對材料特性、結構、工藝的研究不夠[10]。

蔚來在全鋁車身的材料特性、成型工藝、連接工藝上的"激進"投入,從企業自身角度來講,可能只是為了彰顯敢於創新、安全與性能不妥協的品牌形象。

而從國內汽車行業的角度來說,蔚來投入的資源最終會轉化為工程師的知識,將來有各種機會流入到其他汽車企業,在客觀上促進了國內鋁製車身的應用與輕量化技術的發展,這便是新技術的知識溢出效應。

曾與某個合資品牌的車身設計師交流:"國內的鋁製車身工程師多嗎,好不好招?"他回答"目前幾乎找不到"。而這一情況,在蔚來踐行全鋁車身的設計與量產之後,將有所改觀。蔚來的黑點再多,在全鋁車身的創新這點是沒得黑的。

麻省理工大學主編的《重塑製造業》一書中,也闡述了這種知識溢出效應:企業的創新常常會促進整個行業的發展[11]。書中舉了很多這樣的例子,其中一個是:柯達公司所在的紐約州羅切斯特,企業的創新向外溢出,催生了博士倫公司、康寧公司等一群光學/光子公司,進而形成了光學產業集群。

補充:高壓系統的碰撞斷電功能

大家應該還記得,前一段沸沸揚揚的瑪莎拉帝醉駕追尾寶馬的事故中,最終導致死亡的原因是碰撞後起火。

電動汽車沒有油路洩漏起火的問題,但是它有高壓電路。若碰撞之後不能及時斷掉高壓電,則很可能引燃起火、乘員觸電,甚至會對救援人員造成人身傷害。因此,電動汽車高壓系統的碰撞斷電功能,有兩個特性特別重要:

"可靠性:由於涉及到人身安全,系統可靠性非常重要,一般都要設置冗餘控制通路。

"實時性:碰撞是電光火石一瞬間的事情,整個碰撞過程以毫秒來計,因此高壓系統斷電越快越安全;此外,碰撞後汽車控制系統可能也會失效,斷電要是慢了,有可能就永遠也斷不了電了。

普通的高壓系統碰撞斷電需要多久呢?我們來看看論文[A02]的傳統控制架構:如下圖所示,在碰撞傳感器偵測到碰撞之後,第1步將信號傳給氣囊ECU、第2步傳給VCU再傳給BMS(也可設計為直接傳給BMS)、第3步由BMS控制繼電器斷電(每1步中,可能還要經歷接收信號&邏輯判斷、發送控制信號兩個週期)。若以50ms為一個控制週期,那麼從碰撞發生到斷電,起碼要經歷100-300ms的時間。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來ES8則將高壓系統的斷電時間縮短至了15ms,響應速度十分驚人,這也是一個從乘員安全角度出發的一個卓有成效的創新。

在公開的工程日分享時,負責人Peer未詳細透露實現的方法;在會後的私下交流中,Peer透露:此係統為了保證可靠性與實時性,採用了3個控制通路(2個為冗餘),響應時間分別是15ms、40ms與400ms。

考慮到15ms甚至少於1個CAN總線通訊週期,個人猜測ES8應該是採用了與論文[A03]相似的思路:在高壓總線上串聯一個獨立的碰撞傳感器與繼電器控制裝置,繞過CAN總線來實現斷電設計,而不僅僅依賴於氣囊模組的碰撞傳感器信號。

"

我是一名遊戲愛好者。在遠古的單機遊戲時代,有兩類迵然不同的玩家:博派與狂派。

"博派:無論難度多變態,博派總要在不利形勢下追求極致的勝利。什麼"魂鬥派不發子彈通關"、"是男人就堅持30秒"都是博派喜聞樂見的經典之作;在手遊皇室戰爭中,依靠廉價卡組登頂世界冠軍的Jack,也被作為博派玩家代表而津津樂道。

"狂派:無論任何遊戲,狂派都必須要開個"金手指",依賴強大的優勢來取得碾壓的勝利,至於技術則成了無關緊要的因素。哪怕是玩難度較低的"魂鬥羅",也需要"上上下下左右左右BA"調出30條命來玩;到了網絡遊戲時代,狂派搖身一變,換了個稱呼:RMB玩家。

作為一位不折不扣的博派玩家(因為沒錢,沒法當RMB玩家),當聽說全鋁車身的概念的時候,心中想當然地掠過一個想法:與鋼相比,鋁合金密度低、比強度高,既然像狂派玩家一樣使用了更昂貴的材料,那麼全鋁車身設計、製造的技術含量肯定高不到哪去,有什麼好吹噓的呢?

