汽車為什麼很少用不鏽鋼做表面?

在汽車領域內,不是沒有過這樣的操作,而且還不止一個。比如最近的特斯拉Cybertruck,當然羅羅(RR)曾經也幹過這樣的事。


埃隆·馬斯克是這樣形容Cybertruck的:

“It is, it is literally bulletproof to a nine millimeter handgun,” Musk said onstage during the unveiling. “That’s how strong the skin is — it’s ultra-hard, cold-rolled stainless steel alloy that we’ve developed. We’re going to be using the same alloy in the Starship rocket, and in the Cybertruck.”


注意其中的關鍵詞:9 毫米口徑的手槍子彈、冷軋不鏽鋼、火箭同款。


按理說,這應該算是好事一樁,但實際上卻少有廠商使用。Why?


我們需要了解兩個關鍵:1、車身結構;2、不鏽鋼材料


車身結構

車身結構大體上可以看成兩個功能部分:1、結構件;2、覆蓋件。


結構負責支撐、受力,覆蓋用於視覺、空氣動力。


其實汽車的車身就像一間房子,要由柱子、房梁等框架撐起來力學基礎,再裝上門、窗、屋頂等去進一步實現房屋該有的功能屬性。車身結構也是如此,力學框架打下基礎,覆蓋件再進一步發揮更多功能價值,為車內乘客提供一個舒適的環境,為貨物等提供適當的空間。


汽車為什麼很少用不鏽鋼做表面?

(就拿這個驛站馬棚來說吧,也得先打好基礎,才能更好地拓展功能)


看起來並不複雜,對不對?但實際上,車身結構十分複雜。因為力學的特性總是看不見、摸不著,等用戶可以感受到的時候,往往都是觸發“悲劇”劇情的時候……


汽車為什麼很少用不鏽鋼做表面?


車身其實在很大程度上決定著車輛的性能表現,它給用戶帶來的最直觀感受就是開起來“笨重or輕快”,以及車內空間表現、振動表現等。除此之外,像彎道表現、操控表現、越野性能表現、安全性能表現等,也都與車身基礎存在密切關聯。


起初,人們對車輛性能並沒有什麼概念,所以只要能遮風擋雨,也沒什麼更高追求,即使車身笨重點也無所謂,能開就好。但是隨著車輛技術的發展,以及越來越高的產品需求,車身的性能表現也變得越發重要起來。


首先它要足夠結實,以抵禦衝擊力,保護車內乘員的安全(日益嚴格的車輛安全測試方法以及消費者越來越強烈的安全意識讓車輛安全性能提升成為重中之重)。


其次它還要夠輕量,否則車輛的加速性能、彎道性能以及燃油經濟性能都會受到制約(日益嚴格的排放標準也迫使廠商進行車輛輕量化升級)。


早期一些廠商會通過對材料進行加厚的方式強化車身,但隨之而來的弊端就是發動機油耗的上升以及車輛操控性能方面的笨重感。


為改善這種情況,汽車行業對於車身結構的設計目標大多為:滿足強度、降低重量。


1、用高強度鋼材取代部分普通鋼材,在滿足強度需求的前提下,降低重量;

2、通過零部件結構優化,發揮力學結構的力量,降低重量的同時保證強度;

3、通過鋁合金、複合纖維等低密度、高強度材料取代部分鋼材,滿足強度,降低重量。


對於車身結構,我們則是通過平臺化思路,實現結構加強、重量降低的目標。目前,斯巴魯採用的最新平臺技術叫做“斯巴魯全球化平臺(SUBARU GLOBAL PLATFORM)”,簡稱“SGP”。


TIPS1:什麼是汽車製造平臺

汽車製造平臺即支撐汽車框架的基本零件組合,它包括車架、懸架、轉向、動力總成等部分,是汽車結構中不可或缺的最“基礎”的部分。


斯巴魯全球化平臺(SGP)通過對強度、重量、剛性等幾方面的整體優化,讓車輛多方面性能得到提升。


比如我們通過鈑金件的結構優化以及高強度鋼材的使用,將車身的剛性進行提升,最直接的效果就是車輛在經過崎嶇顛簸等“振動”路面時,車身所能提供的舒適性會更好。


TIPS2:剛性

剛性就是結構抵抗變形的能力。如果結構剛性較弱,那麼在受到衝擊時發生的變形就大,反之就小。


我們用圖表可能更好理解。


下面這個圖表將振動加速度與時間進行關聯,在這個雙軸座標系中,折線在越短的時間內趨於橫軸,就意味著剛性越好。


汽車為什麼很少用不鏽鋼做表面?


當車輛經過崎嶇顛簸等“振動”路面時,在路面衝擊作用下車身會發生變形,在通過該路面區域後,車身又從變形狀態開始復原。上圖中灰線所示車輛在經歷振動後很長時間都不能將振動加速度降低,而藍線所示的就是我們使用全球化平臺技術後的車輛測試數據,可以明顯看到,它能在更短的時間內將振動加速度降低到一個理想狀態。


與此同時,由於振動加速度可以快速降低,車輛產生的噪音也會更低,行駛的品質感更出色。


當然了,對於車身而言,出色的剛性還要與重量和強度綜合。為了實現這一目的,我們首先在結構上進行了優化。簡單來說就是,結構更合理,不做無用功。


汽車為什麼很少用不鏽鋼做表面?


由於車架這種複雜結構很難用數據來量化性能,所以通常都是用人的感官來測量的。但我們認為對這些無法量化的細節也應該進行準確的測量,所以SGP的開發重點就是徹底數據化。我們專門開發了新的千分之一精度測量系統用於SGP開發,通過對車身關鍵力學截點細緻的數據測量來指導設計研發,從而從根本上做到結構優化,使其可以為懸架、轉向、傳動等其它系統提供性能基礎。


舉個例子:環形結構。


汽車為什麼很少用不鏽鋼做表面?


