關(guān)于新能源汽車輕量化研究的調(diào)查報告

歐陽圣哲 杜嘯宇

摘 要：根據(jù)研究表明，新能源汽車每減重10%，其續(xù)航里程可提升5%～6%。輕量化是新能源汽車達到節(jié)能、降耗、增加續(xù)航里程目標(biāo)的重要手段，尋找可以不改變汽車本身結(jié)構(gòu)、滿足各種性能要求，又能實現(xiàn)汽車輕量化的方法成為未來發(fā)展的趨勢。本文列舉和介紹了目前對于輕量化和綠色化比較有研究價值、前景的幾種新型材料和成型技術(shù)，并總結(jié)我國目前的研究現(xiàn)狀及展望。

關(guān)鍵詞：新能源;汽車;綠色;輕量化;材料;成型技術(shù)

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：美國2011年到期的十年汽車發(fā)展計劃的驗收標(biāo)準(zhǔn)是標(biāo)準(zhǔn)車每消耗1L汽油的行駛里程數(shù)，要從2002年的26km延長到42.5km。目前美國有兩種選擇：一是選用大絲束（50～80k）PAN-CF，二是選擇纖維素基碳纖維。這兩種材料成本低廉，且纖維素還能實現(xiàn)無溶液回收，綠色環(huán)保。日本NEDO（新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)）與東麗和日產(chǎn)汽車共同研發(fā)CFRP汽車，目標(biāo)是車體比鋼制品減重50%。國汽國汽（北京）汽車輕量化技術(shù)研究院有限公司于2013年發(fā)布首期開放課題。本期開放課題以招標(biāo)的形式開展，每個課題的平均資助強度為30萬元，投標(biāo)方須提供一定數(shù)量的配套資金（不低于60萬元）和相關(guān)的配套條件。成果包括但不限于：1.開發(fā)出碳玻混雜復(fù)合材料制造車身硬頂部件，在原部件基礎(chǔ)上可實現(xiàn)減重30%;2.開發(fā)出變厚板的汽車前縱梁內(nèi)板零件，相比激光拼焊板的減重效果達到23.75%;3.開發(fā)出滿足長玻璃纖維增強的熱塑性釜內(nèi)合金聚丙烯焊接關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)國內(nèi)在該項技術(shù)突破。我國各級研究中心正在積極尋求汽車輕量化，研究成果顯著，但與發(fā)達國家依然有著一定的差距

正文：輕量化研究主要包括三個方面：輕量化材料、先進制造技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 輕量化材料

我國地大物博，各種礦物資源都相當(dāng)豐富。以稀土永磁材料為例，我國早在2010年生產(chǎn)量就已經(jīng)接近35000t。稀土永磁材料可以應(yīng)用在新能源汽車電機上。以10kw的發(fā)電機為例，永磁電機重量相對于常規(guī)電機可以減少2.4倍，體積可以縮小2～4倍。但還存在以下種種關(guān)鍵性的問題：一、綜合研發(fā)能力不足，永磁電機的成本過高。二、相關(guān)研究方向?qū)＠南拗啤Ｈa(chǎn)業(yè)資源過度分散，企業(yè)規(guī)模化效益不夠。四、產(chǎn)學(xué)研脫節(jié)，材料發(fā)展受限制。這是我國關(guān)于稀土永磁材料研究和應(yīng)用的現(xiàn)狀，但也是我國關(guān)于汽車輕量化材料整體下存在的優(yōu)勢和不足，即產(chǎn)量豐富，研發(fā)能力不足。

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）通常是以碳纖維為增強體，熱固性樹脂為基體制備的復(fù)合材料。纖維承擔(dān)了大部分負載，并且是材料性能的主要貢獻者，而樹脂有助于纖維之間轉(zhuǎn)移載荷，防止纖維彎曲，并將材料黏合在一起。碳纖維增強板具有顯著的高比強度和高比模量，成為航空航天、汽車工業(yè)輕量化、高性能應(yīng)用的首選。與玻璃纖維密度2.3cm/g相比，碳纖維密度減少為1.7cm/g。厚度由2.7mm，減小為1.5mm，減重比達36%。輕量化成果顯著，力學(xué)性能優(yōu)異且市場反饋良好具有極其廣闊的應(yīng)用前景。但受制于高昂的材料費和加工費，且全面系統(tǒng)的驗證及數(shù)據(jù)收集方法尚在探索階段。

