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            世強
            金屬加工技術

            寶馬汽車BMW輕量化技術路線及解決方案

            轉載 :  zaoche168.com   2022年04月26日

            寶馬智能輕量化結構
                  
            目前汽車輕量化主要是通過結構設計輕質材料應用兩方面來實現。各廠商在結構設計上多是以減小車身骨架車身鋼板的質量來減重,在此方面基本上是殊途同歸,同級產品間能夠體現出差異性的余地并不大。
                   真正能在輕量化結果面前舉重若輕的還是材料。盡管材料也在發展進步,但成本在其中還是扮演著很重要的角色,所以鋁、鎂、碳纖維等材料目前還不會在經濟型轎車中大量出現,但它們卻已是高端豪華車型“減重”的必備材料了。

                   為了到達減重和堅固的雙重目的,全新寶馬七系除了在材料選擇方面不惜成本之外,車身結構上也使出了寶馬智能輕量化結構這記”大招“。這項首次應用于量產車身上的技術”瘦身“效果也極為明顯,相比前代車型,全新750i xDrive重量足足減輕了130 kg。
                   寶馬提出的智能車身其實是一個由碳纖維增強復合材料、超高強度鋼和鋁合金組成的混合型結構,據稱這種復雜技術的制造目前僅有寶馬能夠駕馭。同時,寶馬的車用碳纖維年產能將達到9000噸,在這一領域奠定了絕對優勢。

                   碳纖維增強復合材料有著絕佳的物理特性:比鋁輕30%、比鋼輕50%,強度卻是鋼的7至9倍,它的使用顯著優化了全新系的車身剛性,對于那些需要承受較大壓力的車身部件效果則尤為明顯。以B柱為例,在碰撞中,經過增強型碳纖維復合材料加固的B柱不會因為沖擊而變形,相反地,高強度鋼和增強型碳纖維復合材料的相互作用會分散沖擊力,提升了車輛的安全性能。

                   使用了碳纖維內核除了提升車身剛性還降低了油耗,這在當時可以說是具有突破性的了,而且G11/G12 7系也以其這個獨具創新的碳纖維內核車身結構贏得了第17屆全球標桿車身結構評選大會的大獎。

                   寶馬是碳纖維增強復合材料的”死忠粉“,從最初參與的F1賽事,到M家族產品,碳纖維復合材料始終是寶馬在輕量化技術方面的最愛。在寶馬 i3和i8上,碳纖維復合材料的應用更是被發揮到了新的高度。
                   i3和i8兩款車型,都使用了“LifeDrive”的模塊化架構,Life就是駕駛員座艙,而“Drive”則代表底盤部分,包括了傳動系統和鋰離子電池等。

                   而輕量化的亮點就在于在“Life”部分大量使用了CFRP材料,即碳纖維復合材料,這是一種被大量用于F1賽車,航空領域的材料,而且分成Life和Drive兩部分,能夠分別控制車身材料成本與電池組的成本,做到兩者的一個合理分配。

                   其實這樣的結構與以往越野車經常采用的非承載式車身有些許類似,但正是因為寶馬使用了高強度碳纖維復合材料來打造,所以無論剛性和輕量化效果上來說,是普通的非承載式車身望塵莫及的。

            大量使用碳纖維復合材料的i8車頂
                   雖然碳纖維復合材料的大量使用能夠減輕車身重量,提高車身剛性,但是也因為材料本身售價不菲,所以導致了i8高昂的售價,雖有高科技材料加身,以及炫酷的超跑外形,但是1.5T的動力似乎也很難讓消費者為這臺“超跑”買單。

                   反觀i3,這樣一臺車身緊湊,易于通行的小車,在如今限牌限號的情形下,憑借有競爭力的終端售價和一張綠牌,受到了不少青睞。

                   雖然i系列大量使用輕量化材料來瘦身,但如果攤上價格的話,也算是一把雙刃劍了,如果未來像碳纖維復合材料這種高科技能夠成本降低的話,相信到時候的車能比現在快不少,安全不少,所以說i系列在輕量化這條路上還是比較超前的。
                   全新7系則是首款采用工業化生產的碳纖維增強復合材料(CFRP)與鋼材和鋁合金混合車身結構的車型,也開辟出了汽車輕量化設計上的一條新路。

