新能源汽車結構輕量化設計

張露

摘 ?要：隨著社會經濟的發展，新能源汽車生產技術水平不斷提升，質量越來越輕，朝著節能低碳的方向發展。與以往新能源汽車相比，人們對汽車質量要求越來越高，這就要求新能源生產企業結合自身生產技術，不斷研發新的制造技術，利用高新電子設備，實現車輛的輕量化設計，滿足客戶多樣化的需求，創造更多的生產效益。

關鍵詞：新能源;汽車;結構;輕量化;設計

1新能源汽車身輕量化的原因

隨著當前汽車生產行業的迅速發展，汽車生產技術水平不斷提升。與此同時，國家對汽車耗能提出了更高的標準和要求。2012年，我國出臺了《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020）》規定，到2020年，乘用車平均燃料消耗量要達到5.0L/100km，節能型乘用車要達到4.5L/100km。其中汽車輕量化可以有效實現汽車節能減排的目標。

在燃油汽車和電動汽車同時減重10%的前提下，會縮短制動距離，減少加速時間，降低噪音和振動性。其中燃油汽車可以減少10%的排放量，減少5%-8%的能耗。電動汽車可以節省4%-5%的電量，提升電動汽車的形成，延長續航里程，減少電池消耗成本。在進行新能源汽車增重水平判斷上，增重小于等于5%，處于汽車身纏領先水平;增重大于30%，這種類型的汽車不具有產業化的價值。與國外同類產品相比，我國新能源乘用車重15%-30%;新能源商用車普遍重10%-15%。隨著電動化技術和智能化技術的發展，生產企業通過實現汽車的輕量化，可以降低實際產生的能耗，保證車輛的耐久性和動力性。在進行新能源汽車車身輕量化設計過程中，設計人員要結合新能源汽車的特點，從整體上進行優化設計，從而滿足設計目標的要求，創造更多的經濟效益和社會效益。

2新能源汽車車身輕量化設計方法分析

2.1進行輕量化的設計

在進行新能源汽車設計過程中，設計人員需要從汽車整體布局出發，充分利用計算機CAD技術，優化設計新能源汽車方案，選擇最優布局，提升整體結構的合理性，尤其在關鍵環節設計上，需要充分考慮到新能源汽車安全性能、動力性能以及節能性能，有效降低汽車能耗，防止對周圍環境產生不良影響。在新能源汽車行業迅速發展的背景下，對汽車動力性能提出了更高的要求和標準，要求效率高、可靠性高、體積小，保證質量輕，降低實際耗能，減少實際的污染排放。從當前發展趨勢上看，新能源汽車一直朝著輕量化的方向發展，CAE技術在當前新能源設計過程中得到了廣泛的應用，設計人員可以采用拓撲設計方案，在保證汽車整體剛度的前提下，不斷減少總體重量，保證實際的剛度。就目前而言，拓撲優化方法主要應用在連桿蓋、主軸承蓋等方面的設計，獲得了不錯的效果。比如福特公司對利用拓撲優化連技術，減少汽車總重量的17%，實現了輕量化的設計。奧迪利用拓撲軟件，對發動機支架進行全面的優化，提升發動機的自振頻率，重量減輕了20%，并且在主軸承蓋優化設計過程中，汽車自重減輕了22%。因此，設計人員在初次設計過程中，需要利用CAE軟件，分析零部件的強度，廣泛搜集相應的數據，提升的強度和剛度，保證實際設計的效率。另外，設計人員要從整體出發，進行多目標全局優化的方式，確定相應的技術參數，保證新能源汽車各個零部件與輕量化材料的匹配，從而減少內部零件的使用數量，實現車身重量減輕的目標。通過在設計初期對車身輕量化設計，可以提升設計的預見性，防止后續出現頻繁更改的問題，最大限度降低實際生產的成本，降低設計人員的工作強度和數量。但是受到傳統設計理念的影響，在設計過程中存在的一定缺陷，設計人員需要充分更新數據庫，對數據進行全面的驗證，保證設計質量。

