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为保护气候而减轻车重

如果你希望在未来可以购买环保节能的优质汽车,那这种汽车的重量必须要轻。否则,付出的代价就是高昂的油费和二氧化碳的高排放。原因之一就是汽车的能耗超出了必要的水平,因为它们太重了。使用纤维强化塑料是一种减轻车辆重量的前瞻性方法,朗盛的化学家和工程师们正在努力把车身部件变得越来越轻。

沉重不笨重

过去几十年来,汽车变得越来越安全、越来越舒适,但与此同时,它们的重量也在与日俱增。“今天的驾车者与十年前相比,对车辆的要求要高得多,”来自朗盛高性能材料业务部全球应用研发项目经理Julian Haspel介绍说,“诸如电动车窗和空调等设备,现在都成了必不可少的配置了。”

各大汽车制造商为了使用户驾车体验变得更轻松,不断琢磨各种新点子。很多创意都需要增加额外的传感器或小马达。安全系统改进也是用户体验优化的重要部分,更多的安全气囊、耐碰撞的结构等功能,如今都已成为了汽车安全的高标准,没有人希望车子里缺少这些配置。

“2012年,最新一代的大众最畅销高尔夫汽车重量要比它上世纪七十年代那位长得方方正正的‘前辈’多了450公斤。”身为轻量化工程专家的Haspel说道。尽管当前的车型系列重量不断增加的趋势已经逆转,但根据现在的设备配置,高尔夫7代的整车至少重达1.2吨。“而且,还必须考虑到的一点是,近年来汽车也变得越来越大了。”Haspel补充道。尽管重量不轻,但如今的汽车却一点也不笨重,这是因为发动机开发人员在过去数年成功地提高了汽车的性能。

 减排刻不容缓

Leichtbau I-2然而,汽车产业仅仅依靠大功率发动机这一解决方案在未来恐怕是独木难支的。“这主要是受气候变化的影响。”Haspel解释说。“毕竟,发动机将燃油转化成为温室气体二氧化碳的——这是无法改变的自然规律。”与过去相比,如今的车辆耗油量已经大大降低,但欧盟委员会还是制定了严格的新限值。欧盟要求从2020年起每家汽车制造商的所有车辆每公里二氧化碳的平均排放量不能超过95克。而2008年时这一限值是165克。要达到新限值,必须进一步减少燃油消耗,因为每消耗一升汽油,将排放2.33千克二氧化碳,每消耗一升柴油,二氧化碳排放达到2.66千克。

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 超重的好理由

leichtbau_II_1汽车制造商们绞尽脑汁采取了一些列措施,来满足这一严格的排放限值。措施之一便是——让汽车“减重”。“哪怕减轻100公斤的重量,每100公里的燃油消耗也能减少0.35到0.5升,”Haspel说。“根据不同的发动机和燃油类型,油耗的降低可以帮助每公里的二氧化碳量减少到8.8~12.5克。而电动汽车如果更轻,行驶里程就能相应增加。这是因为如果需要发动机驱动的分量变轻,电池就不会这么快地耗尽了。所以,正如你看到的,减轻重量有很多好处!”

 无需牺牲其他方面

Leichtbau II_2但是,你一定会问,各种新增设备配置和更加坚固的车身,难道不会增加整车的重量吗?“未必,”这是Haspel给出的回答。他指出,问题的关键是使用极其坚固又很轻的材料。例如,金属工业向汽车产业提供特殊的高强度钢材已经有很多年了,这种材料与过去相比可以吸收更多的力量。此外,在车身的关键部位,轻型镁和特殊的铝合金可以用来替代相对较重的传统钢材。Haspel和他的同事们创造出了新材料,可以把沉重的汽车变成敏捷高速的汽车。这些车辆比它们的前辈轻得多,因此可以帮助制造商降低汽车二氧化碳排放量。

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 长期解决方案的一部分

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近年来,汽车制造商们已从车辆构造方案中大幅削减了金属的用量,这要得益于聪明的工程师们成功地用塑料替代了这些金属材料。用聚酰胺和类似材料制成的部件种类之多,令人叹为观止。这其中包括:仪表盘支架、进气口、座椅扶手、发动机罩、连接杆、安装架、座椅部件等。

