新能源汽車結構輕量化關鍵工藝研究

摘要：在社會經濟高速發展的背景下，人們生活水平顯著提高，汽車逐步走進千家萬戶，成為人們日常出行的重要交通工具，給人們的生活帶來了諸多的便捷，同時也帶來了嚴峻的大氣污染問題，對我國提倡的低碳、綠色、可持續發展目標提出了考驗。因此，節能輕便的新能源汽車逐漸受到人們的廣泛關注。在此背景下，以新能源汽車結構輕量化為出發點，分析了新能源汽車結構輕量化的關鍵工藝技術，以期實現汽車節能減排。

關鍵詞：新能源汽車；結構輕量化；關鍵工藝

中圖分類號：U469.7? 收稿日期：2023-03-23

DOI：1019999/jcnki1004-0226202308013

1 新能源汽車結構輕量化概述

1.1 結構優化設計

所謂結構輕量化，指的是對汽車結構進行輕量化設計和優化，即借助于先進的CAE軟件技術對整個汽車結構進行分析，以分析結果為依據來進一步優化汽車各零部件，使之可以滿足剛度、強度、成本、疲勞壽命以及碰撞安全性等使用性能需求。其中結構性分析必須嚴格按照國家相關法律法規，合理優化結構性參數，從而實現材料的高效利用。在去除多余組成部分的同時，促進零部件的復合化、小型化、薄壁化以及中空化的利用，最終滿足結構輕量化需求[1]。

拓撲優化是結構優化技術中最為常見的應用形式之一，其能夠在既定負荷狀況、限制條件和性能指標的狀況下對制定區域材料進行優化，具有很高的精確性。對于汽車制造而言，拓撲優化的運用能夠在均勻分布的材料設計空間篩選出最佳的分布方案。另外，在汽車輪轂輕量化技術中，主要是借助于材料與結構優化方法對輪轂進行分析，結合材料功能進行搭配，并利用尺寸優化的方法對最大力位置進行科學優化，通過拓撲優化技術在最大程度上減輕輪轂質量。

1.2 底盤輕量化

底盤是汽車中非常重要的零件之一，其主要由驅動系統、轉動系統、轉向系統、制動系統四個部分組成，故而可以從這四個部分出發進行底盤的輕量化設計：a.驅動系統。該系統的輕量化設計可以從懸架入手，即合理優化懸架彈簧上的材料，選用碳纖維復合材料螺旋彈簧或是高強度鋼空心螺旋彈簧；合理優化控制臂上的材料，選用鍛鋁、鑄鋁或是碳纖維復合材料；合理優化橫向穩定桿上的材料，選用空心復合材料或碳纖維復合材料。b.傳動系統。該系統的輕量化設計可以從輪子入手，選用鋁合金鍛造車輪、鋁合金鑄旋車輪、鎂合金鍛造車輪，也可選擇碳纖維復合材料車輪。c.轉向系統。該系統的輕量化設計可以從電動助力轉向系統與線控轉向系統的應用入手。d.制動系統。該系統的輕量化設計需要優化和改進整個制動系統，即通過選用組合式的制動盤、鋁合金等材料制成的制動鉗，來實現制動系統的輕量化。

可以說，要想實現新能源汽車底盤輕量化，必須注重新結構、新技術、新材料的有效利用，其中通過選用密度低、強度高的新材料，可以在極大程度上減少零部件的重量[2]。如：選擇鋁合金替代鋼板材料的焊接，至少能夠減輕50%的結構質量；采用先進鑄造技術來加工汽車零部件，能夠讓汽車的質量減少原來的50%。

1.3 車身輕量化

就新能源汽車車身來說，輕量化設計可以從三個方面入手：a.改進整個汽車車身的布局形式；b.在鋁材中添加一定數量的鋼材，制成鋼鋁復合動力汽車；c.汽車車身制造材料以碳纖維為主，輔以多材質復合材料。但上述三個方面在具體實踐中依然存在一些不足之處，即材料生產技術、成形工藝生產技術、材料之間的聯接技術、模擬材料制備工藝等仍需不斷優化和完善。

2 新能源汽車結構輕量化存在的問題

2.1 缺少明確的輕量化材料使用方式

在綠色低碳發展背景下，輕量化材料在汽車制造行業中得到普及，盡管汽車研發人員已經認識到輕量化材料在汽車結構輕量化設計中的應用價值，然而在輕量化材料使用方面，我國依然缺乏成熟的技術支撐，所以并未實現廣泛應用。導致這一現象的原因在于：相關技術人員沒有準確評估各種輕量化材料，無法明確哪種材料更適合生產新能源汽車零部件。

2.2 輕量化汽車生產過程比較復雜

新能源汽車的車身、底盤、發動機等方面的生產制造均需要使用大量的材料，然而隨著汽車使用時間的延長，將會逐漸降低各種零部件的性能，在很大程度上影響到汽車的使用性能，從而導致汽車無法安全可靠運行[3]。與此同時，現階段我國尚未提出明確的汽車零部件性能標準，導致在汽車制造中難以保證零部件性能，最終很難實現新能源汽車的節能減排目標。