斯巴魯的產品使用的都是高強度環形車架。通過對環形結構加以利用,使車身無論在前後、左右、上下各個截面上,都有連續封閉的環形結構可以起到支撐作用。


汽車為什麼很少用不鏽鋼做表面?


而利用好這些縱橫交錯的結構,也能以豐富力學釋放路徑的方式為車身提供更出色的力學特性。斯巴魯的工程師採取增加部件的組合強度等措施,將SGP車體的抗扭剛性提高了1.7倍(本公司產品間對比)。除此之外,工程師還通過分散車身的共振,大幅度降低了方向盤、地板、座椅間的共振,減少了噪音的產生。


由於車身的剛性得到了大幅度提升,所以懸架的剛性也隨之得到了提高。加強後的懸架發揮了更大的作用,能吸收來自路面的衝擊,避免車身發生彎曲。


總之,無論採用什麼樣的方法,換材料也好、優化結構也罷,對於車身結構,重量輕、強度高、剛性好,一直都是我們的行業目標。


至於車身造型覆蓋件,它們雖然沒有過多力學用途,但依然是車輛生產製造中非常重要的一環,畢竟人靠衣服馬靠鞍。不過車身覆蓋件對於材料就沒有那麼多限定了,通常來說,重量適合、材料加工特性適合、價格成本適合,就可以用來製作覆蓋件了。


不鏽鋼材料

說到不鏽鋼,可能大家會存在很多誤解:

1、不鏽鋼並不是某一種鋼材,而是不鏽耐酸鋼材的簡稱;

2、不鏽鋼其實也有可能會生鏽;

3、加工不鏽鋼其實並不容易。


1、耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質或具有不鏽性的鋼種稱為不鏽鋼;而耐化學腐蝕介質(酸、鹼、鹽等化學浸蝕劑)腐蝕的鋼種稱為耐酸鋼。按照金屬組織結構劃分,不鏽鋼可以分為馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧氏體鋼、奧氏體-鐵素體雙相鋼等。按照成分劃分,也可以分為鉻不鏽鋼、鉻鎳不鏽鋼等等。不鏽鋼的特性可以適用於多種多樣的用途,而不鏽鋼的耐蝕性則主要取決於鋼中所含的合金元素。


2、不鏽鋼的耐蝕性一般會隨含碳量的增加而降低,因此,大多數不鏽鋼的含碳量均較低,不鏽鋼中的主要合金元素是Cr(鉻),只有當Cr含量達到一定值時,鋼材才有耐蝕性。因此,不鏽鋼一般Cr含量至少為10.5%。不鏽鋼中還含有Ni、Ti、Mn、N、Nb、Mo、Si、Cu等元素。影響不鏽鋼防鏽能力的主要有三點因素:

a、Cr以及合金元素含量,越高越不容易生鏽;

b、生產工藝。先進的生產工藝在雜質去除、鋼坯冷卻等環節可以提供更好的品質保證;

c、外界環境。環境太過潮溼,還是會生鏽。


3、不鏽鋼其實是一種很有性格的材料。從加工特性上來說,它不容易被切削(熱量大、切屑容易粘、容易膨脹)。不鏽鋼的物理性能對切削過程的特性有很大的影響,其中導熱性起著很大的作用。被加工鋼材的導熱性越低,由切屑帶走的熱量越少,而刀具上積聚的熱量越多。再加上不鏽鋼的韌性也較大,強度高,因此切削時熱量難以擴散,致使刀具容易發熱,降低了刀具的切削性能,也影響了加工精度。


對於衝壓而言,不鏽鋼的性能表現也不算友善。衝壓變形抗力大,彈性回跳大,而且多數不鏽鋼材料強度和韌性都高,衝壓時容易粘模。不鏽鋼工件冷作硬化嚴重,拉伸時又容易產生皺摺。


SO,加工結構簡單的勺子、叉子還好,一旦涉及汽車上那些複雜的結構,它的加工成本就會非常不可控,而且成品率搞不好還得降低。


汽車為什麼很少用不鏽鋼做表面?


車上的這些鈑件都非常複雜,不像不鏽鋼盆那樣easy,稍有不慎留個什麼瑕疵,日後都有可能出大問題。


汽車為什麼很少用不鏽鋼做表面?


當然了,還有一方面,就是不鏽鋼材料是不容易覆蓋油漆的。這樣出來的車輛也就很大概率不會存在拉力藍、墨玉竹青綠、耀目寒冰銀這樣富有個性的配色了。

瞭解車身結構和不鏽鋼材料後,再來看這個問題,不鏽鋼材料物理性能不如碳鋼好,成本還不低,自然沒什麼廠商使用了。


提到成本,額外再補充一些。正所謂羊毛出在羊身上,成本的增加最後還是得落到消費者身上。這也是我們打造斯巴魯全球化平臺的另一個心思:把全部優勢火力都集中到一個基礎平臺上,將它的性能充分發揮出來,再向其它產品上覆蓋。


在汽車生產製造過程中,針對平臺這個環節,需要將大量的衝壓零件焊接成一個大型部件。這個化零為整的過程會導致成本飆升,因此在研發新車時,並非每次都會製作新的平臺,通常是幾個不同的車型共用一個平臺。為何如此呢?因為平臺並不是一個獨立的零件,一旦涉及到平臺的修改、調整,將會牽連懸架系統、轉向系統、發動機以及變速箱等各方面的調整。因此,即便是新車型,只要搭載的發動機、變速箱沒有變化,就沒有必要花費巨大的成本來調整平臺。


分享到:


相關文章: