電動汽車底盤和懸架部件的輕量化材料選擇

通風制動盤有什麼作用

【汽車材料網】無論車輛是配備電動發動機還是內燃機（ICE），其設計中都有許多因素會影響燃油效率和續航里程。效率損失有多種形式，但通常受空氣動力學、滾動阻力、摩擦損失和重量等因素的影響。空氣動力學可能是控制燃油效率的最大槓桿，但受到車輛功能及其設計美學的限制。滾動阻力主要與車輪的衝擊有關，必須平衡車輪的耐用性和牽引力。摩擦損失與發動機的功能有關。車輛重量是車身和系統的總和加上乘客、貨物和牽引方面的建議有效載荷。以本文討論的重點是透過設計和材料選擇相結合來最佳化重量。

重量和續航里程（Weight and Range）

為了考慮重量對EV效率和續航里程（efficiency and range）的影響，最好透過比較ICE車輛和EV的結構。出於此比較的目的，將考慮整備質量。

在ICE車輛中，普通轎車的重量分佈通常如下［1］：車身結構（25%）、動力系統（25%）、底盤和懸架（21%）、內飾（14%）、開閉件（8%），以及玻璃、電氣和流體（7%）。結合車身和封閉件，金屬板約佔車輛重量的三分之一。對於四門福特Fusion，整體整備質量約為3，600磅（1，633千克）。

同時，在電動汽車中，重量分佈發生了變化。例如，對於整備質量為4，600磅（2，087kg）的Tesla Model S［2］，重量分佈如下：節電池（29%）；電機、動力傳動系統、制動器和懸架（23%）、框架（17%）、內飾（14%）、關閉件（4%）、電子電器（4%）和其他成分（9%）。

汽車工程師經常指出“電動汽車給車輛增加了1，000磅的重量”，剛剛討論的福特Fusion與特斯拉ModelS的比較就說明了這一點。通常電池組是增加重量的罪魁禍首。例如，特斯拉Model S電池組重約1，323磅（600千克）。在另一個比較中，擬議的RivianEV皮卡預計比底特律三大皮卡（福特F-150、雪佛蘭Silverado和道奇Ram）的平均重量平均重800磅（363公斤）。

Lux Research建立了一個模型，將EV續航里程與車輛質量和電池尺寸進行比較［3］。電動汽車的續航里程透過減少車輛質量或透過提高電池效率以減小其尺寸來擴充套件。當然，這些選擇涉及很大的成本因素，因為電動汽車需要變得價格適宜才能獲得客戶的廣泛接受。Lux預測，“未來十年，電池組的能量密度將增加大約15%。這種增加的能量密度可用於透過保持電池尺寸不變來擴大車輛的續航里程，或者透過縮小電池組的尺寸來降低成本。”他們還預測，到2030年，電動汽車減重的成本價值將約為5美元/公斤，與今天的內燃機汽車大致相同。

解決減重問題（Tackling Weight Reduction）

在討論車輛的輕量化時，人們不禁想知道做出所涉及的眾多決策的各種因素。車輛是否需要減輕重量，如果需要，在減輕車輛某些方面的重量方面，哪裡最有價值，或者正如美國人所說，“物超所值”？

車輛內的某些系統無法或難以更改，例如發動機、電池組或電機。這些系統由主機廠設計，被認為是“黑匣子”（bang for the buck），或已被汽車製造商鎖定的系統。供應商仍然可以為這些領域推薦一種最佳化的材料，但這將是一個艱難的銷售。

然而，在考慮車輛的其餘部分時，材料選擇的決策矩陣（decision matrix）提供了更多的選擇。多年來，整個車輛的零部件展示了大量輕量化解決方案——從玻璃轉向聚碳酸酯車窗（重量減輕40%）；從鋼轉向擠壓鋁製橫樑；將一種保險槓換成另一種等等。輕量化的改進正階段化的日趨成熟。

