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轻量化机械工程师手册

欧特克

产品性能

毫无疑问,无论设计或创建何种事物,减小质量均可带来诸多优势 - 如果您设计的是火箭,那么火箭的质量越小,可为客户提供的负载能力就越高。如果您创建的是飞机或汽车,那么减轻重量相当于提高燃料效率。如果您设计的是消费品,那么相较于重量较重的等效设备,轻量设备将对客户更具吸引力。即使您处理的是一件工业设备,减轻重量也可提高能效和运行速度。

轻量化面临的挑战在于,工程师所处的环境中存在诸多相互抵触的目标,而轻量化只是其中的一个目标。如何在更短的时间内完成设计调整,从而在降低产品重量的情况下仍能满足所有要求并达到成本目标?


很多人都可以设计一座桥梁并使其矗立不倒,但工程师设计出来的桥梁要保证刚好不会坍塌。

在进行深入探讨之前,我们先了解一下为何轻量化成为了许多开发工作中如此重要的标准。

如果某一事物需要主动或被动运动,则应对其进行轻量化。其中当然包括飞机、火车和汽车。但还可将此类事物扩展到工业机械的运动组件,亦或人们随身携带的消费品。运动需要能量。无论能量是由引擎、促动器提供还是人力提供,产生运动所需的工作量越少,产品的性能就越高。

空中客车公司研发的新型仿生隔离结构比当前设计轻 45%(30 千克)。据空中客车公司估计,采用这一新型设计方法,每个隔离结构每年可节省高达 3,180 磅燃料。图片来源:空中客车。

飞机材质每减轻 1 千克,每年便可节省 106 千克喷气燃料。对于汽车,重量降低 10% 可使燃料效率提高多达 3%。1此外,政府还颁布了一些法规来推动轻量化工作,如美国企业平均燃油经济性 (CAFE) 标准,该标准要求每年提高乘用车和轻型卡车的燃料效率。

当然这也会提高性能。重量越轻,由发动机和促动器所驱动的组件的运行速度越快,从而缩短运行周期或增加产能,对运营盈利能力产生直接影响。汽车重量越轻,越有助于提高速度和便于操控。增加里程并提高承载能力,同时还可减少磨损。目前,碳和玻璃纤维等材质正广泛应用于风力发电机设计,以增加叶片长度,同时适应更高的速度 - 重量减轻 20% 到 30%,发电能力可提高多达 3 倍。2

对于行李箱和电子设备等消费品,轻量化可使产品更加符合人体工程学并提高产品性能。将轻量化技术应用于运动器材时,使用者可以加快运动速度并享受到更多乐趣,例如自行车车架的重量越来越轻,且头盔和各种护具越来越轻便。

另一个值得一提的事项是,如果处理得当,将会消耗更少的材质,但这也有可能对降低成本产生不利影响。请注意,轻量化并非总是适用,尤其在使用更加新奇的材质替换较重的低成本材质时,或需要更加昂贵的制造技术时。

此外,轻量化工作还可降低运输成本,但必须意识到,如今此类成本不再仅仅依据重量进行计算。最近,许多大公司采用了更新的定价机制(如 UPS、FedEx 和 DHL 使用尺寸定价),此类机制还会考虑包装的体积。因此,除了轻量化之外,包装解决方案还必须考虑尽可能缩小包装体积以实现更高的成本效益。

总是要有所取舍。不可一味地减小质量而不考虑产品的所有其他性能标准。令人欣慰的是,许多产品对具有较高安全性要求的因素进行了过度设计,使得在适当位置减轻重量后仍可满足强度要求。但是,还应考虑其他不太明显的因素。

由于新安全措施的实施(如安全气囊和高强度材质的应用),1988 年到 2008 年期间,新汽车的重量持续增加。数据来源:EPA。

评估利弊时,安全性始终是一项极为重要的要求。在车辆中引入安全装置是导致重量增加的主要原因:与 20 年前相比,2008 年汽车的平均重量增加了 530 磅 (20%)。3这一趋势最终在最近几年有所停滞,但安全因素仍对轻量化的推进产生很大影响。

