作為世界汽車工業研發領域的前沿科技,仿生學的研究方法和概念正在寶馬汽車公司的汽車設計和材料選擇中得以應用。寶馬汽車公司的專家們相信,仿生學將對汽車產品的提昇和發展具有巨大推動作用。
仿生學是研究生物系統的結構和性質,為工程技術提供新的設計思想及工作原理的科學。仿生技術通過對各種生物系統所具有的功能原理和作用機理作為生物模型進行研究,最後實現新的技術設計並制造出更好的新型儀器、機械等。
多年來,寶馬一直在車身設計領域應用仿生學概念和原理,保證精巧的設計工藝技術和正確的選材。『因為沒有一種材料或一種組織結構是完美的,可以適用任何車型,所以我們的工作就是要找到最適合這款車的材料和設計。』寶馬汽車公司從事仿生學研究的專家表示,只有量體裁衣的解決方案加上可靠的工藝科技纔能打造出一個高精度的車身,重量輕但結構堅固。因此,涉及組織結構及原材料的智能輕質工藝,就成為生產安全舒適、動力強勁且燃油經濟汽車的關鍵。
寶馬集團董事Burkhard Goschel博士指出:『仿生學概念是對傳統生產方式的豐富和補充。原材料和零部件可以通過與生物進化類似的原理得到改進提高。在我們身邊有太多這樣的例子:在追求輕量構架的過程中,我們發現重量輕也就意味著充沛的動力和更經濟的油耗。於是,當代寶馬5系和新3系在提高舒適性和安全性的基礎上,車身重量較前一代卻沒有增長。實際上,當代寶馬5系的車重反而減少了40多公斤。』
然而,仿生學不是簡單地直接復制自然界,而是要學習自然界,從中得出自己的結論。於是,工程師與生物學家之間跨領域的對話就成為成功並有效應用仿生學的關鍵因素。
下面介紹的就是寶馬汽車公司在汽車研發領域對仿生學的應用實例:
羽毛、蟹殼——內部高壓造型技術
從汽車誕生之日起,鋼因為處理工序簡單和在重復利用過程中幾乎無質量損失的優點成為首選金屬。特殊鋼合金可以提供前所未有的強度和硬度,還具有卓越的抗老化性。但是,許多情況下,高密度的鋼也就意味著相對高的重量。
然而自然界中卻有很多高度復雜的中空結構,它們既能使重量保持最輕,又具有出色的韌性和強度,這些正是汽車生產需要的特性。於是,鳥類的羽毛骨質,螃蟹、蜘蛛等的殼就成為汽車專家研究自然界的原型。
內部高壓造型技術由此誕生,這項技術主要應用在汽車底盤和懸掛的設計中,比如後軸。將金屬管置於模具中,高壓狀態下將液壓液體或氣體注入金屬管兩端,使金屬在2400P的高壓下形成模具的形狀。此技術保證了零件精准的尺寸和形狀,在充分利用空間、贏得更多軸力度和硬度的同時,減輕了重量。截至目前,寶馬是唯一一個可以生產結構如此復雜且內部成型零件的汽車生產商。
貓頭鷹——發泡金屬
鋁是進一步減輕汽車重量的最佳候選。它密度小,所以相對輕,易塑型、成型,抗腐蝕,並且導熱系數高。因此,鋁可以應用在許多底盤部件、車身還有動力傳動系統的生產上。但之所以沒能在全球推廣應用,是因為鋁材提煉耗能大,並且處理工藝精細、昂貴。
寶馬汽車公司研發與創新中心內的工程師們正在進一步研究和開發鋁的應用。泡孔組織結構的零部件,其強度密度比極佳。向鋁模具內充氣或把將要發生化學反應的小顆粒注入鋁模具,形成發泡鋁的多孔組織。因為在吸收能量、緩衝震動和噪音方面的品質,發泡金屬在汽車生產中有積極的前景。為此,寶馬輕質技術專家開始關注哺乳動物和鳥類的骨骼結構。發泡材料出色的能量吸收性能在自然中發揮最突出的例子是貓頭鷹,另一個就是大象的頭部。雖然象頭只有幾公斤,卻能輕松移動幾百公斤的重量。
海葵、水母——鎂鋁組合模式
鎂是又一種非常有發展前景的輕質材料。原則上講,鎂比鋁輕33%,比鋼輕77%。寶馬已經開始鎂的研究和開發,並重新定義其在汽車生產中的位置。寶馬汽車公司的專家最近正在應用一種特殊合金和先進的工藝技術為公司一款6缸車型生產鎂/鋁曲軸箱。僅這一材料組合,就節省約10公斤重量。而鎂鋁組合模式的原理正是來源於海葵和水母。
馬——高負重組織結構
目前,寶馬集團的金屬專家們正在研究動物世界中經過數億年繁衍優化形成的自然輕質組織。車身結構,就象哺乳動物的骨骼,支橕著體內的其他部分。對於寶馬3系,車身重量約佔整車的20%,而人的骨骼佔人體重的18%。再以馬為例,馬的骨骼與其總體重之比達到了完美的7%-10%,平衡的秘密就在於馬骨骼的結構和密度。
動物骨骼的內部組織——整體注塑發泡
轉到塑料領域,同樣可以發現自然科學在處理工藝中的運用。以當代寶馬3系為例,其儀表板選材的標准就是要找到這樣一種材料,它要能夠吸收能量,符合人體工程學要求,同時造價經濟。
於是,寶馬汽車公司研發與創新中心的工程師們從自然界中受到啟發,開發了一種嶄新的工藝技術——整體注塑發泡。
將催化劑加入熔化的塑料裡,在高溫環境某一設定的程序下釋放出氣體,就好象酵母在制作蛋糕中的催化作用。一旦模具充滿,零件的表面凝固變硬,模具就在設定的程序下打開。這樣可以降低零件內部仍是流體狀態的壓力,使氣體在熔化的塑料裡形成泡孔。經過此工序,零件的重量減少近20%,多孔的組織結構就象動物骨骼泡沫似的內部組織。這種材料重量輕,負重大,感覺又很舒適自然。
魚、海豚、企鵝——流線品質的最佳化
寶馬的H2R氫燃料汽車成為汽車發展史的一座裡程碑。12缸發動機釋放出210千瓦的能量,零到100公裡/小時加速不到6秒,最高時速達300.175公裡。無庸置疑,發揮到極至的空氣動力學是實現這一高速的關鍵因素。寶馬H2R外型和設計的靈感來自海豚和企鵝的低阻身材。圓鼓的前臉、收起的尾部,極小的正鋒面,成就了其0.21的阻力系數。同樣,尺寸龐大的寶馬7系得益於其流線造型,阻力系數也僅為0.29。而球的阻力系數則是0.50。
寶馬的專家很高興可以循著大自然激發的靈感,通過應用仿生學,擴展並推動汽車產品、工藝的傳統設計理念,使寶馬汽車更輕、更安全、更省油,同時更舒適、動感,繼續寶馬的純粹駕駛樂趣。
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