這個想法正確嗎?應用全鋁車身到底是狂派還是博派?

正是帶著這個疑問,我參加了7月24日的蔚來整車工程安全體驗日活動,希望能夠探究出更深的認知。

汽車輕量化與鋁合金材料

汽車每減少10%的重量,可以大概減少6-8%的能耗(更節能)、減少5%制動距離(更安全)、減少8%加速時間(更高性能)[1]。

所謂輕量化,就是保證碰撞安全性能的前提下,從結構優化、輕質材料、成型工藝、連接技術等4個方面來降低整車重量。也就是說,採用鋁合金等輕質材料,只是輕量化系統工程的其中一環,而不是全部。

當然,這4個環節並不是同等重要的,業內正在經歷著從早年"材料是基礎、設計是龍頭、工藝是紐帶"技術路線,向"以新材料應用為導向,解決新材料應用過程中出現的設計和工藝問題"的轉變[2]。

也就是說,"輕質材料"是輕量化4個環節中最重要的一個。而鋁合金作為工業常見金屬材料,密度是鋼的1/3,同時具有較高的比強度、很好的擠壓性、很強的耐腐蝕性和高度的可回收性,是輕質材料的絕佳選擇(鈦合金與鎂合金暫不討論)。因此,說起輕量化必談全鋁車身,也就不足為奇了。

既然鋁合金這麼好,奧迪早在20年前就將全鋁車身應用在量產豪華車型A8上。回到國內自主品牌,直到2012年的上汽榮威950才在鋁機蓋、前後防撞樑上有少量的應用,足足晚了20年[3]。自主品牌大多走的是鋁蓋+防撞樑→鋁覆蓋件→全鋁車身的技術路線,甚至直到今天大多還是第一步[3]。這是為什麼呢?

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

圖片來源[3]

除成本因素外,應用全鋁車身是否還存在其他難點呢?

全鋁車身的應用難點

武俠世界中的頂級裝備/祕籍,分為兩種。一種是像軟猥甲、凌波微步這樣的,不依賴於使用者的資質,只要穿上用上就能發揮巨大作用;另一種則是像乾坤大挪移神功,威力更大,但若使用者修為不夠,則可能走火入魔,反為其害。

那麼全鋁車身呢--如果鋁合金不要錢、隨便用,是不是就一定能用出好效果呢?深入研究之後,我發現並非如此。除成本之外,全鋁車身的應用還存在三大難點:材料特性認知、成型工藝與連接技術。

第一點,材料特性認知不足

根據日本的JISH4000標準,鋁合金材料按1000-7000分成七大類,也就是常說的5系鋁、6系鋁、7系鋁等。

不同的鋁合金特性差異很大,適合用在不同的位置。咱們以寶馬新X5為例:

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(寶馬新X5使用了多種鋁合金材料)

"5000系是鋁鎂合金(圖中的AlMg3、AlMg4等),固溶於鋁基體中,形成固溶強化效應,是一種熱處理不可強化的鋁合金,具有良好的腐蝕性和焊接性能。通常應用於強度要求不高,形狀複雜,對外觀品質要求較低的覆蓋件內板、空氣清潔罩、擋泥板、承載地板,其中5038與5183兩個型號的應用最廣泛[4]。

"6000系是鋁鎂硅合金(上圖中的AlMgSi、AlMg0.4Si1.2等),具有較高的強度、較好的塑性和優良的耐腐蝕性,是最主流的車用鋁全金材料,通用應用於頂蓋、行李箱蓋、車門等車身結構件。

