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【路线图】汽车制造技术现状与趋势分析

汽车工艺师2020-06-30 15:43:34



汽车制造现状


“中国制造2025”明确了节能与新能源汽车等10大领域以及23个重点发展方向,力争到2025年达到国际领先地位或国际先进水平。到2020年自主新能源汽车年销量突破100万辆;至2025年,形成自主可控完整的产业链,与国际先进水平同步的新能源汽车年销300万辆;产品技术水平与国际同步,拥有两家在全球销量进入前十的一流整车企业,海外销售占总销量的10%。在国家碳排放总量目标和一次能源替代目录需求下,2030年新能源汽车年销量占比将继续大幅提高,规模超过千万辆。


发展节能与新能源汽车是减少空气污染、保障国家能源安全、缓解石油进口压力、实现能源战略转型和汽车强国梦的需要。欧美、日韩等汽车工业发达国家(特别是日本、美国和德国)制定了较为严厉的汽车油耗指标。我国也于2012年发布了《2012-2020节能与新能源汽车发展规划》,提出2015年和2020年汽车企业平均新车的百公里油耗分别为6.9L和5.0L。国家进一步规划2025年和2030年百公里油耗分别达到4L和3.2L。从现阶段的技术发展分析,汽车轻量化与电动化是满足国家汽车油耗限值标准的必由之路。


1.汽车轻量化


汽车轻量化是实现低碳化的一个重要技术途径,是发展节能与新能源汽车关键技术课题。汽车轻量化包括结构轻量化、材料轻量化和工艺轻量化。



(1)超高强钢板。超高强钢板成形技术是材料和工艺轻量化技术的重要组成部分。冷成形超高强度钢板(屈服强度550MPa以上)包括双相钢(DP)、低合金相变诱导钢(TRIP)、马氏体钢(MS)、复相钢(CP)、TWIP钢和Q&P钢。第一代汽车用钢中超高强钢(以上钢种TWIP钢和Q&P钢除外)强度和塑性不能兼顾,品种繁多,使汽车制造工艺难度增大,成本增加。第二代钢(TWIP钢等)虽然强度与塑性都较大幅度提高,但成本高,汽车应用难度大。第三代钢(Q&P、Mn-TRIP等)强度、塑性处于一、二代之间,成本较第二代钢低,有利于汽车应用,目前还处于研发和试用阶段。热冲压超高强钢板成形及淬火后强度提高到2〜3倍,工艺简单,质量稳定,受到主机厂越来越多的青睐。


根据汽车制造技术发展趋势,零部件新型成形工艺的应用会越来越广泛。内高压成形是一种利用液体、气体、粘性物质或者固体作为成形介质,通过控制内压力和材料流动来达到成形中空零件目的的材料成形工艺。就特定的零件而言,是一种较好选择。国外内高压成形工艺稳定、成熟,并大批量应用,但我国只有部分零件实现批量生产,没有充分发挥出内高压成形零件的优势,因此国内内高压成形技术尚有较大的发展空间。


(2)轻质材料。轻量化材料的应用尤其是轻质材料的应用,可实现显著的减重效果。目前应用前景较大的轻质材料主要包括铝合金、镁合金、碳纤维复合材料等。


DuckerWorldwide对市场上各类型汽车的最新调查显示,汽车用铝量整车占比已升至12%;汽车的用铝量将在2020年提升到210kg/车左右,整车占比18%;到2025年,汽车的用铝量可达到260k g/车左右,整车占比22%;到2030年,汽车的用铝量将超过350kg/车,整车占比30%。国内乘用车铝合金平均用量120kg左右,占比8.8%左右;汽车的用铝量将在2020年提升到190kg/车左右,整车占比15%。现阶段,北美镁合金用量3.5kg/车;欧洲典型轿车(如PASSAT和AudiA4)镁合金用量已达到14kg/车;国产汽车每辆用量平均仅1.5kg。据中国镁协预测,到2020年,欧美日汽车用镁合金需求77万t,国内需求为5万~10万t。


碳纤维增强复合材料以其优异的性能和设计优势,逐步替代汽车零部件中的金属产品和其他传统材料,应用于汽车的功能件和大型承载结构零件,成为汽车轻量化的理想途径。美国福特公司采用碳纤维增强复合材料制造汽车传动轴、发动机罩、上下悬架臂等零部件;宝马I3采用“Life”和“Drive”两个独立的车身模块架构,Life模块采用碳纤维增强复合材料制造。国内部分整车企业开始尝试采用碳纤维复合材料制造轻量化零部件。


2.电动机制造


新能源汽车制造的产业链长,覆盖面广,尤其电池、电动机和电驱动系统是传统汽车所不涉猎的,且制造电动机和电驱动所必需材料和许多基础部件是我国的弱项甚至空白。节能与新能源汽车之电动机和电驱动系统相当于传统汽车的动力总成和传动总成之和,是汽车的“心脏”,关乎汽车的能耗指标和污染排放。作为战略新兴产业,我国要实现汽车电动化的自主制造并逐步提升产业的全球竞争力,规划电动机与电驱动系统制造技术路线图是当务之急。