底盤和懸架（Chassis and Suspension）

在底盤、懸架和制動系統中，有許多部件需要考慮進行輕量化最佳化。在每個系統中，在重量和成本方面都有多種選擇。

一般來說，鋼材重量較重，成本最低。假設材料總是比鋼輕，然而，鋁行業不應自滿。在福特F-150轉向鋁製車身結構後，鋼鐵行業在材料和加工方面進行了大量創新。如今，汽車製造商可以購買強度約為1，500-2，000MPa的可成形超高強度鋼。例如，Mayflower諮詢公司預測，鋼鐵行業將很快能夠將懸掛臂作為一件式衝壓件提供，從而進一步減輕重量和成本。對於主機廠來說，這種競爭格局為開發有利可圖的汽車提供了更好的選擇。然而，對於材料供應商來說，這迫使他們為了生存而創新。

隨著材料生產商不斷全面創新，主機廠在所有可用選項之間進行選擇是一個挑戰。對於懸架部件，汽車製造商有多種生產前下控制臂的選擇，包括鍛鋁、鑄鋁和焊接鋼［4］。還有衝壓鋼和球墨鑄鐵的選擇，為OEM提供了總共五種選擇——僅適用於較低的控制臂。

鍛件在ICE和EV車輛上都很常見，通常用於轉向節、控制臂和連桿的懸架系統。當被問及為什麼鋁鍛件是前端EV懸架的不錯選擇時，Anchor Harvey Components公司的銷售經理Kerry Kubatzke評論說，EV需要帶有堅固末端配件的長控制臂，並且鍛件可以設計成堅固的，非常適合設計剛性構件。一個很好的例子是新的福特野馬Mach-E電動汽車，它應用了長長的鍛鋁下控制臂（圖1）。

圖 1。2021 款福特野馬Mach-E 上的鋁製前下控制臂。

出於多種原因，電動汽車市場中鍛件的使用可能會增加。首先，車輛更重。其次，電動汽車運動套裝需要更高的效能（例如，特斯拉Model S的ludicrous模式）。最後，EV的重心向後和向下移動，會給懸架部件施加更多負載。鍛件透過展示設計和包裝的效率來解決這些問題。

制動系統（Braking Systems）

在輕量化方面，汽車製造商首先著眼於容易實現的目標，即易於更換的螺栓固定部件，因為它們需要較少的整合。車輛的整個車身中有許多此類元件。較大重量的部件包括副車架和懸架臂，而較小的部件包括制動器和制動卡鉗。

制動卡鉗屬於非簧載質量（包括懸架、車輪和其他直接與其相連的部件），通常具有更高的價值。當有人聲稱每一克都很重要時，首先要問的是他們為制動卡鉗選擇了什麼材料？Ford Explorer在前部選擇了鑄鋁卡鉗，而Chevy Blazer則選擇了鑄鐵卡鉗。兩者之間的區別是前軸上的重量為2，900克。

但是，Mayflower諮詢公司最近的一項市場研究發現，市場上的大多數制動卡鉗仍然是鐵製的。這就提出了一個問題，為什麼汽車製造商似乎不認為這些額外的克數很重要？汽車製造商還有什麼地方可以減重2。9公斤，需要多少努力和投資？Mayflower正在繼續調查鑄鐵與鋁的鑄造和加工成本，以便更好地瞭解OEM對較重製動卡鉗的偏好。

EV材料選擇比較（EV Material Choice Comparison）

大多數轎車採用一體式結構，該結構內置於車身中，而不是車身框架式結構，後者在皮卡車等大型車輛中很受歡迎。沒有車架縱梁，較大的底盤子系統包括副車架，稱為發動機支架或K型車架。可用於副車架的材料包括鋁擠壓件、帶有鑄鋁邊角的擠壓件、鋁或鎂鑄件或鋼焊件。電動汽車混合使用這些選項。例如，特斯拉ModelS有一個鋁製副車架，它是混合材料車架，因為它是由擠壓件和角上的鑄件連線而成［5］。

