如何采用传统材料，制造一种安全、低成本且可量产的高能效汽车，每加满一箱油或者每充一次电可运行322km，且每消耗1?L燃料能运行42.5km？X大奖赛获胜技术的解决方案是改变汽车结构。
5年前，当Edison2公司（美国弗吉尼亚州Lynchburg市）决定参加Progressive Insurance Automotive的X大奖赛时，该公司与42家参赛公司面临着一个极具挑战性的任务：设计并制造一种可量产且经济上可承受的安全乘用车，每加满一箱油或者每充一次电，可运行322km，且至少要达到每消耗1L燃料要运行42.5km的能效或者是相当的能效。
抱着志在必得的信心，Edison2公司推出了4款参赛汽车，包括参与“主流4座乘用车”类别竞赛的两款车，以及分别参与“非传统”类别竞赛的两款车。值得一提的是，这4款车中的每一辆都不只拥有一个电动驱动装置，而且拥有一个排放气体可循环再利用（简称“EGR”）的涡轮增压内燃机来驱动，该内燃机燃烧的是E85乙醇燃料。虽然参与“非传统”类别竞赛的两款汽车最终退出了比赛（其中一款是由于机械问题），但另外的两款车却是500万美元奖金的获得者以及主流汽车类别竞赛中的亚军。虽然为满足竞赛苛刻的排放标准要求而使其发动机受到限制，但获胜汽车仍然实现了每消耗1L燃料运行46.8km的能效。在此后的3年里，该公司重新优化设计了其超轻汽车，并打赌说，该乘用车所表现出的独特性能为汽车技术的发展指明了方向。
图1 Edison2公司的超轻汽车（VLC）Gen 4的图解
最大程度地减轻重量
“我们千方百计地去尝试在使这些汽车尽可能轻的同时，又能够制造出最好的车，以使我们的设计能够满足相关的安全标准要求以保护乘员。” Edison2公司工程及运行部门副总经理Brad Jaeger介绍说。为满足X大奖赛提出的能效和排放标准要求，该开发团队明白，他们需要设计一种全新的汽车结构，这是目前道路上行驶的汽车技术所不能及的。但是，为了确保这项作品能够超越竞赛目标，该团队认为有必要依靠传统材料、利用现有的制造技术来实现这一设计理念，从而确保这种采用全新设计结构的量产车能够以较低的成本被制造出来。“每个人都认为这些事情是异乎寻常且不可思议的，但我们觉得，如果不能够以低成本制造这些汽车，那么所有的努力都毫无意义。” Edison2公司的合伙创建人兼CEO Oliver Kuttner指出。
这种超轻汽车首先引起人们注意的是其低而宽的外形，它们的轮子从车身下拉出，就像一级方程式赛车一样。这样的外形是合理的，这是由于专利的悬架系统——包括弹簧、减振器和通用接头等，实际上都被置于轮毂内，每个轮子则被安装在轮毂上而不是像传统汽车那样被安装在轴上。不同于典型的MacPherson支杆的3点连接，该车轮的垂直运动/旋转和制动都是通过每个车轮上非常牢靠的单一固定连接点来传递的。这一创新允许对整个汽车结构进行简化，同时，归功于质量分解效应，还显著降低了汽车净重。每个车轮内的悬架装置都由铝加工而成（唯独盘式制动器由钢制成），仅重5.5kg。据Jaeger介绍，这种专利的悬架系统极大地简化了汽车结构，进而赋予了汽车设计师无比的自由想象空间，以采用完全不同的方式来设计汽车的其余部分。
图2 以3年前为其赢得Progressive Insurance Automotive的X大奖赛的成功设计为基础，Edison2公司正在开发第四代原型超轻汽车（图片来自Edison2公司）
Kuttner解释说：“由于取消了减振器支撑塔，因而制造平的底板便成为可能，它开发出了汽车的中央面积，创造了吸能空间，从而改善了安全性并能够很好地适应复合材料，同时还提供了空气动力学优势。”但他同时也指出，每一个创新都带来了新的挑战。“你无法将一个标准座椅放到汽车中，因为轨道采取了不正常的放置方式。但你有机会去创造一种不同类别的座椅，它能够在发生撞击时有非同寻常的表现。”该汽车制造商及其供应链成员公司充分利用了这样的机遇。Kuttner坚持认为，当“超轻汽车”成为一种公认而切实可行的交通工具时，它最终就会流行起来。
