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电动汽车底盘和悬架部件的材料选择

福特野马Mach-E ©,福特野马Mach-E

通过安德鲁•哈洛宁五月花号咨询有限责任公司

无论一辆汽车是采用电动发动机还是内燃机(ICE),在其设计中都有许多因素影响燃油效率和行驶里程。效率损失有多种形式,但通常受到空气动力学、滚动阻力、摩擦损失和重量等因素的影响。空气动力学可能是控制燃油效率的最大杠杆,但受限于车辆的功能及其设计美学。滚动阻力很大程度上取决于车轮的冲击,为了耐用性和牵引力,车轮必须保持平衡。摩擦损失与发动机的性能有关。车辆重量是车身和系统的总和,加上乘客、货物和拖带的有效载荷。通过设计和选材的结合来优化重量,这是本文的重点。

重量和范围

为了考虑重量对电动汽车效率和行驶里程的影响,最好先对ICE车辆结构和电动汽车结构进行比较。为了进行比较,控制重量(没有人或货物的车辆的重量)将被考虑。

在一辆ICE汽车中,普通轿车的重量分布通常如下:1车身结构(25%)、动力总成(25%)、底盘和悬架(21%)、内饰(14%)、密封件(8%)、玻璃、电气和流体(7%)。将车身和密封装置结合起来,金属片约占整车重量的三分之一。在四门的情况下福特融合后,整备重量将在3600磅(1633公斤)左右。

与此同时,在电动汽车中,重量分布发生了变化。例如,For a特斯拉型号S2具有4,600磅(2,087千克)的遏制重量,重量分布如下:2电池(29%);电机、传动系统、刹车和悬架(23%);框架(17%);内部(14%);闭包(4%);电(4%);其他部分(9%)。

汽车工程师经常指出,“电动汽车可以增加1000磅的重量”,这一点可以从福特Fusion和特斯拉Model S的对比中得到说明。通常电池组是增加重量的罪魁祸首。例如,特斯拉Model S电池组重约1323磅(600公斤)。在另一个比较中,提议Rivian预计电动皮卡的平均重量将达到800磅(363公斤),比底特律三大皮卡——福特F-150的平均重量还要重,雪佛兰西尔维拉多,道奇Ram。

Lux Research创建了一个模型,将电动汽车的续航里程、汽车质量和电池尺寸进行了比较。3.在这种关系中,通过减小车辆质量来扩展EV范围,或通过增加电池效率以减小其尺寸。当然,随着这些选择的大量成本要素涉及这些选择,因为EVS需要在客户之间获得质量接受。LUX预测“电池组能量密度将在未来十年内增加15%。这种增加的能量密度可用于通过使电池尺寸相同或通过收缩电池组的尺寸来延长车辆的范围。“他们还预测,到2030年,EV的重量成本值为5美元/公斤左右,就像今天在冰车中一样。

解决减肥

在讨论汽车的轻量化问题时,人们不禁会对各种因素感到惊讶,这些因素会影响到众多决策。汽车需要减轻重量吗?如果需要,在汽车的某些轻量化方面,哪里是最划算的,或者像美国人说的“物有所值”?

车辆内的一些系统不能或难以改变,例如发动机,电池组或电动机。这些系统由OEM设计,这些系统被认为是“黑匣子”,或者通过汽车制造商锁定的系统。人们仍然可以为这些领域提出优化的材料,但这将是一个艰难的卖。

然而,当考虑车辆的其余部分时,材料选择的决策矩阵给出了更多的选择。多年来,轻量化世界博览会为汽车零部件提供了大量的轻量化解决方案——从玻璃到聚碳酸酯车窗(减重40%);从钢到挤压铝的汽车横梁;将一种保险杠换成另一种;等等。轻量化方面的改进正在逐步成熟。

底盘和悬架

一个较少为人所知的领域是车辆的轻量化。在底盘、悬架和刹车系统中,有许多部件需要考虑进行轻量化优化。在每个系统中,在重量和成本方面有各种各样的选择。

一般来说,钢溶液较重,成本最低。然而,铝行业不应自满,认为这种材料永远比钢轻。福特F-150转向铝制车身后,钢铁行业在材料和加工方面进行了大量创新。如今,汽车制造商可以购买强度在1500 - 2000 MPa左右的可成形超高强度钢。例如,五月花咨询公司(Mayflower Consulting)预测,钢铁行业将很快能够提供一体化冲压的悬挂臂,进一步减轻重量和成本。对oem来说,这种竞争格局为开发一款有利可图的汽车提供了更好的选择。然而,对于材料供应商来说,这迫使他们为了生存而进行创新。