以下是兩種不同EV車型（2019年特斯拉Model3與新2021年福特野馬Mach-E）上使用的副車架的比較（圖2）。Model3使用重24公斤（53磅）的焊接鋼副車架。鋼結構設計的優點是緊湊的包裝和較低的成本，但缺點是重量增加和耐腐蝕性較低。一方面，後副車架使用焊接鋼並不奇怪，因為該公司在Model3上轉向了大部分鋼製車身（在遠離ModelS的全鋁車身之後）。另一方面，在ModelY上，特斯拉採用了不同的方法，將車輛地板結構中的許多鋼衝壓件轉換為單個大型鋁鑄件，稱為“大型鑄件”。

圖2。後副車架系統對比——2019款特斯拉Model 3系統由焊接鋼製成，重24公斤（53磅），而2021款福特野馬Mach-E系統由空心鋁鑄件製成，重18公斤（40 磅）。

同時，福特Mach-E在前後均採用空心鑄鋁副車架（後車架僅重18公斤，或約40磅）。這使車輛重量減少了約12公斤，估計減重了25%。中空鋁製副車架在低壓鑄造機上使用大砂芯製造中空。Munro & Associates是一家基準測試和設計公司，他們對福特在設計新Mache-E副車架元件方面的工程專業知識表示了熱情［6］。

可以與大眾汽車的新電動汽車車型ID。4進行另一個比較。Munro & Associates對車輛系統進行了分析，並指出鋼材在結構和懸架部件中占主導地位［7］。副車架為焊接鋼，前懸架為麥弗遜式支柱設計，帶有鋼製下控制臂和鑄鋁轉向節。在後部，副車架和下控制臂連桿使用鋼。還有兩個鍛造鋁製上控制臂和一個鑄鋁後轉向節。

看看剎車卡鉗，業內大多數都是用鐵做的。然而，在電動汽車上，情況恰恰相反，大多數是由鋁製成的。Mayflower研究的所有Tesla車型均採用鋁製卡鉗。同時，Mach-E的前部有一個大的鋁製卡鉗，後部有一個小的鐵卡鉗。有趣的是，Mach-E的後灰鐵製動盤很薄，而不是像特斯拉Model3卡鉗那樣厚且通風。使用薄而堅固的設計而不是厚實的通風式設計，儘管與鋁製版本相比，使用鐵製卡鉗增加了一些重量，近5公斤。這就提出了一個問題，為什麼這兩輛車的重量都很接近，選擇了非常不同的後製動器尺寸？也許福特是正確的，因為後部EV制動器需要較低的效能，因此可以採用更薄的設計。這個理論可以透過大眾汽車ID。4的證據來證明，它遵循類似的方法，使用鼓式制動器。

輕量化的未來（The Future of Lightweighting）

直觀地說，車輛的重量越輕，它依靠單位能量行駛的時間就越長。因此，始終強調效率，但當然也存在一些限制，例如可用預算、安裝輕型元件的封裝空間以及提供可靠且價格具有競爭力的零件的可用供應鏈。

在分析中，Tesla 3具有與大眾ID。4非常相似的焊接鋼副車架，因此沒有選擇許多減輕重量的選項，例如空心鋁鑄件或基於擠壓的設計。這是因為成本、包裝、碰撞效能還是車輛動力學？是不是因為Model 3將在許多大洲生產，而且鋼材更容易採購？

不過，Tesla 3的前部確實選擇了鋁製卡鉗，重量減輕了近3公斤。是否需要減少前輪端的簧下質量，或者是否需要減少車輛重量平衡？在參考研究中，大多數ICE車輛使用球墨鑄鐵製動卡鉗，而大多數電動汽車使用鑄鋁。有人說減重的溢價乘數是5美元/公斤，Lux Research 建議這將是2030年的指標，因此輕量化的價值可能不會改變。

Ducker Research研究機構將懸架和制動部件稱為“鐘擺部件”，這意味著材料會根據做出決定的人來回變化。在90年代後期，底特律一家主機廠的制動卡鉗幾乎全是鋁製的，現在它們大多是鐵製的。也許控制臂、轉向節和副車架也是如此？您可以想象，每次首席工程師和車輛團隊都面臨著滿足重量、成本、航程和效能目標的挑戰時，都會引發一場激烈的爭論。我們能做的就是不斷創新！

參考文獻