汽车减重如何演变

20 世纪 70 年代全球燃料危机之后，汽车行业开始寻求提高燃油效率，因此减轻车辆重量成为一项关键关注领域。自那时起，日益严格的排放和安全标准、电动汽车续航里程焦虑和驾驶性能要求确保了它仍然是一个热门话题!

车辆减重的原因

更轻的车辆需要更少的能量来驱动，从而减少燃料消耗和相关的运营成本。鉴于化石燃料成本的上升，燃油效率很快成为汽车制造商的一个关键卖点。

与此同时，《清洁空气法案》和其他主要市场类似的汽车排放标准迫使汽车制造商寻求创新方法来减轻汽车重量。更轻的汽车消耗更少的燃料，排放的污染物更少，最大限度地减少了对环境的影响，并有助于遵守法规。

减轻汽车重量的挑战因近期市场的两个发展趋势而加剧——消费者偏好从传统轿车和掀背车车身形状转向 SUV，以及汽车向电气化转变。

从设计上来说，SUV 比同类轿车更重，因此减轻重量是实现有竞争力的燃油消耗和符合排放标准的必要条件。

对于电动汽车而言，电池尺寸和车辆续航里程之间的关系至关重要，因为制造商需要平衡电池的重量和成本以及消费者对可接受续航里程的需求。更轻的电动汽车需要更少的能量来推动，一次充电即可行驶更长的距离，从而解决潜在电动汽车买家的主要担忧之一——续航里程焦虑。

减轻车辆重量的好处

为了更好地理解减轻车辆质量对于降低燃料消耗和排放的重要性，有必要对所涉及的物理学有基本的了解。

牛顿运动定律指出，物体的加速度取决于两个变量——作用于物体的净力和物体的质量。应用于机动车辆时，如果作用于车辆的力增加，加速度就会增加。但是，如果车辆质量增加，加速度就会减小。转化为实际驾驶条件，车辆质量越大，实现与较轻车辆相同加速度所需的牵引力就越大。

由于牵引力(驱动轮接触面产生的力)取决于发动机输出和传动装置，因此较重的车辆需要“更用力地行驶”或需要更高的发动机输出才能达到与较轻的车辆相同的性能水平。假设发动机和传动系统的效率水平相似，这意味着燃料消耗和排放量增加。

当然，物理学不仅适用于车辆加速，还适用于减速、方向改变和撞击时承受的力。较重的车辆需要比较轻的车辆更大的制动力才能达到相同的减速度。

虽然车辆制动器的设计目的就是应对这种情况，但这确实意味着制动时必须接近牵引力极限，这是低抓地力条件下的一个因素。同样，需要更大的力来改变车辆的方向，使其对转向输入的响应更慢，灵活性也更低。与普遍的看法相反，减轻重量也可以提高安全性。重量较轻、动量较小的车辆在撞击过程中通常会受到较小的力。

质量减少

在赛车运动中，让赛车尽可能接近最低重量限制一直被认为是提高单圈时间的关键，因为减轻重量意味着更快的加速、更短的制动距离和更灵活的操控特性。

在高性能公路车中，这也符合消费者对更具运动感和响应速度更快的驾驶体验的偏好。重量分布也会影响车辆的操控性，可以选择性地减轻重量以改善重量分布，从而提高响应速度和操控性。

如何实现车辆减重

车辆重量的减轻正在材料、优化设计和先进制造技术等许多关键领域实现。

材料替代——制造商用铝、镁和复合材料等更轻的替代品取代传统的钢制部件——已经存在多年。如果正确使用，这些材料可以提供相当的强度和结构完整性，而重量却只有原来的一小部分，从而可以显著减轻重量，而不会影响安全性或性能。

一些更常见的部件(大致归类为塑料)现在被广泛使用，包括汽车保险杠、轮拱衬里、某些车身面板、内饰和油箱。塑料在引擎盖下的使用也已扩大到包括发动机罩、防溅板、冷却风扇罩、空气滤清器箱、进气管道，在某些情况下甚至包括进气歧管。

铝现在通常用于车轮、发动机缸体、气缸盖、油底壳以及其他发动机和悬架部件。散热器以前由铜和黄铜制成，现在通常采用铝芯和塑料水箱。

高强度钢越来越多地用于关键结构领域，因为高强度钢的强度增加可以减少材料厚度和重量。虽然成本和耗时的生产过程限制了碳纤维增强复合材料在量产汽车中的使用，但它们现在广泛用于小批量、高性能汽车，高强度钢的强度和重量的结合带来了显著的好处。

这些材料的采用得到了制造工艺创新的支持，提高了设计和装配的灵活性，并结合了铝、钢和复合材料的组合，减轻了重量并最大限度地降低了生产成本。

减重——创新方法

一些制造商一直在实施特别创新的方法来实现进一步的改进。

宝马 i3于 2013 年推出，是第一款采用碳纤维增强塑料(CFRP)乘客舱和车身的量产汽车 ，而车门面板则采用大麻与塑料混合制成，以进一步减轻重量。

该车仅使用粘合剂组装而成，安装在铝制驱动模块上，该模块集成了动力系统、车架、电池和悬架。根据电池规格，其整备重量仅为 1,195 至 1,290 公斤，对于四座纯电动汽车而言，这是一项了不起的成就，可与类似尺寸的 ICE 车辆相媲美。

此后不久，宝马推出了一款新型 7 系车型，该车型采用多种材料结构，结合了钢、铝和碳纤维增强塑料 (CFRP) - 称为“碳核心”。

底盘和车身面板大量使用铝材，关键部位使用高强度钢，以提高刚度和防撞性能。车顶面板、传动通道和各种加固元件等关键结构部件使用了 CFRP，以进一步减轻重量，同时增强结构刚度和耐撞性。

最终，这款车比前代车型轻了 130 公斤，油耗和排放量都有所降低，操控性和灵活性也有所提高。对于目前的 iX BEV，宝马沿用了这种方法，在侧框、雨水槽、车顶框架、前围板和后窗框架中使用了 CFRP 组件，打造出轻巧而坚固的“碳笼”乘客舱。

特斯拉在减轻重量和降低成本的制造工艺方面尤为创新，包括启用世界上最大的高速压铸机“Giga Press”。

这些机器尺寸为 19.5 米 × 5.9 米 × 5.3 米，重 430 吨，可铸造出单件式 Model Y 后底板，取代之前组装的 70 个不同金属部件。除了减轻重量外，它还缩短了生产时间并提高了一致性。特斯拉计划最终将这种方法扩展到铸造完整的单件式底板。

出生于南非的设计师 Gordon Murray 在 GMA T.50 超级跑车上采用了不同的减重方法。除了更明显地使用碳纤维作为单体壳和车身面板、更薄的玻璃和锻造铝悬架组件外，Murray 还对每一个组件进行了基准测试，以达到尽可能低的重量。