 成熟技术搭载新的制造工艺 法拉利新一代汽车铝材料独领风骚 您能用复合材料或铝制造出既坚固又轻质的汽车吗？在法拉利看来，这并不简单。近日，海外媒体到访马拉内罗探讨开拓性的铝技术，该技术将有助于法拉利实现下一代汽车的宏伟目标。 下一代法拉利 V8 的车身结构将比现在汽车轻 15%-20%，但不会降低它们的坚固性能。这是否将通过使用超轻、超坚硬的碳复合结构实现呢？“当然不会，”法拉利首席执行官费立萨说道。“我们相信在该市场领域中，铝材料才是最佳选择”。车身重量减少20%，整车质量就会降低大约5%，有助于提高汽车性能、减少排放并提高燃油经济性。车身的减轻也意味着加速、转向和停车时可以减少质量负担，因此车辆动态特性也得到了改善。法拉利专业研发铝制白车身已超过15 年。“我相信目前法拉利在制造轻质铝车身结构方面的能力已达到世界领先水平，而且未来我们还会不断取得进步，”费立萨说道。  法拉利的车身装配厂 Carrozzeria Scaglietti从马拉内罗的总厂驾车片刻就可到达。该厂自1953 年开始制造法拉利车身，出自该厂的经典车型包括 250 California Spider 和 250 GTO 等等。自法拉利于1977 年完全接管这家工厂之后，该厂已转型成一家现代化的高科技研究中心和最先进的制造基地。虽然 Scaglietti 长久以来打造了多款全球最美的轻质金属车身，但法拉利对铝材料的热情投入并非仅仅因为有这样一家工厂。其实，法拉利在复合材料领域也具有丰富的经验，这从法拉利F1车队和一系列复合材料制成的“终极”超跑（包括最近的 Enzo）上就可以体现出来，因此法拉利如果愿意的话，完全有能力利用最新的碳技术制造任何一辆公路版跑车。 “复合材料要产生良好的效果，需要由工匠精心地手工铺层，而这些工匠必须具备多年经验，能够有效驾驭编织工艺。它非常昂贵，而且有可能发生显著变异。同时，一旦发生事故，也很难维修，”费立萨说道。费立萨在法拉利技术总监的岗位上工作多年，他对于汽车的精密工程设计有着执着的热情。“在全力追求极致性能的终极跑车领域，我们将继续研发复合材料技术，”法拉利车身系统经理 Patrizio Moruzzi 指出。“而法拉利V8 车型的要求则与之不同，该车每天的产量一般为 2 至10 辆，供车主日常使用，因此我们认为铝材料显然是更好的解决方法，并且为今后的改进提供了更大的空间，同时完全可再生”。  不断演进 法拉利于 1999 年推出的采用中后置 V8 发动机的360 Modena 宣告法拉利首次运用铝材料。该车的白车身基于一体式车架，该车架主要使用铸造和挤压的结构部件制造而成，并与铝质车身面板相连接。该技术随后应用于V12 系列车型——2004 年的 612 Scaglietti 和 2006 年的 599 GTB Fiorano，之后该技术再次升级并应用于采用 V8 发动机的新一代车型——2008 年的法拉利 California 和2009 年的 458 Italia。 在法拉利 California 和 458 Italia 的前期准备阶段，法拉利对白车身的研发投资增长了 50%。结果是激动人心的。 “正是从这个阶段开始，我们更充分地利用铝材料的性能来设计汽车，”法拉利首席工程师罗伯特?费德利说道。他以扭矩反作用箱（位于 A 柱底部）为例。过去，该部件由经过焊接板增强的挤压件制成，现在它可以整片进行热成型。这样不仅减少了材料的使用量，而且增强了均匀度并大大改善了形状，从而与现有空间更加相配。  材料的精心挑选和连接技术的发展使汽车各个部位都获得了类似的改善。挤压件选用了五种不同的铝合金，车身面板则选用了三种不同的铝合金，从而根据各种部件的具体要求对材料特性进行了优化。最新的高强度合金在不增加重量的情况下，使某些部件的耐受力提高了多达80%。California 和458 总共使用了20 多种不同的铝合金，其中大部分铝合金还经过了各种处理以进一步优化特性。 法拉利宣布其下一代V8 车型也将基于该技术制造而成，目标是提供至少与目前的汽车相同的空间，但是性能更强、更舒适，而且外形尺寸可能更为小巧。“在Scaglietti，我们利用推出 California 和设计下一代 V8 之间的这段时间来大力发展白车身技术，”费德利说道。“下一代汽车将具有更优化的结构，以充分利用先进铝合金目前的优势。有人希望将铝合金材料与复合结构进行对比，我可以负责任地说，铝合金轻得多”。  下一代平台 为了实现下一代车型在重量和刚度方面的宏伟目标，法拉利将大幅扩大合金材料的选择范围。首先，458 车门中的防侵入梁改用了铝锂合金。锂原子取代了铝晶格中的铝原子，但是重量更轻，从而将整块材料的重量减轻了多达 10%。另一种原子尺寸的引入也有助于防止变形期间的位移，从而使材料更坚固。和法拉利采用的许多新型材料一样，铝锂合金目前主要应用于航空航天领域：航天飞机外置燃油箱的终极版主要就是由铝锂合金制成的。