随着材料生产商的不断创新,整车厂在所有可用选项中进行选择是一个挑战。对于悬架组件,汽车制造商有许多生产前下控制臂的选择,包括锻造铝、铸铝和焊接钢。4此外,还有冲压钢和球墨铸铁两种选择,oem总共有五种选择——仅用于较低的控制臂。

锻件在内燃机和电动汽车上都很常见,经常用于转向节、控制臂和连杆的悬架系统。当被问及为什么铝锻件是一个很好的选择前端电动悬架,克里库巴茨克,销售经理锚哈维组件他表示,电动汽车需要较长的控制臂和坚固的端部配件,而锻件可以设计成坚固、坚硬的部件,非常适合设计的需要。这种实现的一个很好的例子是新的福特野马Mach-E电动汽车,它展示了这些长,锻造铝下控制臂(图1)。

图1所示。2021年福特野马Mach-E上的铝制前下控制臂。
图1所示。2021年福特野马Mach-E上的铝制前下控制臂。

电动汽车市场中锻件的使用量可能会增加,原因有几个。首先,车辆更重。其次,电动汽车的运动套件需要更高的性能(例如,在特斯拉Model S的滑稽模式下)。最后,电动汽车的重心向后向下转移,会给悬架组件增加更多的负载。锻件通过表现设计和包装的效率来解决这些方面。

刹车系统

在轻质的情况下,汽车制造商首先展望低悬挂的水果,它被定义为螺栓上的部件,因为它们需要较少的集成而易于交换。在车辆的身体上有许多这些组件。较大的重量项目包括子帧和悬架臂,而较小的部件包括制动器和制动钳。

制动卡钳属于非簧载质量(包括悬架、车轮和其他直接与之相连的部件)的范畴,这通常具有更大的价值。当有人说每克都很重要时,首先要问的是他们为制动卡钳选择了什么材料?福特探险家选择铸造铝卡钳在前面,而雪佛兰开拓者选择铸铁卡钳。两者的区别在于前轴的重量是2900克。

然而,在最近的市场研究,由五月花咨询发现,市场上的大多数制动卡钳仍然是铁。这就提出了一个问题:为什么汽车制造商似乎认为这些额外的重量并不重要?汽车制造商还能在哪些地方减排2.9公斤?这需要付出多少努力和投入?五月花公司正在继续调查铸造和加工铁与铝的成本,以便更好地了解OEM对更重制动卡钳的偏好。

EV材料选择比较

大多数轿车都是一体式结构,结构是内置在车身内的,而不是车身在框架上的结构,后者在皮卡等较大的车辆中很流行。没有车架轨道,更大的底盘子系统包括子车架,这被称为发动机机架或k机架。可用于副框架的材料包括铝挤压件、铸铝角挤压件、铝或镁铸件或钢焊接件。电动汽车混合使用这些选项。例如,特斯拉Model S有一个铝制的副车架,它被认为是一种混合动力,因为它是由挤压和四角铸件连接而成的。5

以下是在两个不同的EV模型上使用的子帧 - 2019年TESLA模型3到新的2021 Ford Mustang Mach-E(图2)。型号3使用重24千克(53磅)的焊接钢板。钢设计上的上游是紧密的包装和降低成本,但缺陷是增加的重量和耐腐蚀性较低。一方面,后子帧采用焊接钢,由于公司在型号3上移动到大部分钢体(远离型号的全铝体),因此并不令人惊讶。另一方面,在其模型Y上,特斯拉采用了不同的方法,将车辆地板结构中的许多钢冲压器转换为单个大型铝铸造,称为“铸造”。

图2.后子帧系统的比较 -  2019年Tesla型号3系统由焊接钢制成,重24公斤(53磅),而2021福特野马Mach-E系统由中空铝铸造制成,称重18千克(40磅)。
图2.后子帧系统的比较 - 2019年Tesla型号3系统由焊接钢制成,重24公斤(53磅),而2021福特野马Mach-E系统由中空铝铸造制成,称重18千克(40磅)。

