不再遙不可及-從天而降的汽車(chē)技術(shù)之車(chē)身材料
高科技的廣泛應(yīng)用讓汽車(chē)變得越來(lái)越安全和智能，殊不知，很多高科技就是源自于高大上的航空器，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，才變得貼近人們生活。本次，我們就以不再遙不可及為主題，細(xì)數(shù)一些已普遍“飛入”汽車(chē)的飛機(jī)高科技，看一看它們?cè)瓉?lái)的樣子，并且推算一下還將有哪些新技術(shù)會(huì)“飛”入我們的汽車(chē)中。
導(dǎo)語(yǔ)：上期介紹了從飛機(jī)設(shè)計(jì)中汲取靈感的車(chē)身設(shè)計(jì)，無(wú)論是早期的模仿，還是當(dāng)前的理性設(shè)計(jì)，都對(duì)車(chē)輛性能起到了不可小覷的作用，本次我們就再來(lái)聊一聊由飛機(jī)材料引發(fā)的車(chē)身材料革命。
一、什么是車(chē)身材料
我們知道，汽車(chē)是由不同結(jié)構(gòu)的部件組成。除了需要營(yíng)造乘客的座艙外，還必須給發(fā)動(dòng)機(jī)等機(jī)械部件預(yù)留位置。我們從汽車(chē)表面看，只能看到表面的覆蓋件，比如車(chē)門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、前后保險(xiǎn)杠、車(chē)輪上的翼子板等。這時(shí)，由于覆蓋件需要對(duì)車(chē)輛內(nèi)部起到保護(hù)作用，所以我們能看到的車(chē)身材料基本是由鋼板組成。而隨著技術(shù)的發(fā)展，輕量化、及行人保護(hù)需求的引入，鋁合金和強(qiáng)度和韌性較高的塑料也出現(xiàn)在了車(chē)身覆蓋件上。
不過(guò)，這并不是車(chē)身材料的全部，就好似起到建筑物支撐性的房梁，我們看不見(jiàn)的車(chē)架才是真正承受各部件重量和外力的核心框架，因此，這一部分要具備更高強(qiáng)度，當(dāng)然考慮到安全性及輕量化，現(xiàn)在的汽車(chē)會(huì)通過(guò)不同材質(zhì)的拼接來(lái)改變或提升車(chē)架的變形量以及輕量化，常見(jiàn)的有鋼材、鋁合金、碳纖維等等。
二、早期的車(chē)身材料
圖注：世界上首款量產(chǎn)汽車(chē)-奔馳VELO
圖注：由Edward G Budd制造公司為道奇兄弟汽車(chē)公司提供的世界首款全鋼車(chē)身汽車(chē)
早期汽車(chē)沿用馬車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)，整個(gè)車(chē)身以木制為主。1914年由Edward G budd首次制成了全鋼的車(chē)身。
圖注：德國(guó)容克戰(zhàn)斗機(jī)
不過(guò)，與汽車(chē)相比，由金屬制造的飛機(jī)出現(xiàn)較晚。1915年12月誕生的德國(guó)容克是飛機(jī)是第一架全金屬飛機(jī)。該飛機(jī)使用的是薄薄的罐頭盒鐵皮制作而成，并非現(xiàn)在的鋁合金材料，所以這架飛機(jī)被戲稱(chēng)為“驢罐頭”
圖注：1922年Lancia Lambda，是世界首款承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)汽車(chē)，并采用前滑柱式螺旋彈簧懸架系統(tǒng)
1922年Vincenzo Lancia制造出世界首款采用單體殼承載式汽車(chē)-Lancia Lambda。車(chē)身結(jié)構(gòu)的改變不僅對(duì)車(chē)身剛性提出更高要求，在懸架部分，也不同以往，首次采用滑柱式螺旋彈簧前獨(dú)立懸架。車(chē)身由鋼板沖壓成型的結(jié)構(gòu)件和大型覆蓋件組成，這種結(jié)構(gòu)車(chē)身一直沿用至今，并得到了不斷完善和發(fā)展。