2.2新能源汽車車身輕量化設計材料分析

①高強鋼。高強度鋼可分為普通高強度鋼和先進高強度鋼（AHSS）。普通高強鋼主要包括烘烤硬化（BH）鋼、無間隙原子（HSS-IF）鋼和高強度低合金（HSLA）鋼等;AHSS主要包括雙相（DP）鋼、復相（CP）鋼、孿晶誘導塑性（TWIP）鋼、相變誘導塑性（TRIP）鋼、馬氏體（MS）鋼、熱成形（PH）鋼及淬火延性（QP）鋼等。②鋁合金。鋁合金體積質量小，僅為鋼的1/3，易于擠壓成型，具有良好的耐腐蝕性、良好的強度和韌性。鋁制轎車車身比鋼制的質量減輕超過40%，鋁車輪比鋼車輪質量減輕30%，《路線圖》中更是把2030年單車用鋁量超過350kg作為發展目標。③碳纖維復合材料。碳纖維增強復合材料有著絕佳的物理特性：比鋁輕30%、比鋼輕50%，強度卻是鋼的7～9倍，其中以樹脂和金屬為基體的復合材料在車身上的應用較為成熟，具有應用于車身制造的諸多優勢。據測算，碳纖維復合材料的應用可以使汽車車身和底盤質量減輕40%～60%。而碳纖維復合材料零部件的應用，能比同類鋼質零部件質量減輕50%以上，比鋁制部件質量減輕30%以上。

3輕量化的重要作用及展望

對于傳統燃油車而言，先進的發動機技術與實現汽車整車質量的輕量化是其節能減排的有效方式。但是目前隨著發動機先進制造技術提升強度的日益增大，輕量化已經成為目前汽車工業實現節能環保目標的最有效措施之一。隨著新能源汽車技術的日益發展和各國政府的激勵政策，以電動汽車為代表的新能源汽車將成為各國解決汽車工業節能減排的必然趨勢。目前在沒有成熟的基礎設施、沒有足夠快的充電方式等條件下，電動汽車發展的瓶頸是續航能力問題，而輕量化能顯著提高電動車的續航能力。汽車的輕量化是指在保證汽車性能按安全性的前提下，實現整備質量的降低。汽車輕量化不僅是車身的輕量化，還包含傳動設備、電池等的輕量化。新能源汽車的輕量化技術可以從結構優化設計、輕量化材料和先進制造工藝3個方面進行。在汽車輕量化材料方面，呈現出多元化的發展趨勢，單一的材料已不足以保證汽車的強度和剛度要求，因此，在未來汽車輕量化材料的解決方案中，更傾向于多種材料的組合，以充分利用各種材料的優勢。此外，通過技術改進降低材料的成本，減少稀缺金屬的使用量，提高材料的利用率，開發兼具更好的環保性和可回收性的新材料，也是當前輕量化材料研究的熱點和發展趨勢。現階段對于傳統車而言，采用鋁合金、鎂合金、高性能鋼、纖維增強復合材料等輕質材料是最成熟的輕量化方法，輕質材料的使用主要有3種模式，分別是結構件以金屬為主，碳纖維等復合材料加強;車體上部是碳纖維等復合材料，底盤為鋁合金材料;金屬和復合材料等多種材料組合。因此，對于新能源汽車的輕量化而言，采用輕質材料是目前成熟度最高、可行性最高的方法。根據文獻研究預測未來5年電動汽車輕量化需求的五大材料，分別是熱塑性復合材料、高性能鋼、熱固性復合材料、鋁合金和鎂合金。

結語：

為了提升新能源汽車車身進行輕量化設計質量，設計人員要結合實際情況，嚴格按照既定的標準，對車輛整體進行優化設計，有效提升新能源汽車設計的耐久性和安全性。同時在實際設計過程中，設計人員要盡量選擇新型輕化的材料，不斷提升車輛性能，實現節能降耗的目標，推動新能源汽車的良性發展。

參考文獻

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