钢材很重,但毕竟坚固,钢材是制造商们制造汽车的传统材料。钢材还是在事故发生时保护车内乘员的理想材料。因此,车身结构部件、车门、侧壁、挡泥板、引擎盖等许多部件依然大多采用钢材制成。因此,聚合物材料假如要与钢材、铝材和镁材在它们最后的领地内展开竞争并取而代之,聚合物材料必须与金属材料同样坚固耐用。而且,新材料还不能太贵。这也是为什么很难为那些部件找到替代材料。

 纤维增加强度

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解决这一问题的一个最具前景的方法就是使用比塑料更加牢固的材料。解决方案之一便是玻璃纤维或碳纤维。将这些纤维植入塑料中,相对柔软的聚合物材料就好比拥有了一副骨架。当由加强纤维制成的部件受力,纤维就起到了像骨骼一样的作用,承担了大部分的载荷。于是部件可以承受大得多的应力而不会发生断裂或撕裂。“这里还必须需考虑到其他几个因素,”Haspel说道。“例如,纤维要尽可能的长,越长越有效。”这是因为植入长纤维的材料传导能力更强。

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 “湿桌布”原理

IV_1_Leichtbau几年之前,使用许多短纤维依然被视为最先进的技术。例如,玻璃纤维切割至很短,以便与聚酰胺充分混合。得益于这一工艺,人们可以生产之前无法想象的部件。例如,一款高档轿车的备胎坑便采用了含60%玻璃纤维成分的朗盛聚酰胺产品杜力顿(Durethan)。这种塑料部件粘合在铝制车身上,使其非常坚固,这甚至有助于加固汽车后部;这对于车辆的操控性能非常重要。

研发人员目前还在试验长度可达数毫米的“长”玻璃纤维。这些纤维可以吸收大量的力,但在加工过程中,它们很难与塑料材料混合。

 塑料壳中的网罩

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“这就是朗盛还同时采取了第三种方法的缘故,”Haspel解释道。“为创造类似牛仔布中的织物材料,我们使用了无数的玻璃纤维。我们随后将这种材料灌注到我们的塑料中,以创造出纤维强化复合板材。”假如加热这种Tepex纤维复合材料,它们就能被塑造成几乎任何形状,就好像湿润的桌布一样。而且,因为纤维保持着完整的长度,它们可以吸收相当大的外力。

“这项研究的伟大之处在于半成品Tepex材料很容易与其他类型的塑料相结合,”Haspel解释说。继“混合材料”后,全新Tepex技术成为了又一种运用塑料实现轻量化车辆的途径。朗盛的工程师们已经使用金属与塑料的混合材料时间颇长,相比由铝材制成的“传统”混合部件,如今的Tepex技术在重量方面,更具优势。

朗盛实验室目前正在研发超强度支撑部件,因为以Tepex为核心,所以其强度极大。稳定肋材、螺纹套管和夹具均采用注塑法加工成型。因此,这些部件就可以又快又轻松地安装到车身上去。同时还可降低组装成本。此外,这些部件的价格并不比铝和镁材料部件的价格昂贵。

 重量减半

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混合材料部件的主要优点是重量极轻,使用Tepex的混合材料尤为如此。现在,一些纤维强化材料已经几乎与金属同样坚固了。根据部件和功能的不同,使用这些材料替代钢材,最多可以减轻多达50%的重量。“例如,我们的Tepex复合材料可以使安全气囊罩侧壁的厚度缩减至0.5毫米-1毫米,而不影响部件的强度,”Haspel介绍说。相比之下,使用传统注塑成型塑料部件,其侧壁厚度在3至4毫米之间。朗盛解决方案减轻车辆部件的重量。以刹车踏板为例,朗盛专家证明了全新技术可以减重。全钢刹车踏板重794克,而塑料金属复合材料制成的踏板重量大幅减轻至526克。相比于Tepex混合材料解决方案,塑料金属复合材料踏板依然重得多,因为Tepex混合材料重量仅为355克。“采用塑料—金属混合材料技术的车辆前端最多比全金属材料制成的前端轻40%,”Haspel说。“使用Tepex材料的铝制前端可以更轻。”

所以,塑料很有可能在未来在汽车车身发挥其作用,目前车身依然使用金属材料。塑料与金属材料一起将带来诸多改进。

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