圖注：機(jī)身多由鋁盒金材料制成
幾乎在同一時(shí)期，飛機(jī)與汽車(chē)一樣，都采用了金屬材料，不過(guò)，汽車(chē)采用的是幾乎都是鋼材，而飛機(jī)如果全用鋼材就太重了，也喪失的機(jī)動(dòng)性能，那么用的是什么材料呢？1925年以前，主體結(jié)構(gòu)，比如飛機(jī)骨架、機(jī)翼等還是木材，只有少數(shù)部位替換成了硬鋁，又稱(chēng)杜拉鋁。而后隨著飛機(jī)動(dòng)力的提升，1925年以后，骨架逐漸用鋼材替代，而機(jī)翼、覆蓋件等由鋁合金制成。到了上世界40年代，剛性更強(qiáng)的飛機(jī)時(shí)速已經(jīng)超過(guò)了600km/h。
進(jìn)入21世紀(jì)之后，節(jié)能減排的呼聲越來(lái)越高，輕量化車(chē)身被推向高潮，鋁合金、全鋁，碳纖維，鈦合金，高分子材料等新型材料成為汽車(chē)車(chē)殼材料的新貴，開(kāi)始走進(jìn)人們的視野。
三、現(xiàn)代汽車(chē)所應(yīng)用的航空材料
圖注：波音787飛機(jī)所采用的材料已不再由鋁合金為主導(dǎo)，以碳纖維材料為主
隨著技術(shù)的發(fā)展，重量是制約速度的重要因素，飛機(jī)自誕生以來(lái)就一直在材料上做文章，早期的飛機(jī)多用木質(zhì)和鋼材，如今的飛機(jī)多采用合金鋼、鋁合金、鈦合金及復(fù)合材料。
圖注：現(xiàn)代汽車(chē)普遍使用不同規(guī)格的鋼材，自重很大
汽車(chē)沒(méi)有過(guò)多考慮重量問(wèn)題，多數(shù)采用高強(qiáng)度鋼材制造。隨著科技的發(fā)展，汽車(chē)除了搭載人及貨物外，各種電子化設(shè)備的添加使得汽車(chē)重量越來(lái)越重；同時(shí)，由于汽車(chē)數(shù)量的增加，能源問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，汽車(chē)減重變成了汽車(chē)廠商們亟待解決的問(wèn)題。
在這樣的背景下，科學(xué)家開(kāi)始利用現(xiàn)成的技術(shù)對(duì)汽車(chē)制造進(jìn)行改進(jìn)，航空技術(shù)中所采用的鋁合金材料就是首選，也是最早出現(xiàn)在汽車(chē)制造中。
圖注：1993年法蘭克福車(chē)展展出的Audi Space Frame概念車(chē)，
Audi Space Frame概念車(chē)這就是于1994年上市的，采用ASF全鋁車(chē)身的奧迪A8（Typ 4D）的原型車(chē)，相比于上一代旗艦奧迪V8，主體框架就減輕40%，整體自重減輕了249kg。
圖注：奧迪A8（Typ 4D）
圖注：奧迪A2，1999年推出的全鋁小型車(chē)
奧迪于1994年和1999年分別推出A8和A2全鋁轎車(chē)。鋁擠壓型材、鋁真空壓鑄件及鋁合金板是構(gòu)成其車(chē)身的三種基本元素，使這兩款車(chē)的車(chē)身質(zhì)量比傳統(tǒng)鋼制車(chē)身減輕40%，A2的總車(chē)質(zhì)量只有895kg，而車(chē)身的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度反而大大提高。奧迪A8更是被評(píng)為1994年全世界100項(xiàng)重要科技成果之一。
圖注：瑪莎拉蒂Ghibli的車(chē)身采用了大量的鋁合金材料，國(guó)內(nèi)售價(jià)90.28萬(wàn)元
圖注：沃爾沃S90的葉片式減振彈簧，由纖維增強(qiáng)符合材料組成，由聚氨酯基體樹(shù)脂材料一層層粘合而成，相比于鋼制螺旋彈簧結(jié)構(gòu)，整體減重3kg，同時(shí)占用輪拱空間更小
