基于全鋁車身的復合材料外覆蓋件創新應用

呂章娥　王智勇　張家雨

摘 要：提高新能源電動汽車的市場競爭力，延長車輛續航里程是關鍵指標。如何提升續航里程：1）提高動力電池的效能 2）輕量化車身。本文主要講述的車身輕量化以及輕量化車身外覆蓋件的應用。

關鍵詞：全鋁車身 輕量化 復合材料 外覆蓋件

Innovative Application of Composite Outer Covering based on all Aluminum Body

Lv Zhange Wang Zhiyong Zhang Jiayu

Abstract：Improve the market competitiveness of new energy electric vehicles and extending the vehicle mileage are the key indexes. How to improve the mileage：1） to improve the efficiency of power battery 2） to lightweight vehicle body. This paper mainly discusses the application of lightweight and exterior cove lightweight

Key words：all aluminum body， lightweight， composite material， outer cover

1 前言

純電動汽車是未來汽車行業發展的方向，如何能在純電動汽車行業領域取得技術上的創新與突破，對提高本國汽車行業的國際競爭力與影響力顯得至關重要。在相同的電池容量條件下，純電動汽車的自身重量每降低40%，則可減少15%的能量消耗，對增大動力電池的續航里程，減少動力電池的更換次數，降低動力電池的使用成本有顯著推動作用[1-2]。

由于動力電池在目前短時間內無法取得革命性的突破，通過純電動汽車的輕量化，增大其續航里程就顯得極為迫切。全球著名調查機構Nislen所做的統計結果表明，續航里程已成為消費者購買純電動汽的最大障礙。而最大極限的給純電動汽車“減重”，對于加快推動電動汽車的市場化進程，促使更多的消費者購買純電動汽車有極大推動作用。

2 全鋁車身骨架平臺

在汽車工業的百年發展歷程中，鋼鐵材料仍然是現代汽車工業中占比最大的材料，而鋼鐵材料的高密度對白車身的輕量化受限極大。因此，對于白車身的輕量化，世界各大主機廠及高校研究機構一直在從輕量化材料、先進制造技術及優化車身骨架結構三方面進行突破，而研究熱度最高的則是輕量化材料[3-4]。

世界各大主機廠對于輕量化材料在車身上的應用主要分為了以下三個方向。圖2是目前車身輕量化材料應用的三個主要路徑，路徑1為傳統鋼制車身，而路徑2的全鋁車身與路徑3的混合車身，是當前乃至未來汽車輕量化車身的發展趨勢。由于整車碰撞法規的日趨嚴格，全鋁車身框架結構由于要滿足碰撞，需要付出極大的成本同時對制造工藝的要求也相當之高，而鋼-鋁混合車身是目前能同時實現輕量化與成本平衡的較優方案，受限于整車成本，鋁鎂合金及CFRP（纖維增強復合材料）的混合車身目前并不能得到大規模商用。

目前奇瑞新能源最新開發的S61EV（螞蟻）鋼-鋁混合車身骨架，其鋁材占比達到77%，車身骨架總重量為230kg，而鋼制車身骨架的重量則高達328kg，與傳統鋼制車身骨架相比，鋼-鋁混合的車身骨架減重30%，輕量化系數達到3.25的國內領先水平。其封閉截面多腔鋁型材，采用焊接（激光焊、MIG焊）、拉鉚連接進行拼接而成，大幅度減少了沖壓工序及摸具開發，降低了輕量化成本。

