A0級電動車車身輕量化技術研究

張立強

（阿爾特汽車技術股份有限公司，北京 100076）

0 引言

隨著環境污染日趨嚴重，新能源汽車成為當下汽車發展的主要產物。輕量化技術變得越來越重要，已成為提升車輛性能和整車競爭力的必然途徑之一。從輕量化技術的內涵來看，需要在滿足產品功能的要求和成本控制的條件下，將結構優化設計、多材料與多種制造技術集成應用，實現產品減重。本文就對某A0級純電動車項目車身輕量化方案展開研討。

1 車身輕量化的主要途徑

在車身設計過程中，主要可從結構設計優化、材料輕量化、制作工藝的改進以及集成化設計角度實現車身質量的減輕。

1.1 結構設計優化

車身結構參數化多學科性能優化；板厚靈敏度優化；零部件拓撲結構優化。

1.2 材料輕量化

提高高強度、超高強度鋼板的應用 （屈服強度≥340Mpa）比例；鋁合金輕質材料應用；塑料復合材料應用；碳纖維材料的應用。

1.3 制造工藝創新

熱沖壓零部件開發技術；擠壓成型；激光拼焊板。

1.4 集成化設計

塑料前端模塊集成設計；鑄造鋁合金零部件集成設計；車身骨架集成設計。隨著制造工藝的創新，鑄造鋁的精度越來越高，由集成式鋁骨架結構替代焊接式鋼車身結構，可以大大的降低車身重量。

2 某項目輕量化實例

鋁合金在車身的應用主要有全鋁車身結構、鋼鋁混合車身結構。鑒于現有的生產工藝和制造、維修成本，多數采用鋼制焊接車身骨架+活連接鋁合金分總成形式的車身結構，能夠有效的控制成本和達到一定的輕量化程度。本項目就采用了此方案，采用鋁合金的主要零部件有：翼子板、機蓋內外板、前防撞梁總成、后防撞梁總成、EV托架總成。如圖1所示鋁材質的分布位置。

圖1 鋁合金的分布位置Fig.1 Distribution position of aluminum alloy

2.1 前防撞梁總成

目前國內鋁合金防撞梁已普遍使用，通過調查研究發現，單位重量的鋁在碰撞中吸收能量是鋼的2倍，質量比鋼輕很多，輕量化的效果相當明顯。圖2為某A0級轎車前防撞梁結構。

圖2 前防撞梁Fig.2 Bumper Beam FR

圖3為兩種材料的截面對比，鋁防撞梁料厚2.5mm，“目”字形截面，這種截面形狀X方向的抗彎截面系數比較高，對正碰力的傳遞比較有利，具體對比分析見表1和表2。

圖3 截面對比Fig.3 Comparison of section

表1 截面系數對比Tab.1 Comparison of section factor

表2 前防撞梁對比分析Tab.2 Comparison and analysis of Bumper Beam FR

從上表得出鋁制前防撞梁比鋼制的輕2.58kg，通過截面系數以及材料性能對比，雖然鋼板的許用強度是鋁板的2倍左右，但是從截面系數計算得出，鋁的截面系數W1是鋼的1.8倍。對比可以得出如果前防撞梁鋁和鋼達到同樣的強度，鋁比鋼的質量能夠減少40%左右，所以減重效果比較明顯。

2.2 后防撞梁總成

對比形式同前防撞梁。下圖為不同材料的后防撞梁結構。鋼材質的采用沖壓而成，鋁合金材質的采用擠壓的形式，截面形狀設計為“日”字形，截面尺寸也相對前防撞梁小。

經過對比，后防撞梁總成減重0.166kg，根據前防撞梁對比分析，鋼鋁材料達到相同的強度，鋁防撞梁減重能達到40%，雖然后防撞梁減重很少，說明強度要比鋼制的高很多。

圖4 鋼制后防撞梁結構Fig.4 Steel bumper ream RR structure

圖5 鋁制后防撞梁結構Fig.5 Aluminum bumper beam RR structure

2.3 翼子板

翼子板的輕量化主要是從材料和料厚方面著手考慮。為了降低翼子板的料厚并滿足外覆蓋件的抗凹性。鋁翼子板要滿足相同的抗凹性，比鋼材質的質量會減少很多。同尺寸翼子板鋼鋁詳細對比見表3。通過分析得出，鋁翼子板比鋼翼子板減重50%左右。

表3 詳細對比Tab.3 Comparison in details

翼子板抗凹性CAE分析

工況1：采用直徑25mm的剛性壓頭進行加載，施加30N與外板垂直方向的載荷。

工況2：采用直徑25mm的剛性壓頭進行加載，加載至400N。

工況3：卸載400N，察看殘余變形。

圖6為施加力點分布圖以及表1為分析結果。

目標值：30N最大位移<1mm，100N最大位移<3.5mm。

結論：通過鋼、鋁翼子板的抗凹性分析結果與目標值對比，都滿足目標值要求。

圖6 抗凹性點分布圖Fig.6 Distribution diagram of dent resistance

表4 分析結果對比Tab.4 Comparison of analysis results

2.4 EV托架總成

EV托架布置在機艙內，主要承載電機控制器，充電機等大型零部件，兩側通過螺栓與車身左右縱梁連接。如圖7和圖8所示。

EV采用6061-T6的鋁合金型材，通過MIG焊的形式連接，選用螺栓與車身連接。

圖7 EV托架的大體布置Fig.7 Layout of EV Frame

擠壓鋁的斷面尺寸根據項目經驗和其他車型的調研定義為 40×30×2.5mm。通過前防撞梁鋼鋁的截面系數計算對比，鋼鋁EV托架要達到相同的承載能力，鋁結構要比鋼結構輕40%左右。

圖8 EV托架的大體結構Fig.8 EV Frame Structure

根據數據計算得出EV托架總成質量為3kg，沖壓鋼板EV托架5Kg，減重40%。

2.5 機蓋內外板

對于開閉件的四門兩蓋來說，采用鋁材料最大的難點就是沖壓工藝性。機蓋總成相對比較獨立，拉延深度較淺，不受車身專業的限制，所以機蓋內外板采用沖壓鋁結構。

鋼、鋁機蓋總成對比：定義機蓋內外板材料為 6016-T4，料厚1.0mm。圖9為機蓋總成的爆炸圖。

從表5和表6計算得出鋁鈑金機蓋總成的總質量為6.52kg，鋼制機蓋總成的總質量為11.38kg。通過對比分析得出，減重4.86Kg，比重43%。

圖9 機蓋總成的爆炸圖Fig.9 Hood Assy Explosive view

表5 鋁制機蓋總成明細表Tab.5BOM of aluminum hood assy

表6 鋼制機蓋總成明細表Tab.6 BOM of steel hood assy

機蓋抗凹性CAE分析，同翼子板類似，鋁合金材質的機蓋同樣能滿足相關的抗凹性要求。

經過以上方案對比分析，在成本可控的前提下，通過采用部分鋁制零件的方案，大大降低了車身總質量，并且保證了車身的性能。表7為以上方案的質量對比匯總。

表7 質量對比匯總Tab.7 Weight comparison summary

從表7分析得出，本項目采用鋁合金材料的零部件為：前防撞梁總成、后防撞梁總成、翼子板、EV托架總成、機蓋鈑金總成。共減重11.562kg，減重率41.5%。

3 結論

經過本項目輕量化技術研究，在現有成熟的制造工藝水平上，在成本可控的前期下，A0級純電動車的輕量化采用“鋼制骨架車身+活連接鋁合金總成”的結構方案是比較成熟的。