新能源汽車全塑車身設計及制造技術研究

郭瓊琳

（晉中職業技術學院，晉中 030600）

傳統汽車在行駛過程中，會排放出大量的尾氣，汽車尾氣中含有大量一氧化碳、二氧化碳、氮氧化合物、硫氧化物以及固體懸浮顆粒，當硫氧化物達到一定濃度時會產生酸雨現象，直接影響農作物生長，而且對人體健康造成嚴重危害。為了減少汽車尾氣的排放量、改善大氣環境，近年來國家大力發展新能源汽車，新能源汽車采用非常規的車用燃料作為汽車動力來源，并綜合車輛的動力控制和驅動設置，形成新結構的汽車。它具有環保性、經濟性等特點。但是當前我國的新能源汽車生產制造技術與美國、日本、德國等發達國家還有一定的差距。因此，分析新能源汽車全塑車身設計及制造技術對我國汽車行業的發展具有重要意義。

1 新能源汽車車身結構

本文新能源汽車使用非承載式車身骨架結構，車身由工程塑料通過滾塑工藝一次成型加工制造而成，汽車零配件集成在汽車骨架上，骨架按照拓撲結構設計，在滿足汽車功能要求的同時也能確保電池組等零配件的安全。圖1為新能源汽車結構。

圖1 新能源汽車結構

傳統的汽車在正面碰撞過程中，前縱梁會出現潰縮變形吸收汽車大部分的碰撞能量，碰撞結束以后，汽車前保險杠會出現嚴重的收縮變形。而新能源汽車的動力源主要分布在引擎蓋和后車架上，如果其采用傳統的吸收能量方式，那么會破壞前面的電池組。因此，對新能源汽車的前縱梁提出更高的要求，前縱梁必須具備一定的剛度，從而確保汽車在正碰過程中發生位移小，不會因為擠壓影響到前組電池。所以，通過正面碰撞仿真軟件分析非承載式全塑車身結構吸收能量的能力，這對車身結構設計的安全性和耐久性具有重要意義。

2 全塑車身輕量化結構設計

全塑車身輕量化結構設計通過計算機輔助設計、計算機輔助功能、計算機輔助制造一體化技術將離散拓撲結構和汽車的結構尺寸進行優化設計，并利用有限元分析技術對汽車車身結構生產工藝和制造工藝進行分析，從而實現對汽車結構總體的優化布局。由于所選擇的對象是高分子材料全塑車身，所以整個車子的設計不采用傳統的拼接和焊接方式，而是使用旋塑成型工藝，這種工藝可以加工復雜曲面的塑料產品，滿足汽車車身外觀線條流暢和曲面圓滑的要求。圖2為全塑車身整體一次成型結構。

圖2 全塑車身整體一次成型結構

在滿足汽車結構性能要求下，全塑車身輕量化設計還要盡可能實現汽車整體車身薄壁化、小型化、復合化、中空化，優化結構形狀，從而達到整體車身輕量化的要求。

2.1 結構設計

新能源汽車的主要目的為節能減排，所以減輕車身結構的重量從而降低燃料的消耗是設計的關鍵與重點。由于新能源汽車的電池組合和儲氫罐等設備本身比較重，所以新能源汽車實現結構輕量化要比普通的汽車難度更高，同時還要滿足結構本身的強度和汽車性能要求。新能源汽車的結構設計包括優化零件結構、零件斷面以及鋼板厚度性能的靈敏度。零件結構優化方式為通過降低鋼板厚度或者在關鍵部位增加材料強度，從而達到增強結構強度和硬度的要求；優化零件斷面是為了確保斷面慣性矩和斷面面積的平衡，通過優化讓零件結構最小斷面達到最大慣性矩，從而提高汽車車身結構剛度、減輕車身重量。鋼板厚度性能靈敏度優化則是根據車身各個零件的鋼材厚度建立數學模型，在確保車身結構剛度、模態、耐撞性等情況下，通過拓撲運算，分析這些零件鋼材厚度的變量對汽車結構綜合性能的影響，從而提高敏感零件的鋼板厚度，降低其他部分不靈敏鋼材的厚度，達到降低車身總質量的目的。

2.2 汽車車身材料的選擇

汽車車身材料直接影響到車身輕量化目標的最終實現，所以要合理選擇車身材料。主要從兩個方面進行考慮。第一，提高高強度鋼板的比例，這樣能提高車身碰撞性能和耐久性能。目前，國際上新能源汽車的車型屈服強度在550MPa以上的高強度鋼板占整個車身材料的30%以上。車分碰撞路徑如A柱、B柱等部位可以采用熱成型工藝，進一步提高零件的屈服強度。第二，用輕質車身材料代替傳統的鋼材材料。比較常見的輕質材料有玻璃纖維復合材料、塑料、鋁合金等，將這些材料應用在車身外覆蓋件和部分非碰撞的骨架以及面板零件，但是這些輕質材料價格比較貴，目前主要應用在一些比較高端的汽車車身。

2.3 優化制造工藝

傳統的汽車車身制造一般使用沖壓工藝，由于汽車車身結構的零件比較多，焊接比較復雜，操作不當就會影響到制造質量，所以逐漸被型鋼件、鑄造件以及輕質金屬鋁合金材料取代。這些材料不僅能實現車身的輕量化，而且確保了汽車的安全性和耐久性。

2.4 優化汽車空氣動力學

高速公路的快速發展，極大滿足汽車快速行駛的要求，新能源汽車在設計的時候也要滿足汽車動力要求。汽車在高速行駛過程中，空氣阻力對汽車的行駛速度造成一定的影響，并增加汽車的耗能。因此，新能源汽車在設計過程中，必須減少空氣對汽車行駛造成的影響。隨著汽車空氣動力學理論的發展和汽車制造業的進步，計算機模擬技術和風洞實測技術為汽車低風阻的設計研發提供了有力的支持。日本的豐田汽車在這方面進行了有效的探索。圖3為豐田普銳斯汽車。

圖3 豐田普銳斯汽車

豐田公司生產的普銳斯，該款汽車車身比普通的汽車車身光滑，車頭設計比較簡潔，整體的簡潔化設計有利于減少空氣阻力的影響。普銳斯車身A柱、C柱車身角度和車頭與車尾的角度保持一致，所以將三者有效融合為一個整體，整體改善空氣氣流的分布。通過優化空氣動力學，豐田的普銳斯風阻系數降低到0.25，而普通汽車的風阻悉數為0.3～0.5，所以在行駛速度方面更具有優勢。汽車外形的簡潔化和一體化不僅能優化汽車空氣動能，而且能讓車子外觀更加簡潔流暢，將成為未來新能源汽車車身設計的發展方向。

3 結語

新能源汽車是未來汽車發展方向，輕量化技術是汽車節能、減少污染的關鍵技術。通過輕量化技術優化汽車車身結構和布局，減低汽車的排放量和能源消耗，從而達到節能環保的要求。但是由于我國新能源汽車起步比較晚，相關技術還不是很完善，所以在車身結構設計和布局方面要積極學習西方國家設計經驗，從而促進我國新能源汽車進一步發展。

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