“今后的法拉利V8 车型将会更多地使用铝锂合金材料，”概念工程经理 Franco Cimatti 说道。 此外，我们还可能会看到另外一种特殊材料——铝碳化硅。这是一种金属基复合材料，由分散有碳化硅颗粒的铝基体组成。这种材料与陶瓷（即陶瓷制动盘所用材料）相结合后硬度极高，从而在大大减轻重量的同时，实现了可与钢制材料相匹敌的机械性能。还有一些处理铝制材料的新方法带来了激动人心的前景。目前法拉利已经使用了具有可变壁厚的部件，并且这种技术的使用将会大幅增加。过去，有两种方法可以强化固定点周围的金属部件：增加整个部件的厚度（这样会增重）或在加强件上进行焊接。现在，部件本身可以在必要的位置增加厚度。  拿起一件铝泡沫部件，您会发现另一个不为人知的秘密：和砖一样大小的构件竟然只有几克重。通常而言，泡沫体积的75-95% 都是空心的。通过改变这一比例和其他一些参数，即可根据各种应用要求对该种材料进行定制。铝泡沫材料不但轻而硬，还具有极好的能量吸收特性，因而是消音和碰撞时吸能的理想选择。 “轻质的空心箱形构件可能产生共振，而固态金属则很容易传递噪音和声振粗糙度，”Cimatti 解释道。“用铝泡沫代替特定的空心部件区域，我们就可以在不影响重量和刚度的前提下，减小声学管理系统的尺寸和重量并提高碰撞性能。” 锐意创新 “我们不仅是进行简单的材料替代，用更好的材料取代传统材料，还能够对材料的结构进行特殊设计，从而使新材料的特性得到充分的发挥，”Cimatti 继续说道。“有许多因素要考虑，包括我们将如何使用新材料造车。工艺性是一个关键的选择标准，但是我们不想让材料的选择受限于这一标准。法拉利的对策是在潜心研究选材的同时，致力开发新的制造工艺。” 最大的挑战之一是如何将新材料接合到一起。例如，极薄的面板和一些特别硬的合金材料无法焊接。“要将板状部件接合起来，可以使用机械固定件，如自冲铆钉，但这些固定件将会使应力集中，因此需要更厚的材料或使用加强件，而这两者都会增加成本和重量，”Cimatti 说道。轻质金属泡沫则带来了一系列新挑战。  法拉利的方案是使用常见的连接工艺的改进版，或者改用完全不同的材料——结构粘接剂。Cimatti 表示，高科技胶粘系统能够在提高车身刚度的同时，将某些面板所需厚度降低多达20%。其中的关键是通过分散负载范围来消除应力的集中。粘接剂还可用来辅助机械紧固件，从而减少焊接或铆钉等的使用，或提供附加刚性以淘汰加强件。在下一代车型中，可能有大量的接头都将同时使用粘接剂与增强型铆接技术。使用粘接剂的缺点之一是需要部件之间有重叠，这样便增加了重量和厚度。在 Scaglietti 工厂试验的另一项创新性连接技术是冷金属过渡 (CMT) 焊接技术，该技术和现在的金属惰性气体 (MIG) 焊接系统一样，可以实现边对边连接，但使用的热量极少，接头几乎一旦成型就可触摸。 这一点和MIG 焊接不同，MIG 使用的温度极高，以至于可以改变周围区域（即热影响区 (HAZ)）的金属结构，从而使金属变脆。此外，无法在粘合接头附近使用MIG 焊接，这样就很难混合两种固定系统以减少材料用量。CMT 焊接使能量输入降低了大约30%，既能管理HAZ，又可以在粘接剂附近进行焊接。其他优点包括：减少与热相关的几何偏差、缩短周期时间、提高工艺稳定性等等。Cimatti 表示，该工艺目前已经过充分验证，但仍需设法改善 CMT 工具的尺寸，该工具现在太大，无法使机器人焊头到达包装最紧的位置。解决了这一挑战后，该技术将会大规模代替 MIG 进行结构焊接。  虽然材料和构造技术变得越来越新奇，另一问题浮出水面：如何维修碰撞过的车辆。“使用复合材料很难做到这一点，尤其是大多数车身修理厂不具备检测材料内部结构损坏的能力。当复合材料打造的法拉利发生重大事故时，我们将车送回工厂进行测试，经常会像安装赛车一样安装大量的新结构件，但公路版跑车的车主经常要用车，这么做并不现实，”Cimatti 说。 更换用的铝质构件在试制车间进行生产，每一个构件都是针对具体的车辆定身定制的。然后，再将这些构件送到车身修理厂与车辆进行整合。对于下一代车型，法拉利不仅着力发展新的材料技术，同时也在大力开发维修系统，其中包括改进型双组分粘接剂，供车身修理厂用来提供与工厂使用的单组分（热固性）粘接剂性能相似的粘合剂。双组分系统使用了与原先不同的化学反应，因此不需要热固化。  “从重量尺寸比可以看出，我们当前的铝技术已促使 458 成为同类车型中的佼佼者，可与任何一款车型相匹敌，”法拉利首席执行官费立萨总结道。“我们的下一代 V8 将会在使用轻质铝制车身结构方面向前跨出一大步，使重量尺寸比从大约 50kg/m2 缩减到大约 43kg/m2，远远领先当前任何同类车型。我们的新型材料技术为法拉利车主带来了一辆性能卓越、可供日常使用的杰出跑车。” 关键字： 法拉利 法拉利 V8 铝制材料 |
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