重量较轻的零件更易产生振动问题,因此必须对会造成共振的固有频率进行仔细评估,以确保不会在使用中出现灾难性故障。此外,可能还需要增强阻尼以抵消质量减小产生的影响。

更换材质时,您需要进行深入考虑的不仅仅是密度。温度、压力、耐化学性、电绝缘性及其他属性均需要适合产品的使用环境。

设计重量较轻的零件也会造成成本增加,尤其在替换为高级材质(如碳纤维和其他复合材质)的情况下。使用较新的材质进行设计时,通常需要经过一段时间的学习,如果配合更加复杂的几何设计,则开发周期将会更加漫长和复杂。即使是将较新的制造工艺引入旧产品,重新设计(并且有时需要整合)零件也需要花费大量时间。

使用专门设计的新工艺来生产重量较轻的材质和零件时,也会产生额外的成本。比较轻薄的零件需要通过额外的紧固件和黏合剂进行加固,这增加了复杂性且需要更多制造资源。

iPhone 5s 采用塑料外壳,而不是高端机型中常用的传统铝制外壳。

必须充分考虑用户体验和期望。根据具体情况,“重量更轻”有时意味着“更便宜”,尤其在将“坚固”的钢制零件替换为铝制零件或将金属零件替换为塑料零件的情况下。在任何设计决策中,必须考虑消费者是否接受这些镶嵌料(模拟自然材质生成塑料零件以使消费者更好地体会到某种真实感)。

此外,还必须考虑级联效应,在工程设计中减轻重量时会产生此效应。将重量较重的材质替换为重量较轻的材质(将某些汽车零件从纯钢结构更改为铝合金或纯铝结构)时,可能会产生新的问题。可能需要不同的涂装工艺(如使用碳纤维材质情况下的钣金)。不同于较为均匀的金属表面,碳纤维往往呈多孔结构,具有许多坑、洞和其他致使表面不均匀的缺陷。

下游制造影响的另一个示例是不同的焊接技术。对于将铝结构焊接到钢结构,甚至将铝结构焊接到铝结构,如 GM 公司的 Cadillac CT6 豪华轿车,尽管焊接比铆接速度快(且就重量而言,焊接本身也比铆钉轻),但焊接仍然处于实验阶段,它会消耗更多能量,且当前仅用于较小规模生产应用。4


尽管轻量化面临着众多挑战,但仍可采用多种不同的方法来成功减轻重量。这些方法都有各自的优点,并考虑了整个设计流程中的所有可能性,可最终获取极佳结果。

最先出现的方法是替换为密度较小的材质,此方法较为常用。在金属、聚合物和复合材质制造方面的最新发展趋势是寻求重量更轻、更耐用且成本更低(后者的进展相当缓慢)的材质。

虽然钢具有相对较高的强度重量比,从而使其仍在许多制造应用中占据主导地位,但一些新的合金和制造技术正在促使重量较轻的材质得到越来越广泛的应用。铝是地球上含量最丰富的金属,且其密度仅为钢的 ⅓。另一个应用呈上升趋势的轻量材质是镁,它是目前在结构应用中使用的最轻金属。除了相对较轻之外,镁还具有很好的强度和刚性,从而可维持结构完整性,而且具有抗冲击性、抗凹性、尺寸稳定且极为耐振。

在便携性要求较高的产品的设计中,镁材质的应用越来越普遍,如链锯、气动钉枪、行李箱、笔记本电脑和移动电话。此外,汽车应用中也引入了镁材质,此材质可用于引擎支架、变速箱、转向杆组件、踏板支架、仪表板支架和座椅。

碳纤维日益得到广泛应用,可使用它作为加固材质来替换传统固体金属组件。在许多应用中,重量可减轻 20% 到 40%。图片来源:Firefly Space Systems。

某些金属组件的替代品是塑料和复合材质(如玻璃纤维、碳纤维和克维拉纤维)。虽然这三种纤维具有相似的纤维强度,但碳纤维和克维拉纤维的强度重量比明显更高。除了上述广为人知的材质之外,还经常会引入一些更新的材质,且其耐热性和耐化学性可与金属相媲美。

无论何种金属,组件轻量化均受限于传统减材制造工艺的约束。利用金属制造的任何事物必须相对牢固,因此减小质量的唯一途径是缩小毛坯尺寸。随着 3D 打印和其他增材制造工艺得到越来越广泛的应用,现在可通过多种新途径来减小质量。