如今，雖說(shuō)很多汽車(chē)用上了鋁合金制造技術(shù)，但是其成本較高，多用于豪華車(chē)型或者超級(jí)跑車(chē)上，價(jià)格是普通消費(fèi)者難以觸及的。所以，在控制成本的前提下，為了取得減重效果，很多車(chē)型除了采取逐步代替鋼材的制造方式，比如鋁合金輪轂、前鋁制副車(chē)架、鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)蓋，甚至是懸架系統(tǒng)等。當(dāng)然，隨著技術(shù)的進(jìn)步，更多新材料融入車(chē)身制造當(dāng)中。
圖注：全新一代奧迪A8的車(chē)身剖視圖
在考慮制造成本和提升剛性后，全新一代奧迪A8已不再使用全鋁車(chē)身結(jié)構(gòu)。綠色、藍(lán)色及紅色部分為鋁合金材質(zhì)，紫色、銀色部分為不同剛性的鋼材，黑色部分為碳纖維材質(zhì)，黃色部分為鎂合金。
圖注：由鋁合金、碳纖維材料拼接而成的BMW i3
而較早在研發(fā)之時(shí)就應(yīng)用鋁合金、碳纖維等材料的車(chē)型當(dāng)屬BMW i3了。并且在目前的乘用車(chē)型中，價(jià)格也相對(duì)親民。純電版豪華型售價(jià)為34.98萬(wàn)元，增程型41.58萬(wàn)元。由于鋁合金、碳纖維等新材料的應(yīng)用，在包含了300kg電池組的情況下，全車(chē)僅重1195kg，能夠有效地降低行駛能耗。
圖注：佛吉亞集團(tuán)在2014年展示的全玻璃纖維底盤(pán)
圖注：其堅(jiān)固程度不次于鋼材，但是在重量上，僅為同等鋼材的1/3
當(dāng)然，隨著技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)已不限于用金屬來(lái)制造車(chē)身，佛吉亞就給出了利用成本較低的玻璃纖維材質(zhì)制造汽車(chē)的方案。不過(guò)這種方案相比于傳統(tǒng)材料而言，雖然優(yōu)勢(shì)明顯，但是有些顛覆傳統(tǒng)汽車(chē)制造業(yè)，從技術(shù)和供應(yīng)成本上來(lái)考慮，仍處于研究階段，短時(shí)間內(nèi)還無(wú)法批量生產(chǎn)。
圖注：馬自達(dá)SKYACTIV-BODY車(chē)身結(jié)構(gòu)
圖注：這是下一代馬自達(dá)昂克賽拉的白車(chē)身。從兩張圖片上可以看出，車(chē)身布滿(mǎn)高強(qiáng)度骨架，有些像賽車(chē)用的防滾架，有效提升車(chē)身剛性
所以，腳踏實(shí)地才能夠真正滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，在我們目前還無(wú)法擺脫傳統(tǒng)材料的桎梏時(shí)，能夠深挖這些材料的潛能或許才是王道。而馬自達(dá)給出的另一種解決方案-SKYACTIV-BODY，就很吸引人眼球。通過(guò)增加車(chē)底加強(qiáng)梁，采用高強(qiáng)度鋼材和鋁合金材料，讓車(chē)輛的車(chē)身強(qiáng)度提升的同時(shí)，也可以起到輕量化的效果，按照馬自達(dá)工程師的預(yù)期，這樣綜合下來(lái)，可以讓車(chē)身整體剛性提升30%，但白車(chē)身重量卻降低8%。
鏈接：3D打印造車(chē)了解一下
新材料的應(yīng)用將會(huì)改變現(xiàn)有汽車(chē)的制造方式，傳統(tǒng)焊接將會(huì)被膠水、柳丁等連接方式所取代。未來(lái)，隨著3D打印制造技術(shù)的提升和普及，汽車(chē)將不僅變得更輕，也如同拼裝玩具一樣在不改變強(qiáng)度的情況下，結(jié)構(gòu)變得更簡(jiǎn)單，制造成也會(huì)更低。