3 車身外覆蓋件復合材料

復合材料在汽車上的首次使用最早可追溯到1900年，然而，直到1941年Henry Ford才在福特汽車上少量使用了由劍麻、纖維塑料組成的復合材料件。至此，復合材料在汽車上的占比也呈穩固增加趨勢，美國汽車的整車復合材料使用重量也由1960年的9kg到2010年已經上升到了161kg。近幾年，美國及歐盟對汽車的排放量都出臺了相應的環境保護法案，美國環境保護署（EPA）制定的平均燃油經濟性標準（CAFE）規定[5]，在2025年乘用車的平均油耗要達到每加侖54.5英里（每升23千米）。因此，歐美各大主機廠都加快了整車輕量化的步伐，圖5為歐盟及美國的汽車市場近七年復合材料占比率的變化趨勢圖，從圖5可以看到隨著整車重量的增加，復合材料的占比也呈穩固增加趨勢，圖6為奧迪A系整車重量分布，從奧迪A2到奧迪A8復合材料重量的增長率達到了66.2%。

按基體材料分類，復合材料主要分為聚合物基復合材料、金屬基復合材料及納米基復合材料三類[7]。聚合物基復合材料由于其低成本及成熟的生產工藝，在汽車行業應用最廣。金屬基復合材料得益于其低密度、耐高溫、耐磨損及強韌性成為航空航天的優良材料，而納米基復合材料在光、電、磁方面均展現出極其優異的性能，以上兩種復合材料其復合生產制造成本過高，從而限制了其大規模的商業應用。

奇瑞新能源從eQ1（小螞蟻）開始，一直致力于開發低密度、耐高低溫、耐蠕變及強韌性的聚合物基復合材料外車身覆蓋件，而最新開發的S61EV（螞蟻），在復合材料外覆蓋件的創新設計上，則又進一步顛覆了傳統汽車。“螞蟻”的車身外覆蓋件已實現系統的模塊化，整車外覆蓋件可分為三大系統模塊：前保險杠系統、側圍系統、后保險杠系統。模塊化設計提高了減重率，并可大大減少零件的數量，提升裝配效率。

4 復合材料外覆蓋件的應用挑戰和應用

復合材料應用選材需考慮謹慎，零部件抗老化性能，熱變形尺寸穩定性，以及性價比考慮，部分車型在使用一段時間后，整車外觀質感變差，車輛行駛過程中異響，部分連接失效等問題多發。

車身骨架依然是各內外覆蓋件的安裝載體，傳統汽油車剛骨架成型精度越來越高，基本都能滿足設計尺寸定義要求精度。而新能源汽車為能更好提高續航里程，降低車身自重，近年來鋁制車身骨架發展迅速，但是達到汽油車鋼制車身精度還是有段距離。這就給外飾覆蓋件安裝匹配帶來很大風險，安裝困難，匹配差等等。提高鋁制車身精度也是新能源當前要解決的問題。

近年來，復合材料外覆蓋件車身骨架全覆蓋占比越來多，如奇瑞小螞蟻，大螞蟻，寶駿300，這些車型外觀可見部分基本沒有鈑金件。這些新能源車較傳統汽油車車身分塊多，科技感，品質感需要再提升。提升外觀時尚感，科技感，除了創意的造型，關鍵外飾覆蓋件的選材，工藝也需要不斷的提升。新材料，新工藝，新的復合材料的連接技術的引入，能有效的減少外飾覆蓋件的分塊，解決外飾覆蓋件的耐久，耐候性要求。

某公司某款新能源電動車，在原有的基礎上首次嘗試采用SMC模壓一體式頂邊梁，減少頂邊梁的分段，減小了對車身精度要求高的依賴，整車外觀質感提高，裝配工時和單件成本降幅較大。為以后SMC及碳纖維在汽車外飾覆蓋件廣泛應用打基礎。

參考文獻：

[1]Kopp G，Beeh E，et al. New Lightweight Structures for Advanced Automotive Vehicles–Safe and Modular[J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences，2012，48（1）：350-362.

[2]徐建全，楊沿平，唐杰，陳軼嵩.純電動汽車與燃油汽車輕量化效果的對比分析[J].汽車工程，2012，34（06）：540-543.

[3]陳宇豪，薛松柏，王博，韓翼龍.汽車輕量化焊接技術發展現狀與未來[J].材料導報，2019，33（S2）：431-440.