通过 3D 打印来创建内部蜂巢结构,以减轻单个零件的重量,同时维持必要的刚度和强度。

此类新途径中最先出现的是空心化:3D 打印工艺可在打印零件时采用空心的蜂巢结构,从而在使用的材质少于铸造或加工的情况下,仍能维持较高的刚性。更为重要的是,工程师首次提高了对产品内部结构的控制能力。

另一种种途径是微孔发泡注射成型,它与使用较为传统制造方法的空心化技术效果相似;在注射塑料之前将气体注入熔化的塑料中,进入模具后立即释放压力,此时塑料会展开(整个过程类似于打开一罐汽水时生成气泡),从而使重量减轻 20% 到 40%。

此外,通过减少子部件内的零件数也可实现质量减小。其中一种较为普遍的方法是尽可能使用塑料来替代金属,因为通过成型或 3D 打印可更加轻松地连接多个零件。对于金属(尤其是镁),可采用薄壁铸造工艺,此工艺可取代加工或冲压,并且可使零件重量减轻,同时保持结构完整性。

在任何设计中使用螺栓、螺母和铆钉作为紧固件均意味着重量增加。为了尽可能降低这些紧固件的使用量,人们开发出新的焊接技术来连接曾经被认为“不可焊接”的材质,如 GM 公司和 Tesla 公司开发出新的先进技术,可将铝与钢或铝与铝相连接。甚至诸多新的黏合技术也可促使更多材质紧固在一起,且不受重量、差异性、振动和高温条件的影响。

将拓扑优化应用于支架,可识别零件的哪些区域不会影响强度和刚度,从而确保可以将这些区域从设计中删除而不影响性能。

最后,还有一些新型技术有助于在设计流程中预先识别潜在的重量减轻机会。可在开发流程早期使用传统仿真工具来评估压力和安全因素,一旦确切了解其性能便可对模型进行迭代。并且可将拓扑优化集成到设计软件中,从而识别并删除零件中对设计强度没有什么影响的区域。

随着新的高级材质和技术(如碳纳米粒子、多维材质增材制造和衍生式设计)的涌现,轻量化前景变得更加光明。碳纳米粒子(或“碳纳米管”,简称 CNT)仍处于研发阶段,其拉伸强度是克维拉纤维的 33 倍之高。多维材质增材制造是新一代 3D 打印技术,借助此技术,工程师和材质科学家能够在制造真实零件本身之前制造出要打印的材质组件的属性。最后,衍生式设计将推动整个迭代设计流程,可将 CAD、CAE 和 CAM 合并到一个紧密结合的软件包中。设计师将输入所有参数和约束,然后便可生成具有理想优化效果且尺寸合适的零件。

这些先进工艺使即将到来的“智造•未来” 前景极具吸引力,而且实际上工程师和设计师可通过无数种途径和切实可行的方法来立即进行轻量化。除了材质选择之外,制造流程还为我们提供了诸多新方法来探索设计的几何图形,这曾被认为是天方夜谭。借助创新的紧固和组件减少方法,可由内而外设计零件。借助先进的 CAD、CAE 和 CAM 技术,可制造性能更佳、成本更低、强度更高且重量更轻的产品。


来源:

  1. Forbes,“How to Build a Car that Gets 54.5 MPG”(如何打造可实现 54.5 MPG 的汽车),https://www.forbes.com/pictures/ehmk45lii/weight-reduction/
  2. Composites World,“Wind turbine blades: Glass vs. carbon fiber”(风力发电机叶片:玻璃纤维与碳纤维对比),https://www.compositesworld.com/articles/wind-turbine-blades-glass-vs-carbon-fiber,2012 年 5 月 31 日
  3. EPA 报告,轻型汽车技术、二氧化碳排放及燃油经济性趋势:1975 年到 2015 年
  4. Automotive News,“GM’s learning curve on lightweighting”(GM 公司在轻量化方面的心路历程),https://www.autonews.com/article/20151110/BLOG06/311119999/gms-learning-curve-on-lightweighting,2015 年 11 月 10 日
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