随着研究的向前推进，两辆获得了X大奖的汽车采取了简约化的结构设计，按照Kuttner的描述，这些具有摩托车一般复杂的汽车可能比历史上的传统汽车使用了更少的部件，因而只需花费较低的成本去制造。为了确保制造出尽可能轻的汽车，该开发团队将车身外蒙皮从主结构上剥掉，这就意味着在汽车发生碰撞时，不能指望车身板为能源管理作出重大贡献。但是，这拓宽了该开发团队使用轻型材料的潜在范围，特别是塑料和复合材料。“我们喜欢塑料是因为它能够帮助我们减少部件数量，我们可以采用组件集成的方式来成型塑料部件。” Kuttner指出，“而且部件数量的减少将减弱汽车制造的复杂性，为降低成本创造机遇。”由于团队的大多数成员都有开发赛车的背景，因而他们通常对复合材料，尤其是碳纤维增强塑料（简称“CFRP”）比较熟悉。虽然一辆早期的超轻汽车是采用玻璃纤维增强不饱和聚酯材料由手工制作而成，但CFRP在X大奖汽车上的应用，则使它们尽可能得更轻更安全。
图3 Edison2公司的X大奖获奖车的特点是，在26kg的铬钼合金管形框架上，覆盖了一个17kg的环氧碳纤复合材料车身外壳。而空气动力学扰流翼板也采用了碳纤维复合材料，每个重2.7kg，覆盖住车轮（图片来自Edison2公司）
获得X大奖的汽车，其主结构是一种铬钼合金的管形结构（一种同时含有铬和钼的钢合金），重量仅26kg。与传统的钢相比，这种铬钼合金提供了更好的强度-重量比，从而使Edison2公司能够成型出强度足够高的管形结构，同时又拥有较薄的壁厚和较小的直径以尽可能地减轻框架重量。基于竞赛紧张的时间期限，Edison2公司将外购模具及车身板的生产交给一家信任的供应商Wolfden Products公司（美国俄亥俄州哥伦布）去完成。Wolfden Products公司为车顶、引擎罩和门板等车身表面设计了腰线，并手工铺放复合材料，这足以满足小量生产需求。最终的车身外壳重约17kg，而车轮周围的空气动力学扰流翼板，每个重2.7kg。这些部件是真空袋压的由热压罐固化成型的环氧碳纤维部件，所使用的典型层压材料为BGF工业公司（美国北卡罗莱纳州格林斯博罗）提供的两层3K丝束的2x2斜纹碳纤维织物，它被用作部件的表层材料，背面材料则是Plascore公司（美国密歇根州Zeeland）提供的Nomex蜂窝芯材。
来自APCM公司（美国康涅狄格州Plainfield）的单向碳纤维预浸料和编织的Kevlar预浸料被选择性地用于增强强度。
在Edison2公司获得X大奖的汽车中，最轻一辆的净重只有322kg，而最重一辆的净重也只是347kg，而且两辆车都足够宽大，可以乘坐像Kuttner一样高1.93m的人。“还没有人制造过重量只有750Lb（340.2kg）的汽车，而且允许乘坐4个像我一样高大的人，我能够坐在后排座位上。”Kuttner说。一家位于美国弗吉尼亚州的房地产开发商和长期的参与者团队设计并制造了双人座的跑车和跑车原型。Kuttner表示，该团队过去对跑车的研究令其得到了回报，他说：“好的赛车是要有效率，那就是你如何能赢得比赛。你必须构建每一件事，以在给定的尺寸和动力之间达到平衡。X大奖赛只是设立了不同的参数而已。”
图4 Edison2公司专利的悬架系统的特点是，采用了弹簧、减振器和通用接头置于轮毂中的设计模式，所有车轮运动是通过一个单一而牢靠的连接点来传递的，这一轻型而紧凑的组合驱动实现了汽车结构的简化和质量分解效果，从而从根本上减轻了汽车重量（图片来自Edison2公司）
改善空气动力学的复合材料
与降低重量同样重要的是减少阻力，对此作出突出贡献的是Barnaby Wainfan，他是Northrop Grumman公司（美国弗吉尼亚州Falls Church）的空气动力学专家，同时是美国密歇根大学的航空工程学助理教授。Wainfan与Edison2公司的首席设计师Ron Mathis在汽车赛车项目上有过合作，因此当设计X大奖车的外表面时，Mathis邀请Wainfan参与进来。虽然该团队已作了一些改进，但Wainfan开发的表面却为X大奖车带来了根本性的改变，而且该团队相信，这为他们的超轻车实现燃油效率的突破作出了巨大贡献。
值得一提的是，该开发团队在汽车初期设计阶段没有做“计算流体动力学”的分析或风洞试验，但在设计之后却受到X大奖评判标准的约束。该开发团队被邀请到通用汽车公司位于美国密歇根州Warren的风洞试验场对其汽车做测试。通用汽车公司的技术人员指出，在他们测试过的多座位乘用车中，该款车展示出了最低的阻力：1.706m2的前端风阻系数只有0.160。“显然，我们的风阻系数等级是实现X大奖‘100mpge’目标的关键。”Jaeger说。
图5 这一运行在美国弗吉尼亚州Lynchburg市区的超轻汽车是Edison2公司早期的一辆电池电动车（图片来自Edison2公司）