                   碳纖維并非赤裸地展現在面前,而是一種Carbon Core的技術,也就是碳纖維內核。新的技術與材料的使用,白車身減重40kg,整車輕了130kg。

                   CFRP的技術主要集中在腰線以上的部位,所以新一代7系開起來十分輕盈。此感覺并不單單由良好的動力帶出,更多是腰線上部輕了不少,重心比上代車型低了很多,所以無論直路和彎中的穩定性都提高了。

                   能把碳纖維應用在車身上,超跑很多都這樣干,不過唯一寶馬能將這技術大批量生產,并應用在民用車層面。將來M3和M5也一定會用上CFRP材料,甚至3系、5系等車型都有可能應用。

            體量之輕,性能之重——M3 CSL(E46)
                   Power輕量化史上最為出名,也最為Bimmers津津樂道的就是誕生于2001年的第三代M3的限量版本——M3 CSL(E46)。CSL 這三個字母分別代表 Coupe (雙門) 、Sport (運動) 、Lightweight (輕量化)。

                   M3 CSL 的車頭在當時的年代背景下就已經開始使用了上文提到的CFRP碳纖維復合材料,此外還用于車頂及后備箱,光是車頂就減重了7kg左右,同時使用玻璃纖維打造的輕型桶形座椅。

                   后窗玻璃和后擋風玻璃則采用聚碳酸酯材料打造,最終造就的,就是相比于普通版E46 M3減重高達110kg,整備質量僅為1385kg,當時可謂令整個車壇為之震撼。

                   這樣的輕量化再搭配上看家的直列6缸自吸發動機,輸出最大馬力360hp,最大扭矩370N·m,加上SMG序列式變速箱的加持,4.9秒就可完成零百加速。
                   這一筆可謂在M Power的輕量化歷程上濃墨重彩,聲名大噪。

            M Power的看家寶——碳纖維傳動軸
                   而反觀現今的M Power,輕量化的腳步一直未曾停過,最赫赫有名的當屬M3/M4使用碳纖維傳動軸這件事情了,寶馬為了追求更極致的駕控體驗,使用了一體式碳纖維傳動軸,用以降低轉動慣性,提升剛性,改善加速響應,并且碳纖維材質的傳動軸本身就具有強度高,重量輕的特點。

                   但可惜的是,寶馬于2017年11月后生產的M3/M4車型就用鋼制傳動軸代替了碳纖維傳動軸。
                   據當時的報道,這是為了更好的滿足歐洲嚴苛的排放法規,以及在未來的M3/M4車型中安裝微粒捕捉器留下足夠的空間,因為不僅僅是碳纖維材質更換到鋼制,傳動軸的尺寸也減小了。

            鋁合金材料的應用與細節優化
                   除了寶馬智能輕量化結構這項”大招“之外,全新7系的輕量化功夫還花在了底盤區域。有針對性地使用鋁合金材料以及對輪轂及制動器等細節部分的優化也讓全新7系受益匪淺。

                   除車門以外,全新7系還首次采用了鋁制后行李箱蓋。此外,通過對車輪支架、制動器和車輪的設計采用嚴格的輕量化措施,全新7系簧下質量也較前代車型最多減少了15%,舒適性和操控性表現都因此有所提升。
                   另外,全新 7系還采用了重量優化的連接技術以及針對發動機的近源熱屏蔽和聲音屏蔽,由此降低了所用隔絕材料的重量。通過整體的輕量化結構設計,全新7系進一步降低了車輛重心,并使前后車橋載荷達到了50 : 50的完美比例分配。

            S58發動機
                   S58發動機作為M家族發動機新晉成員,首先搭載于X3 M和X4 M上,有著比S55更為強悍的性能,以及更多技術上的改進,光是從數據上就能看出他的進步:

                   而對于這樣一臺性能級發動機,輕量化同樣是繞不開的話題,寶馬工程師在設計S58發動機時,力求最大輕量化。

                   例如缸蓋鑄造砂芯是采用最為先進的3D打印技術制造的,這意味著什么?意味著更輕的氣缸蓋的重量,還能夠制造出集成冷卻通道的結構,進而獲得更佳的散熱效率。

                   此外,S58還使用了全新的鍛造曲軸和輕量化活塞,以及輕量化鎂鋁合金油底殼,進一步“瘦身”。

            電力驅動
                   在BMW高效動力策略框架下,寶馬集團基于輕量化、小型化、集成化和可擴展的研發理念,重磅推出了第五代BMW eDrive電力驅動技術。尤為值得一提的是,第五代BMW eDrive電力驅動技術及所有配套傳動系統零部件,均是由BMW獨立開發且關鍵零部件由下屬企業生產,從而確保了可靠的高品質要求。因此,高品質和高能效便成了第五代BMW eDrive電力驅動技術的主要核心任務。
                   簡單來說,第五代BMW eDrive電力驅動技術的電驅單元,將電動機、逆變器及變速器融為一體,在保證性能的同時大幅降低重量并減少了所需的安裝空間。
                   在搭載該項技術的首款車型創新純電動BMW iX3上,電動機的最高功率達210千瓦,功率密度較上一代提升了約30%,最高能效更是高達93%,同時電動機與車輛后軸整合,進一步實現了驅動效率的提升。

            電池箱體
                   2019款寶馬i3動力電池箱體采用碳纖維復合材料,使之輕量化。
                   電池箱體作為電動汽車用動力電池的防護零件,對結構設計、重量等方面的要求都很高,在電池模塊的重量和尺寸確定后,設計電池箱體時考慮的因素比較多。首先電池箱體是電池模塊的承載件,電池模塊需要通過它連接到車身上。其次,動力電池一般安裝在車體下部,考慮到電池模塊的工作環境,電池箱體需要具有對模塊的防護功能,需要考慮模塊的防水防塵以及道路環境對電池箱體的腐蝕,電池箱體還需要考慮承受車輛運行過程中的振動和沖擊等。

                   2019款寶馬i3動力電池箱體是由寶馬與三星合作開發的42.2kWh的電池組組合, 寶馬i3的動力電池箱體安置在車體中央,并由特制的外殼和固定系統保護著, 其整體容量從33kWh升級至42.2kWh,這也讓2019款寶馬i3的續航里程有了質的提升,2019款寶馬i3由原先的271KM提升到了359KM。寶馬i3動力電池箱體其采用模塊化的設計使得該電池組在目前市場的可維修性是最好的。寶馬i3電池組系統方案技術指標一直使用的電芯是方形鋁殼,NCM,由三星SDI提供,額定電壓在3.7V,電壓限值區間為2.8-4.1VDC,寶馬i3電池系統電芯的比能在120Wh/kg以上,電芯的內阻在0.5 mΩ左右,寶馬i3電池箱共有8個模組組成,每個模組有12個電芯,共計96個電芯,串聯。
                   寶馬i3動力電池箱體外部殼體機構設計,使得當螺栓固定到車輛框架,增加該車輛的機構剛度。

            動力電池
                   現在,寶馬有意向在海外新能源汽車也搭載寧德時代的電池,這是它們在國內合作的一種延續。
                   寧德時代德國新工廠將自2021年投產,2022年達產后將形成14GWh的產能。這也意味著,寧德時代的電池將出現在寶馬第5代產品中??紤]到寶馬第5代產品的模塊化設計,對電池尺寸、體積能量密度和輕量化有著高度要求,寧德時代在合作過程中將在模塊化、集成化電池研發、生產方面獲得更為豐富的經驗。

                   而且動力電池,尤其是單體電芯的規格尺寸不統一,為主機廠和電池廠都帶來極大的壓力。目前德國設定的VDA標準已在大眾、寶馬等主流車企中得到廣泛的應用,因此電池企業普遍自發地偏向于該標準。
                   寧德時代與寶馬在海外的合作將加強它對VDA標準的適應,規格尺寸更為標準化,也利于它吸引到更多的客戶和訂單,打開更為寬闊的市場。

            標簽:寶馬 輕量化 我要反饋 
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