"7000系合金以鋅為主,有時要添加少量鎂、銅。擁有媲美鋼材的硬度、焊接性能好,可熱處理強化。主要應用於航空航天,說是"航空鋁合金",倒是一點也沒吹牛。

如果採用傳統的高強度鋼作為車身的主要材料,那麼主機廠可以通過供應商、招聘員工、歷史資料等多種渠道來獲得技術知識,加快車身的研發進程、縮短研發週期。

那如果採用全鋁車身呢?對給主機廠帶來巨大的難題:國內鋁合金材料的供應商比較少、經驗不足;初創企業沒有歷史資料;國內也很難招聘到全鋁車身技術專家。

更不用說,蔚來ES8車型上的鋁合金用量高達96%,超過奧迪A8成為歷史新高;為了實現335kg的車身輕量化目標,航空7系鋁也是第一次應用在汽車上,它的材料特性表現如何,誰也沒有十足的把握。別說在全鋁車身發展較慢的中國了,就是放眼全球,蔚來ES8的全鋁車身設計也是一個難題。

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典型鋁車身的用鋁比例,圖片來源[4]

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蔚來全鋁架構用鋁量高達96.4%

面對上述難題,蔚來的解決方法是:從基礎的材料特性研究做起,來彌補對鋁合金的認知缺失。在安全體驗日現場,蔚來整車安全團隊負責人PereFontsMestres介紹說,備選材料A與材料B從數值來看均滿足要求,但在材料特性試驗中,材料A出現斷裂、表現不穩定、吸能效率低,而材料B未發生斷裂、穩定摺疊、吸能充分,因此最終選用了材料B。

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(這是一個現場視頻,講述材料特性研究的基礎研究)

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(除了材料特性試驗之外,還要針對新材料製成的零部件進行試驗)

這些試驗便是應用全鋁車身的代價。造車新勢力的研發流程本來就被縮短,為了應用全鋁車身又憑空增加了不少工作量,參與這項工作的工程師們,真的可以說是壓力山大。難怪在會後的單獨交流中,Pere表示蔚來ES8的全鋁車身設計能夠保證質量、按時完成,是一項值得驕傲的成就。

第二點,鋁合金的成型工藝不同

對全鋁車身來說,不僅材料特性是全新的,材料的成型工藝也是全新的。鋁合金的主要成型工藝包括鑄造、擠出、衝壓。如下圖表徵了材料的強度與延展性之間的關係,延展性越高,則成型難度越小。我們可以看到,與3代高強度鋼材料相比,7系鋁的延展性幾乎墊底,成型難度很高。

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圖片來源[5]

除了延伸率低、成型時易破裂的成型難題之外,鋁合金的回彈性是普通鋼板的3倍,回彈不好控制[3],這就又增加了設計難度(同情蔚來車身工程師)。鋁合金成型工藝上的突破,不僅依賴於蔚來工程師的設計水平提高,對供應商也提出更高的要求。

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蔚來後防護樞紐,整車最大單體鋁鑄件

第三點,鋁合金的連接技術

因鋁合金熔點低、熱導率高、表面易氧化等特性,鋼材料上廣泛應用的電阻點焊技術,在鋁合金上有時候就不太好用了[6]。為了應用全鋁車身,蔚來把主流的鋁合金連接技術都用了一遍(如下圖)。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

最主要的3種連接方式為自衝鉚接(SPR,Self-PiercingRiveting)、熱融自攻鉚接/流鑽螺釘(FDS,FlowDrillScrew)與鋁點焊ASW(AlSpotWelding),ES8前期規劃的SPR焊槍多達134套,FDS設備多達32套,而ASW設備也接近50套,都是為了全鋁車身而投入的白花花銀子啊[7]。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

SPR連接工藝過程,圖片來源[8]

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FDS連接工藝過程,圖片來源[9]

所以說,應用全鋁車身真的不容易,不僅材料特性需要重新試驗研究、成型工藝需要重新設計,就連連接工藝也變得複雜很多。

講到這裡,文章題目的問題就能回答了:如果全鋁材料隨便用,車身設計並不會變得更簡單,而是會變得更有挑戰性。採用全鋁車身的蔚來,其實並不是"狂派",而是和我一樣的"博派"。