2.3 缺乏可行的汽車輕量化規范體系

當前我國相關文件中已經明確指出汽車輕量化是汽車工業的發展方向，然而尚未提出一套完善、可行的汽車輕量化標準體系，這就在很大程度上制約了我國汽車輕量化發展。

3 新能源汽車結構輕量化關鍵工藝分析

3.1 輕量化材料

a.高強度鋼。按不同的鋼屈服強度，可將高強度鋼劃分成一般鋼強度鋼與先進高強度鋼。對于新能源汽車的制造而言，應當結合車身部位不同采用合適的高強度鋼，從而實現高強度鋼的高效率使用，這樣做能夠減少車身制造中零部件的使用數量，還可以減輕車身自重。高強度鋼之所有具備上述使用功能，是由于其本身具備減薄鋼板作用，能夠在減輕汽車質量的同時，保證汽車的安全性。

b.鋁合金。在目前的工業領域中，鋁合金是最為常用的有色金屬結構材料，該材料的抗腐蝕性、導熱性與導電性優異，具備延展性優、強度高和密度低的優點。依據不同的加工方法，可將鋁合金分成變形鋁合金與鑄造鋁合金兩種，其中前者可以承受高壓，目前主要在發動機冷卻系統散熱器、汽車零部件、壓縮機零部件的制造中得到有效應用，后者主要用于特種、低壓以及重力鑄造[4]。

c.熱塑性材料。該輕量化材料可以實現加熱軟化與冷卻硬化，主要作為汽車排氣管的制造材料。現階段，很多大型汽車放置行李箱門的制造材料就選擇熱塑性材料。相較于其他材料，熱塑性材料的價格較低，質量較輕，且操作工藝較為簡單。

d.復合材料。在汽車生產制造中，需要結合不同部位性能選用多種材料，這就是復合材料。在復合材料中碳纖維復合具有良好的物理特性，即操作工藝簡單、質量輕、高強度、耐熱性好等，該材料是較為理想的汽車制造材料。據相關資料表明：碳纖維復合材料在汽車制造中的應用，能夠減輕車身整體質量40%～60%；同時，選擇碳纖維復合材料制作汽車零部件，能夠減輕鋼材料零件50%以上。然而該輕量化材料屬于一種高性能新型材料，生產工藝較為復雜，使用成本較高，所以應用有限。

e.新能源阻燃材料。該輕量化材料具有加工操作簡單、絕緣等方面的優勢，是當前新能源汽車結構輕量化設計的首選材料。如在動力電池外殼制造中，可選擇玻纖阻燃尼龍和鋁嵌注相結合的方式，即塑包鋁方式，能夠有效減小制件壁厚，并減輕殼體重量，獲得較佳的散熱效果。在實際操作中能夠一次注塑成形，具備良好的沖擊性能，可達到V-0級別阻燃。

3.2 新焊接工藝

a.激光拼焊。該工藝技術是以裁剪制衣的相關原理為基礎，對不同涂層、不同材質和不同厚度的鋼板加以激光焊接，形成一個完整的拼焊板，然后進行沖壓制造，使之與其他零部件進行總裝。激光拼焊工藝能夠滿足汽車零部件對材料性能的多樣化需求，既能夠有效提升材料的使用效率，還能夠更好地把控零部件質量。據相關實踐證明：在汽車車身結構中采用激光拼焊板，能夠減少汽車質量20%～40%。激光拼焊在促進新能源汽車結構輕量化發展中發揮著非常重要的作用。與此同時，激光拼焊工藝也具有一些缺陷和不足：拼接焊縫會在很大程度上影響到沖壓零部件材料的表面質量與力學性能；制成的激光拼焊板可能發生厚度突變現象，很難實現薄厚板之間的光滑連接，不可用于制造汽車車身面板。

b.鋁合金拼焊。在同一汽車零件制造中，相較于鋼材拼焊板，鋁合金拼焊板能夠減重50%左右，且相較于鋁合金板，鋁合金拼焊板能夠減重5%～10%?，F階段，鋁合金拼焊板可選擇激光焊、氣體鎢極電弧焊、非真空電子束焊等多種焊接方法，然而因為鋁合金本身缺乏良好的焊接性質，在焊接過程中很可能出現強度下降、合金元素損失等問題，還會導致焊縫區域出現熱裂、焊縫位置產生孔隙。攪拌摩擦焊作為一種新的鋁合金拼焊板制備工藝，主要是采用由攪拌針與軸肩構成的攪拌頭，將其旋轉插入到需要焊接的零件當中，再沿著焊接方向進行旋轉運動，使得軸肩和焊接表面、攪拌針和四周母材產生摩擦作用，從而迅速提高焊縫位置金屬材料的溫度，達到充分塑性軟化的目的[5]。隨著攪拌針不斷向前移動，其前方的熱塑性金屬將會向著后方不斷流動，同時軸肩施加的鍛造力會讓接縫位置的變形金屬進行相互擴散和再結晶，最終牢固地結合在一起，產生一道焊縫，完成固態連接。在實際焊接過程中，攪拌摩擦焊工藝無需熔化基體，能夠有效避免鋁合金板在熔化焊時由于熔化而出現變形、微裂紋、孔隙等問題，也無需使用填充材料和保護氣體，不會產生煙塵，能耗較小，屬于一種綠色、高效、經濟且高效的焊接工藝。

