宝马i3模块化和碳纤维的奥秘

2019-11-09 07:10
[摘要] 为最大限度减轻重量,宝马i3使用了碳纤维增强塑料打造车壳,同时,i3上没有任何细小零件,宝马因此称其为“变革者”。

  为最大限度减轻重量,宝马i3使用了碳纤维增强塑料(CFRP)打造车壳,同时,i3上已经没有任何细小零件,宝马的管理层因此称i3为”变革者”。那么i3的车身结构上到底隐藏着什么秘密?

  在大部分车的车身和框架都是采用整体结构的时候,宝马在i3上提出了模块概念。构成i3的两个模块被称之为乘员模块和行走模块。行走模块采用全铝制底盘,构建出稳健的基础,并在结构内集成有电池、动力系统、结构功能模块和基础碰撞模块。乘员模块则主要由一个高强度且极轻的CFRP材料(碳纤维强化塑料)制成的客舱构成。

宝马i3车身构架

  这些由重量轻强度大的材料————铝和碳纤维————制成的模块主要是为了降低i3的重量并提高他的能量效率。不过对于一般的车来说,大量的使用铝已经够少见了,更不要说碳纤维。

  相比1525千克的328i Coupe和1455千克的128i Coupe,i3的整车重量仅为1270千克。更轻的重量可以减小汽车行驶时的能耗,所以i3可以在容量仅为22千瓦时的电池带动下跑出130公里的续航里程(尚未被美国环保局认证),这在其他电动车上电池容量至少需要24千瓦时。

  面我们一直提到碳纤维,碳纤维是什么?为何它如此重要呢?碳纤维是一种强度非常高也非常轻的材料,同时价格也很昂贵。它被广泛地应用在高强度质量比的汽车上,比如众所周知的F1赛车。i3上使用的碳纤维材料被称之为碳纤维强化塑料,其中碳纤维全部由碳原子组成,而强化塑料是指在用树脂将碳纤维粘合后再用塑料加固,然后就可以用来制作车身了。

  碳纤维强化塑料不止是轻,还很坚固————是铁的十倍,并且可以在碰撞时吸收巨大的能量。碳纤维强化塑料的特性使得i3在高速碰撞下依然可以保持车身不变形,而即使车身被撞毁了,也能给车内乘员提供一个安全空间。

  同样因为乘员模块的高强度特性,i3上取消了B柱。前门与A柱相连,后门与C柱相连,这让人们上下车变得很方便。

  碳纤维强化塑料量产的造价不菲,越大的车越是如此。为了降低成本,宝马研究出了一种新的制造工艺。i3的碳纤维制造工厂坐落于华盛顿摩西湖,由宝马和西格里汽车碳纤维公司合资建成。工厂的年产量是1500吨,占全球碳纤维强化塑料出产总量的10%。

  未经过强化的碳纤维的制造过程需要大量的能量,因此要想真正做到降低成本,他们需要找到价格低廉的可再生能量来源。摩西湖加工厂设备全部是电力驱动,其能量供给来自于哥伦比亚峡谷大坝的水力发电厂。

  利用宝马历经十几年而研发出的加工技术,碳纤维在瓦克斯多夫被压成薄片,然后在兰茨胡特和莱比锡被制成碳纤维强化塑料(莱比锡工厂采用风力发电。)。其中关键的一步是通过高压喷射液态树脂(树脂传递成型工艺)来粘合碳纤维。

  i3行走模块所使用的碳纤维强化塑料就是经此加工而成。与传统的汽车架构相比,它所使用的零部件要少很多。

  既然碳纤维强化塑料是由碳元素而不是金属制成,那么是不是就能想当然地说这些碳元素是提取自可再生资源呢?事实上,西格里公司从未宣称这些碳纤维强化塑料的原材料是可再生资源,仅仅是说他们利用可再生能源来进行制造。这些碳纤维的原材料是聚丙烯腈————一种亚克力材料而非植物。

  不过碳纤维材料却能很容易地进行回收再利用。宝马旗下的工厂可以在不破坏碳纤维的情况下去掉其中的粘合树脂,然后将它们用来制作新的组件。但这是针对正常”退休”的车身而言。鉴于碳纤维相比钢和铝合金极差的可塑性,在受到足够强烈的撞击后,碳纤维就会变成一堆碎片。钢制车身撞毁后可以再度熔炼,撞成碎片的碳纤维如何回收?不知道宝马有没有研究过这个问题。

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