新技術的知識溢出效應

全鋁車身應用,只是蔚來整車安全設計的難點之一,其他難點還有:如何安放氣囊以實現安全的同時保證女王副駕的空間舒適性、如何保證換電效率的同時保證碰撞安全性、如何設計大側面安全氣簾來加強第三排座椅的保證。

為了解決上述難點,蔚來投入了大量的資源與人力進行研發。客觀地說,能夠從無到有的情況下按時完成全鋁車身的設計與量產,在C-NCAP的2018年新規下拿到五星安全成績,並額外通過了歐標柱碰安全試驗、美標80kph尾碰安全試驗,成果值得肯定。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(歐標柱碰視頻)

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

(美標尾碰視頻)

知名公眾號"汽車輕量化設計"曾表達這樣一個觀點:雖然超高強度鋼、熱成型鋼來勢洶洶,但鋁合金材料依然是未來汽車輕量化的核心材料,阻礙國內鋁車身應用的主要是對材料特性、結構、工藝的研究不夠[10]。

蔚來在全鋁車身的材料特性、成型工藝、連接工藝上的"激進"投入,從企業自身角度來講,可能只是為了彰顯敢於創新、安全與性能不妥協的品牌形象。

而從國內汽車行業的角度來說,蔚來投入的資源最終會轉化為工程師的知識,將來有各種機會流入到其他汽車企業,在客觀上促進了國內鋁製車身的應用與輕量化技術的發展,這便是新技術的知識溢出效應。

曾與某個合資品牌的車身設計師交流:"國內的鋁製車身工程師多嗎,好不好招?"他回答"目前幾乎找不到"。而這一情況,在蔚來踐行全鋁車身的設計與量產之後,將有所改觀。蔚來的黑點再多,在全鋁車身的創新這點是沒得黑的。

麻省理工大學主編的《重塑製造業》一書中,也闡述了這種知識溢出效應:企業的創新常常會促進整個行業的發展[11]。書中舉了很多這樣的例子,其中一個是:柯達公司所在的紐約州羅切斯特,企業的創新向外溢出,催生了博士倫公司、康寧公司等一群光學/光子公司,進而形成了光學產業集群。

補充:高壓系統的碰撞斷電功能

大家應該還記得,前一段沸沸揚揚的瑪莎拉帝醉駕追尾寶馬的事故中,最終導致死亡的原因是碰撞後起火。

電動汽車沒有油路洩漏起火的問題,但是它有高壓電路。若碰撞之後不能及時斷掉高壓電,則很可能引燃起火、乘員觸電,甚至會對救援人員造成人身傷害。因此,電動汽車高壓系統的碰撞斷電功能,有兩個特性特別重要:

"可靠性:由於涉及到人身安全,系統可靠性非常重要,一般都要設置冗餘控制通路。

"實時性:碰撞是電光火石一瞬間的事情,整個碰撞過程以毫秒來計,因此高壓系統斷電越快越安全;此外,碰撞後汽車控制系統可能也會失效,斷電要是慢了,有可能就永遠也斷不了電了。

普通的高壓系統碰撞斷電需要多久呢?我們來看看論文[A02]的傳統控制架構:如下圖所示,在碰撞傳感器偵測到碰撞之後,第1步將信號傳給氣囊ECU、第2步傳給VCU再傳給BMS(也可設計為直接傳給BMS)、第3步由BMS控制繼電器斷電(每1步中,可能還要經歷接收信號&邏輯判斷、發送控制信號兩個週期)。若以50ms為一個控制週期,那麼從碰撞發生到斷電,起碼要經歷100-300ms的時間。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

蔚來ES8則將高壓系統的斷電時間縮短至了15ms,響應速度十分驚人,這也是一個從乘員安全角度出發的一個卓有成效的創新。

在公開的工程日分享時,負責人Peer未詳細透露實現的方法;在會後的私下交流中,Peer透露:此係統為了保證可靠性與實時性,採用了3個控制通路(2個為冗餘),響應時間分別是15ms、40ms與400ms。

考慮到15ms甚至少於1個CAN總線通訊週期,個人猜測ES8應該是採用了與論文[A03]相似的思路:在高壓總線上串聯一個獨立的碰撞傳感器與繼電器控制裝置,繞過CAN總線來實現斷電設計,而不僅僅依賴於氣囊模組的碰撞傳感器信號。

工程師揭祕:全鋁車身又輕有安全,可能嗎?