在驱动电动机方面,我国经过多年的持续发展,自主开发的永磁同步电动机、交流异步电动机等已经实现了与整车产业化技术配套,系列化产品的功率范围覆盖了200kW以下新能源汽车用电动机动力需求。个别供应商实现了驱动电动机批量出口。在高性能新结构电动机的制造工艺上,例如矩形导体、分段导体、定子铁芯嵌入和定转子铁芯分段等技术,我国只有少数电动机供应商在进行样件开发探索,而国际上已经开始批量生产并进入市场;在冷却技术方面,例如绕组端部塑封和油冷技术,我国相关产品尚处于起步阶段;高端试验和关键生产设备、检验设备的水平相对落后,基本依赖进口;在大规模产业化过程中,自动化生产线短板明显,特别是电动机绕组的制造主要依赖半自动化辅助设备甚至手工;我国驱动电动机产业链还不够完善,部分关键材料和零部件(如耐油绝缘材料、耐电晕矩形电磁线、高速轴承等)研发投入不够,核心部件(铁芯和永磁体等)材料利用率相对偏低,驱动电动机技术和工艺水平仍需要进一步提升,国际市场竞争力有待加强。


在电动机控制器方面,我国电动汽车市场处于初步发展阶段,自主产品有了一定的市场规模,大部分自主品牌新能源汽车主要搭载国产控制器。与国际同行供应商相比,我国功率电子控制器的研发和产业化水平相对较低,产业链(例如,功率半导体元器件和模块、专有电路、芯片以及膜电容等)短板明显,基础核心竞争力急待增强。基于第三代宽禁带功率半导体(碳化硅、氮化镓等)控制器是全球下一代电动机控制器的发展方向,具备高频、低损耗、耐高温和体积小质量轻等优点。与国际上已装样车现状和2020年批量装车规划相比,我国宽禁带半导体从芯片(如碳化硅肖特基势垒二极管、碳化硅MOS场效应管等)到功率模块和控制器研发等均处于起步阶段。


3.减速器制造


在新能源汽车减/变速器方面,国内汽车乘用车减、变速器总成制造应用技术水平已经接近世界汽车产业水平,部分减速器产品已经搭载量产的自主品牌新能源汽车。但自主开发能力,尤其是自动变速器和机电耦合系统的开发能力薄弱。关键制造工艺距国际水平有差距,齿轮精密加工磨削机床、总成试验设备以及出厂试验台架等测试仪器目前仍然依赖进口。与高速电动机配套要求的精密低噪声齿轮(含高效行星轮系等)、离合器及其操作机构和总成控制器制造技术等方面与国际水平差距较大。


4.铸造、锻造和涂装


铸造、锻造、涂装是汽车制造过程中三大高能耗、高污染的专业领域,被列为本路线图绿色制造聚焦的研究范畴。铸造行业熔炼的能耗占70%左右,而冲天炉是金属熔炼的主要设备,是能源消耗的第一大户。我国目前使用的冲天炉70%小于5t/h,大于15t/h 的冲天炉比例≤1%。冲天炉的热能利用率普遍较低。中国每吨铸件的能耗比日本、德国、美国高出1倍,比英国也高出20%。铸造行业的废弃物主要有:废砂、废渣、粉尘及废气等。据统计,我国每生产1t合格铸件,大约要排放粉尘50k g,废气1 000~2 000m3,废砂1.0~1.3t, 废渣300kg。中国现行的铸造车间粉尘排放标准比德国低很多。我国锻压中频加热炉、热处理炉应用技术接近国际先进水平,但在能源利用效率、可靠性等方面还有差距。初步掌握锻压模具自动润滑和快速换模技术,但其实用性、稳定性、可靠性等需要实践验证。国内汽车涂装平均能耗是国际先进水平的2倍左右。能耗换算成CO2排出量基本在180~400kg·CO2/台。汽车涂装的VOC(可挥发性有机溶剂)排放水平也很不均衡,乘用车车身涂装的VOC排放量在10~60 g/m2。


从汽车产业总体上分析,我国已建立起具备大工业生产特征的较完整工业体系,骨干整车企业新建汽车厂制造技术应用水平接近汽车产业第一阵营水平,尤其是合资公司新建工厂纷纷成为合资外方母公司的新标杆。通过合资公司的带动与示范,自主品牌新建工厂制造技术应用水平快速提升,接近合资公司制造技术水平。但我国汽车制造技术水平发展不均衡:老工厂制造技术普遍落后于新工厂;自主品牌汽车制造技术平均水平低于合资品牌汽车。世界最先进的汽车制造厂与最落后的汽车制造厂同时存在于我国。我国汽车制造技术自主开发能力薄弱,基础工艺研究缺失,工艺技术创新体系不健全,关键制造工艺跟随仿照合资或国外。我国汽车制造装备自主开发制造的能力薄弱,关键制造装备仍然依赖合资或进口,先进汽车制造装备、生产线重复引进的现象严重。


汽车制造模式发展趋势分析


伴随信息技术、网络通信技术、数字化技术、人工智能技术的发展,通过相关技术的带动与支撑,世界制造业由手工操作模式逐步向机械化制造、自动化制造、智能化制造模式转变。世界制造模式发展进程如图1所示。汽车制造是制造业的重要组成部分,汽车制造技术紧跟世界制造业发展潮流而发展进步。伴随世界四次工业革命,世界汽车制造业由小批量手工作坊式生产逐步向大批量流水线生产、柔性化、自动化、数字化精益制造、智能化绿色制造模式转变。世界汽车制造发展的阶段如图2所示。中国汽车制造发展的阶段如图3所示。

中国汽车制造业与汽车工业发达国家相比,虽然起步较晚,但汽车制造技术紧跟世界汽车制造技术发展步伐,由起步阶段的单一品种小批量半机械化生产,逐步发展为大批量流水线生产、多品种柔性化自动化生产、信息化精益制造,在“中国制造2025”国家总体制造规划的指引下,汽车制造业正逐步向智能化大规模定制方向发展。通过人工智能等相关技术的发展,汽车制造单元实现可自由重构,汽车制造向生态制造、个性化定制方向发展。


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