高強度鋼吸能性好，強度高，可使車身質(zhì)量降低的同時，達到碰撞安全性的提高。鋁合金材料具有低密度的特點，而且它的比強度甚至可以和優(yōu)質(zhì)鋼相提并論。但是其板材局部延伸性欠佳，較易出現(xiàn)裂紋;撞擊變形后，鋁的整形技術(shù)，表面噴漆技術(shù)難度大，導(dǎo)致維修成本高。鎂合金材料比鋁合金材料的密度更小，不但具有重量輕，吸震性能強的特點，而且具有良好的鑄件性能。但問題還是存在在以下幾個方面：1、鎂元素的耐腐蝕性較差。2、在加工過程中容易發(fā)生燃燒甚至爆炸。鈦合金材料性能很好，不但質(zhì)量輕、密度低、比強度高、耐腐蝕性好，而且耐高溫性和低溫柔韌性很好，廣泛應(yīng)用在發(fā)動機系統(tǒng)中。但是成本相對較高，加工難度大，焊接性能差。

2 成型技術(shù)

傳統(tǒng)的成型技術(shù)主要是模壓成型，生產(chǎn)率比較高且表品質(zhì)量比較好。但缺點在于采用的熱壓罐體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資成本高，消耗能源多，對推廣纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域中的廣泛使用作用有限。目前的新型成型技術(shù)有HP-RTM成型工藝，它是傳統(tǒng)RTM工藝優(yōu)化后得到的一種新型工藝。HP-RTM成型技術(shù)采用鋼模及真空輔助排氣裝置，在高壓條件下完成對樹脂的充模和浸潤，大大提高了合模與充模速度，縮短了部件成型時間，提高了生產(chǎn)效率。同時，增大壓力能夠促進樹脂快速充滿模腔，提高纖維樹脂浸潤度，降低孔隙率，提高構(gòu)件的內(nèi)部成型質(zhì)量。此外，新型成型技術(shù)還有VIMP、VBO成型工藝等。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化以及拓撲優(yōu)化。當(dāng)今結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計離不開計算機的輔助，CAD/CAE技術(shù)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中扮演重要的角色。對結(jié)構(gòu)進行仿真，受力分析，再通過算法對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，對構(gòu)件進行輕量化。雖然說結(jié)構(gòu)優(yōu)化是輕量化的一個重要手段，但其目前還是不盡完善的。問題包括計算數(shù)值不穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)依賴性強，精確仿真困難等。

總結(jié)及展望

汽車輕量化對于汽車工業(yè)的發(fā)展有著巨大的推動作用，不僅可以節(jié)約成本，還可以減小排放，保護環(huán)境。輕量化的手段主要包括材料、結(jié)構(gòu)、制造技術(shù)三個方面。我國現(xiàn)階段尖端技術(shù)還有較大的發(fā)展空間，要使資源豐富的優(yōu)勢發(fā)揮出來，就必須加大投入在科研方面，并以此為平臺，相互促進。同時不能以某一個單一的手段出發(fā)尋求輕量化，要多個方法并行發(fā)展，并且要靈活運用最新的輔助技術(shù)，與最新的科研成果例如計算機輔助算法等相結(jié)合，簡化優(yōu)化過程，提高優(yōu)化效率。

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作者簡介：

第一作者姓名：歐陽圣哲 性別：男 出生年月：1999年6月 民族：漢 籍貫：湖南湘潭人 學(xué)歷：本科 學(xué)習(xí)單位：鄭州大學(xué) 研究方向：機械工程

第二作者姓名：杜嘯宇 性別： 男 出生年月：? 1998年10月 民族： 漢 籍貫：河南省永城市人 學(xué)歷： 本科 學(xué)習(xí)單位鄭州大學(xué) 研究方向： 機械工程