新能源汽車輕量化途徑及其評(píng)價(jià)

宮永玉，王曌，張志鵬

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

新能源汽車輕量化途徑及其評(píng)價(jià)

宮永玉，王曌，張志鵬

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

建立資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的一項(xiàng)長(zhǎng)期戰(zhàn)略任務(wù)。發(fā)展以電動(dòng)汽車為主的新能源汽車是汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和技術(shù)跨越的最佳技術(shù)路線之一。文章重點(diǎn)闡述了電動(dòng)汽車的整車輕量化研究方法及方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

新能源汽車；整車輕量化；研究方法；方法的優(yōu)缺點(diǎn)

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-05-02

引言

在能源緊缺，環(huán)境污染越來越嚴(yán)重的今天,新能源汽車已成為汽車產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的趨勢(shì)。我國(guó)發(fā)展新能源汽車對(duì)整個(gè)汽車行業(yè)，乃至對(duì)于堅(jiān)持走新型工業(yè)化道路，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的社會(huì)意義重大。在所有新能源汽車中，采用純凈能源驅(qū)動(dòng)的，純電動(dòng)汽車是現(xiàn)在最有可能大規(guī)模推廣應(yīng)用的[1]。

1、新能源汽車輕量化的必要性

在能源緊缺的當(dāng)代，新能源汽車的輕量化顯得尤為得重要。對(duì)新能源汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)制造，可以減少能源的浪費(fèi)，提高能源利用率。目前國(guó)內(nèi)外汽車輕量化的研究方法有3個(gè)：一是對(duì)新能源汽車進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì)和分析，二是通過材料替代或者采用新材料來使新能源汽車輕量化，三是采用先進(jìn)的制造工藝，使用新材料加工而成的輕量化結(jié)構(gòu)用材[2]。

2、新能源汽車輕量化途徑總論

新能源汽車輕量化的方法很多，總結(jié)起來大致可以分為以上引言所述三個(gè)方法途徑。

2.1 輕量化的設(shè)計(jì)和分析

在汽車設(shè)計(jì)初期，本著輕量化的原則，對(duì)汽車進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。利用CAD/CAE等計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)新能源汽車的結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行優(yōu)化分析，對(duì)重要的關(guān)鍵的零部件的厚度進(jìn)行靈活的分析和修改。設(shè)計(jì)初期對(duì)零部件的剛強(qiáng)度進(jìn)行CAE分析，也可以從原來的數(shù)據(jù)庫(kù)里面直接提取零部件的剛強(qiáng)度[3]，精簡(jiǎn)工作，達(dá)到效率較高的目的。通過結(jié)合參數(shù)反演技術(shù)、多目標(biāo)全局優(yōu)化等現(xiàn)代車身設(shè)計(jì)方法，研究汽車輕量化結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，包括多種輕量化材料的匹配、零部件的優(yōu)化分塊等。從結(jié)構(gòu)上減少零部件數(shù)量，確保在汽車整車性能不變的前提下達(dá)到減輕自重的目的。

用這種途徑進(jìn)行輕量化，能夠在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行輕量化，減少后期工作的修改工作，減少工作量。其缺點(diǎn)是需要長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)及最新的數(shù)據(jù)庫(kù)，不能有效的進(jìn)行真實(shí)的驗(yàn)證或者驗(yàn)證較復(fù)雜。

圖1 新能源汽車輕量化途徑

2.2 采用材料替代或采用新材料

在新能源汽車輕量化的過程中，新型材料扮演越來越重要的角色。就目前來看，可以用來減輕新能源汽車重量的新型材料大致可以分為兩類：一種是高強(qiáng)度材料，例如高強(qiáng)度鋼，高強(qiáng)度不銹鋼等；另外一種是輕質(zhì)材料，比如鋁合金，鎂合金，鈦合金，塑料和復(fù)合材料，陶瓷等[4]。

就目前的新能源汽車車身來講，新型材料的應(yīng)用極為廣泛。圖2是新型材料碳纖維在車身上的應(yīng)用，碳纖維單體殼車身技術(shù)擁有輕量化、高扭轉(zhuǎn)剛度、高整合度以及高安全性等優(yōu)勢(shì)。

圖2 碳纖維材料在新能源車身上的應(yīng)用

采用新材料替代傳統(tǒng)的材料能夠更好的進(jìn)行新能源汽車輕量化。新型材料具有輕質(zhì)量，高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，滿足新能源汽車各性能的要求。不過，用這種途徑實(shí)現(xiàn)輕量化有其弊端，主要有：新型材料成本高，新型材料的制造成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)材料的制造成本；新型材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，就碳纖維而言，單體殼車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜等[5]。