虽然该开发团队充分利用CAD软件设计了大多数的部件，但设计X大奖车却采纳了几位思想活跃的工程师积累的许多实际经验，他们一生都在学习并致力于将所学知识用于实现最好的移动效果。Jaeger解释说：“因为我们没有尝试去设计一个可持续10万英里的车，因此大多数的工程开发都是基于简单的计算和经验。”在开发“gen-4”超轻车时（获得X大奖的汽车是gen-3），该开发团队与Altair工程公司（美国密歇根州Troy）一起，改进了其设计，确保了开发的下一代原型车尽可能地满足美国乘用安全法规要求。
一大关键设计挑战是乘客的进、出问题。传统的车门是直接打开并会碰撞轮罩，而“鸥翼”门则面临着来自设计和使用前景两方面的挑战。此外，这些车拥有很高的门槛以确保乘员室在发生碰撞后能保持完整。Edison2公司折中采用了一种混合式的“蝴蝶”门，它首先向前转动以露出轮罩，然后向车顶方向上移。这为设计师提供了他们所需要的关闭面/密封表面，并能够在汽车宽度方向上分布载荷，因而无需一个过大而重的U型连接即可打开车门。虽然它在竞赛中表现良好，但对此投赞成票的赛车手Jaeger（他是驾驶Edison2公司的X大奖车参与比赛的驾驶员）则说，他们将在gen-4车门的设计上采取不同的思路。
基于相当轻的主结构和车身板，使得Edison2公司能够采用经过大量改进的WR-250发动机。该发动机被日本雅马哈摩托车公司用在其摩托车上，它为雅马哈摩托车提供了29马力的动力。但在匹配了BorgWarner 公司（美国密歇根州Auburn Hills ）的可变配气相位涡轮增压器和Edison2公司设计的extensive EGR系统后，它实现了40马力的突破，足以满足X大奖车的动力需求。
虽然力求简约，但Edison2公司却并没有以牺牲驾驶性能为代价。事实上，良好的操作性是该团队的秘密武器，因为他们知道，X大奖赛的最后一轮比赛较量的是速度，而转弯能力可能意味着获胜与失败之间的差距。“由于具有如此低的重量，因而其驾驶性能超乎寻常。这款车脱俗的操作性正是你可能购买的原因。我想，一旦你习惯了它，你就不再愿意重新驾驶一辆重的汽车。”Kuttner说。
独特的悬架系统带来的另一优势是，在发生交通事故的过程中，在每个车轮与车身之间会出现大的破碎区域，以吸收撞击能量，这对于如此轻的汽车能够确保乘员安全是至关重要的特性。Kuttner解释说：“最大的技术挑战是如何确保这款重量如此轻的汽车是安全的。车轮伸出来的主要原因是因为它们变成破碎区。当你制造一辆像这款车一样的低重量汽车时，你必须要构建更多的空间用以吸收一次碰撞中的冲击力。”的确，不仅这款超轻车的底盘设计能够实现良好的力管理能力以改善安全性以及更有效地利用空间，而且悬架系统的设计还降低了轮胎上的转动阻力，从而使汽车更易于驾驶并改善了驾乘性。在挑战美国高速公路安全保险协会的“40%偏置障壁碰撞试验”方面，该超轻车的确表现出色。
回到未来
自摘得X大奖以来，Edison2的开发团队一直在努力证明其取胜并非是偶然，其早期的玻璃纤维复合材料车身的汽车已两次被用于这一目的，一次是作为一款电池电动汽车（简称“BEV”）。当Kuttner于2012年10月驾驶这款BEV穿越美国时，它实现了每充电一次可运行149km的能效，其能源效率是Edison2公司参与X大奖赛的电动车的两倍，远优于目前公路上行驶的任何BEV。“当我们起程时，我真的不喜欢电动车，但我驾驶它运行100英里却只花了1.12美元，这的确是一个令人震惊的数字。”
该研发团队正在寻找一家有兴趣对这项专知许可的主流汽车制造商，但也正忙于将其BEV转变成可运行更远的混合电动车，且距离生产原型车大约有一年的时间。该公司还将一辆smart轿车的动力传动系统与其独特的车身结构相组合，并实现了每充电一次运行38km的能效，这是戴姆勒公司在smart轿车上实现能效的两倍多。但是，Kuttner争辩说：“最终结果与汽车使用什么样的发动机相关性不大，因为是汽车结构使实际结果发生了变化。我们的原则是，所有与开发汽车有关的举措都必须要确保廉价制造和廉价销售，因为一个没有利润可言的行业就意味着死亡。”Kuttner事前已获得了几款车的经销权，他承诺，其超轻车的几个品种将于2016年上市。(end)
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