与此同时,福特的Mach-E前后均采用空心铸铝副车架(后车架仅重18公斤,约40磅)。这从车辆重量减少约12公斤,导致估计减少25%。空心铝副框架是在低压铸造机上使用大型砂芯制造空心。Munro & Associates是一家标杆设计公司,他们对福特在设计新的mache子车架组件方面的工程专业知识表示了热情。6

另一个比较可以用大众的新电动汽车车型ID.4。Munro & Associates对该车的系统进行了分析,发现钢结构和悬架组件占主导地位。7副车架是焊接钢,前悬架是MacPherson支柱设计与钢下控制臂和铸铝转向节。在后方,钢用于副车架和较低的控制臂链接。还有两个锻造铝上控制臂,和一个铸铝后关节。

看一下制动卡钳,这个行业中大多数都是用铁制造的。然而,在电动汽车上,情况恰恰相反,大多数电动汽车都是铝制的。五月花公司研究的所有特斯拉车型都配备了铝制卡钳。同时,马赫- e有一个大的铝卡钳在前面,和一个小铁卡钳在后面。有趣的是,注意到马赫- e的后部灰铁制动盘是薄的,而不是像特斯拉Model 3卡钳的厚和排气。与厚的通风卡尺相比,轻薄结实的设计重近5公斤,不过与铝制版本相比,铁卡尺的使用增加了一些重量。这提出了一个问题,为什么这两辆车,都接近的重量,选择了非常不同的后刹车尺寸?也许福特是对的,后置电动汽车的刹车需要更低的性能,所以它可以是一个更薄的设计。这一理论可能被大众ID.4的证据所证明,它采用了类似的方法,使用鼓式制动器。

轻量化的未来

直观地看,汽车的重量越低,单位能量行驶的时间就越长。因此,总是强调效率,但当然也有限制,如可用预算,包装空间适合一个轻量级的组件,和可用的供应链提供可靠和有竞争力的价格的部件。

在分析中,特斯拉3的副车架是焊接钢的,与大众ID.4很相似,所以许多减轻重量的选择,如空心铝铸造或挤压设计没有被选择。这是由于成本,包装,碰撞性能,或车辆动力学?是因为Model 3将在许多大洲生产,钢材更容易获取吗?

然而,特斯拉3确实选择了铝卡钳在前面,提供了近3公斤的重量减轻。是否需要在前轮端进行非簧载质量减少,或者为了车辆重量平衡而进行减重?在参考研究中,大多数ICE车辆使用球墨铸铁制动钳,而大多数电动汽车使用铸铝制动钳。有人说,减重的溢价乘数是每公斤5美元,Lux Research认为这将成为2030年的衡量标准,所以也许轻量化的价值不会改变。

潜水鸟的研究将悬架和制动部件称为“钟摆部件”,意思是材料的变化取决于作出决定的人。上世纪90年代末,底特律的一家OEM公司生产的刹车钳几乎都是铝的,现在大多是铁的。也许控制臂、指节和子帧也是如此?可以肯定的是,每次总工程师和车辆团队在重量、成本、里程和性能等方面都面临挑战时,都会引发激烈的争论。我们所能做的就是不断创新!

参考

  1. AluMag,北美轻型采购研讨会,2015年11月。
  2. 特斯拉S型重量分布”,Teslarati2013年7月19日
  3. 到2030年,纯电动汽车将减少对轻量化的依赖Lux Research, 2020年11月12日。
  4. 哈洛宁,安德鲁。”汽车悬架部件为铝锻件提供了机会”,beplay体育网页版登录, 2020年12月,30-34页。
  5. 副车架和发动机支架铝型材协会(AEC)。
  6. 2021福特野马马赫- e: E3 -提升审核|前悬架视频,Munro & Associates, 2021年4月28日。
  7. 大众汽车2021 ID.4: E3 -提升审核,前和后悬架视频,Munro & Associates, 2021年4月12日。

安德鲁•哈洛宁他是Mayflower Consulting, LLC的总裁,这是一家轻量级咨询公司,为高科技客户提供战略营销、市场研究和业务发展。哈洛宁与铸件,挤压,刹车和新材料开发项目合作。联系他:www.lightweighting.co

编者按:这篇文章最早出现在2021年6月《轻金属时代》beplay体育网页版登录请收本期的订阅