2.3 采用先進(jìn)的制造工藝

輕量化工藝制造技術(shù)主要分為熱成形技術(shù)與激光拼焊技術(shù)。熱成形技術(shù)是利用熱沖壓高強(qiáng)鋼板材加熱于奧氏體在接近溫度上，然后進(jìn)行一段時(shí)間的保溫工作，使其均勻奧氏體化，再將其快速轉(zhuǎn)移至具備冷卻系統(tǒng)的模具當(dāng)中進(jìn)行沖壓，再對(duì)其開展保壓與冷卻工作，使該奧氏體能夠轉(zhuǎn)化為板條狀馬氏體，提高該材料的整體強(qiáng)熱成形。該技術(shù)能夠使高強(qiáng)度鋼經(jīng)過產(chǎn)熱沖壓后，將其材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度提升至1700MPa以上，使新能源汽車車身整體重量得到減輕的同時(shí)，提高了車身的強(qiáng)度與鋼度，使車身整體更耐撞擊，也具備更高的安全性。激光拼焊工藝制造技術(shù)，該技術(shù)工藝是在20世紀(jì)時(shí)期起步，在當(dāng)時(shí)，該技術(shù)的應(yīng)用主要是為了完善鋼板寬度小足問題，在伴隨我國(guó)汽車生產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了高速發(fā)展后，激光拼焊制工藝制造技術(shù)在越來越多的國(guó)家得到了廣泛的推崇與應(yīng)用，并成為了目前世界上應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)制造技術(shù)，該技術(shù)能夠有效滿足當(dāng)前汽車零件的設(shè)計(jì)要求，并根據(jù)不同材質(zhì)及厚度的零件來將其通過焊接方式組成一個(gè)完整零件，再將其沖壓成所需零件形狀，減少資源耗能。與傳統(tǒng)技術(shù)工藝相比，該技術(shù)能夠有效發(fā)揮不同板材的優(yōu)勢(shì)，提高車身整體材質(zhì)的強(qiáng)度，并通過減少零件數(shù)量，來達(dá)到降低成本的目的。另外，激光焊接通過對(duì)接工藝，能夠消除搭接縫，使汽車車身能夠有效提高抗腐蝕系數(shù)。雖然該技術(shù)工藝目前在我國(guó)汽車生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，但由于成型技術(shù)還尚未成熟，還難以找到適用于激光拼焊板材質(zhì)，因此，激光拼焊板當(dāng)前還只僅限于用于不同鋼板與鋁板的焊接，而在其它材料上的用途十分稀少[6]。

通過粘接、鉚接、翻邊搭接、釬焊、螺紋連接等多種連接技術(shù)，巧妙地將多種減輕車體質(zhì)量的材料結(jié)合在一起，能夠克服安全性差、質(zhì)量難以減輕和加工成本高等難題，從而為新能源汽車提供一種多材料優(yōu)化組合的輕量化車身結(jié)構(gòu)，如表3所示[7]。

表3 制造工藝中連接工藝的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)比

3、結(jié)束語(yǔ)

建立資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的一項(xiàng)長(zhǎng)期戰(zhàn)略任務(wù)。發(fā)展新能源汽車是汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和技術(shù)跨越的最佳技術(shù)路線之一。實(shí)現(xiàn)新能源汽車的輕量化是一個(gè)系統(tǒng)的工程，要全面考慮材料、設(shè)計(jì)及制造技術(shù)各個(gè)方面的要求--即統(tǒng)籌兼顧輕量化的三個(gè)途徑，設(shè)計(jì)初期在設(shè)計(jì)上利用CAD/CAE技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)輕量化，應(yīng)用新型材料替代傳統(tǒng)的材料，新材料的應(yīng)用離不開新加工制造成形技術(shù)的發(fā)展，輕量化材料的廣泛應(yīng)用必定促進(jìn)新技術(shù)、新工藝及新設(shè)計(jì)思路的誕生；新的加工制造技術(shù)—激光拼焊技術(shù)、熱沖壓成形技術(shù)的發(fā)展又會(huì)促進(jìn)輕量化材料的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)更高層次的新能源汽車的輕量化。

[1] 馮奇,范軍鋒,王斌,凌天鈞.汽車的輕量化技術(shù)與節(jié)能環(huán)保[J].汽車工藝與材料.2010,02:4一11.

[2] 周成軍,沈嶸楓,周新年,吳傳宇.電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化研究進(jìn)展[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備.2012,40(11):14～18.

[3] 郭千里.汽車輕量化.節(jié)能減排之利器[M].現(xiàn)代零部件，2009(10): 32-33

[4] MCCORMACKA T M, MILLERB R, KESLER O,et al.Failure of sandwich beamswith metallic foam cores [J]. Int J Solids Struct, 2001,38(28-29):xf4901-4920.

[5] 范子杰,桂良進(jìn),蘇瑞意,汽車輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J]. 汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào).2014,5(1),1～16.

[6] 姜超,張悅.汽車輕量化材料及成形技術(shù)[J].汽車工藝與材料，2008(12):9-14.

[7] 孫春方,薛元德,胡培.復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與試驗(yàn)方法田玻璃鋼/復(fù)合材料.2005 (2):3-6.

New energy vehicles lightweight approach and its evaluation

Gong Yongyu, Wang Zhao, Zhang Zhipeng
( University of changan automobile institute, shaanxi Xi 'an 710064 )

A Building a resource conserving and environment friendly society is a long-term strategic task in China's national economic and social development. The development of new energy vehicles based on electric vehicles is one of the best technical routes to realize the sustainable development and technology of the automobile industry. This paper focuses on the research methods and the advantages and disadvantages of the light weight of the electric vehicle.

New energy vehicles; entire vehicle lightweight; research method; Advantages and disadvantages of every method

U469.7

A

A1671-7988(2017)01-05-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.003

宮永玉，（1991.2-）就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院。專業(yè)：車輛工程。