參考文獻

[1]汽車輕量化,路在何方?

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4MDM4NDM2Mg==&mid=2247484728&idx=1&sn=2df3d4c2ad9cc367f4e5d204593388b7&chksm=fd56e63dca216f2b55f82b6f6d4ae6e83f0e4aeb8c38b7d5ee9326663ddbc710c5eb135ed20e&scene=21#wechat_redirect

[2]國內主機廠是這樣做汽車輕量化的

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4MDM4NDM2Mg==&mid=2247485491&idx=1&sn=a11d81774fdd13afc4d5a3573e06b36f&chksm=fd56eb36ca216220e1872596ebb4363382c12a22976e4454982a3dde6f7a4d5808013ea69636&scene=21#wechat_redirect

[3]汽車用鋁?yesorno

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4MDM4NDM2Mg==&mid=2247485726&idx=1&sn=ec2ac00e11efa8a065c87f08dd70386b&chksm=fd56ea1bca21630d3713b0cb684be9cf8cf1b5006a907f634c186e60fd45ea41b02f37d33084&scene=21#wechat_redirect

[4]熱成形來勢洶洶,鋁合金還是汽車輕量化的未來材料嗎

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4MDM4NDM2Mg==&mid=2247485383&idx=1&sn=a4d8c9998dbe03d9da051086f59e6e9d&chksm=fd56e4c2ca216dd4edc727c9c947e20d1312ebf912bee1fca7b7fec10755296fae931ad24398&scene=21#wechat_redirect

[5]高強鋼應該這樣分類

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4MDM4NDM2Mg==&mid=2247485034&idx=1&sn=fbdd04d93139ee3005ef4ed343216c48&chksm=fd56e56fca216c7953cc8a616f5c4d2ccd57c7436fc5dee6fde0435bae866325e595a65cdda3&scene=21#wechat_redirect

[6]RSWA鋁點焊

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4MDM4NDM2Mg==&mid=2247484616&idx=3&sn=6c21f74b7572b210083f2914a7d00e95&chksm=fd56e7cdca216edb165d21f4b8228c88348afd36aa0d38fff07a113ba3ef422c1fc29ad9158b&scene=21#wechat_redirect

[7]鋼鋁連接技術哪家強(中篇)-SPR、FDS、RSWA工藝橫評

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4MDM4NDM2Mg==&mid=2247485962&idx=1&sn=a520f6afa1b570de406b1cefbb324944&chksm=fd56e90fca2160198501e4ebeb1108a8b6aa339e921f68c0446ce2d321f45b3646c56a2a4bb6&scene=21#wechat_redirect

[8]SPR自衝鉚

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4MDM4NDM2Mg==&mid=2247484564&idx=2&sn=128b042704a19cb4b96e813bfcd7d08a&chksm=fd56e791ca216e877b7b44f926c4ed8e5f45bb8e5513b44aecac3be1522ce5c4d9050643f75f&scene=21#wechat_redirect

[9]FDS流鑽螺釘

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4MDM4NDM2Mg==&mid=2247484610&idx=2&sn=3559b196a5daf55438b100cd32eba10c&chksm=fd56e7c7ca216ed1772500d3d941e9f3051a489b72c1c0c68f415dff2719da380a5fe5c79649&scene=21#wechat_redirect

[10]熱成形來勢洶洶,鋁合金還是汽車輕量化的未來材料嗎

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU4MDM4NDM2Mg==&mid=2247485383&idx=1&sn=a4d8c9998dbe03d9da051086f59e6e9d&chksm=fd56e4c2ca216dd4edc727c9c947e20d1312ebf912bee1fca7b7fec10755296fae931ad24398&scene=21#wechat_redirect

[11]蘇珊娜伯傑,《重塑製造業》,浙江教育出版社,2018年9月

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