c.冷金屬過渡。相較于普通的熔化極惰性氣體保護焊、熔化極活性氣體保護焊，冷金屬過渡工藝的熱輸入量更低，故而稱之為冷。該焊接工藝主要是通過焊接時的熱-冷-熱的交替，在極大程度上降低熱輸入量。相關焊接工藝流程是：①通過電弧燃燒對零件和熔化焊絲進行加熱處理；②焊絲向前送進，待形成的熔滴和零件相接觸以后，這時焊機將焊接電流降至幾乎為0，并回抽焊絲；③采用機械方式來分離開焊絲與熔滴，促使熔滴過渡到焊縫位置；④當焊絲脫離焊縫，并形成開路以后，將重新燃起電弧，促使焊絲向前送進，從而進入到下一個焊接周期。冷金屬過渡焊接的應用優勢在于：不會出現飛濺情況，能夠對焊接燒穿情況進行有效控制，保證薄板焊接的安全性，可更為精準地控制輸入量，不僅焊接質量較佳，還具備較高的重復焊接精度。

3.3 新成形工藝

a.內高壓成形工藝。該工藝所用材料多為管材，通過將超高壓油液和軸向推力補料添加到管材內，讓管坯壓入模腔，從而使之成形為所需工件。具體操作流程包括：①填充。在模腔放入相應的管材，并進行合膜，在沖水條件下讓管材兩端沿著水平方向推進，從而逐步生成較為密封的狀態；之后利用預充體的作用，促使管材內部的空氣順利排出。②成形。通過向管材內液體施加壓力，從而得到相應的模具。③整型。采用施加壓力的方法，促使膜腔和模具角度之間緊密結合，形成所需的工件。相較于過去的沖壓工藝，內高壓成形工藝能夠有效減小零部件質量，實現資源的高效利用，將材料損耗率降至最低[6]。

b.熱壓成形工藝。該工藝主要是利用加熱模具，并在模具中注入相應的材料，再借助壓力作用，促使材料與模具之間牢固地連接起來，待到材料成形后，即可取出模型成品。熱壓成形工藝操作流程包括：①在經加熱處理的模板中放置相應的材料；②通過上模和下模，將一定的壓力施加給材料模板，在排氣管作用下排出氣體；③剪切已冷卻成形的模具，成形為最終成品。相較于過去的制造工藝，熱壓成形工藝能夠大幅度提高零部件的強度，并能夠對零部件的厚度、使用數量加以有效管控，切實提升汽車質量水平[7]。

c.輥壓成形工藝。該成形工藝主要指材料在伴隨輥輪不斷轉動的同時，在輥輪的碾壓下成形，從而制成所需的復雜制件。在具體操作過程中，應當注意以下兩點：①在剪切對焊裝置中，必須恰當處理相應的材料；②充分利用壓機與成形機的作用，保障輥壓順利成形定型。

d.連續變截面板。連續變截面板主要是由柔性軋制技術生產而成。在軋制過程中，軋輥的間距能夠實時地調整變化，進而讓軋制出的薄板在沿著軋制方向上形成預先定制的截面形狀。據相關資料顯示：汽車車身結構經過優化并采用連續變截面板成形后，其質量下降了10%～40%。對于新能源汽車車身結構設計而言，通過選擇定制的連續變截面板成形，能夠獲得最為理想的輕量化效果。

4 結語

為解決傳統燃油汽車發展中存在的能耗高、污染重等方面的問題，我國不斷加大新能源汽車輕量化的研究和推廣力度。在新能源汽車設計和制造中，應當結合實際情況，選擇合適的輕量化材料，并合理運用新焊接工藝和新成形工藝，從而提高新能源汽車質量水平，有效實現輕量化的目標。

參考文獻：

[1]鄧劍鋒新能源汽車結構輕量化關鍵工藝分析[J]汽車與新動力，2022，5（3）：14-16

[2]耿金華，吳嘉聰，陳偉豪，等新能源汽車輕量化設計探討[J]農業工程與裝備，2021，48（3）：22-24

[3]張鵬，劉穎新能源汽車結構優化輕量化關鍵工藝分析[J]汽車實用技術，2020（7）：203-205

[4]朱靜秋新能源汽車結構輕量化關鍵工藝的研究[J]南方農機，2019，50（24）：44

[5]李駿，王雷，張堯新能源汽車結構輕量化關鍵工藝的研究[J]機械制造，2019，57（9）：65-68

[6]黎屏新能源汽車結構輕量化設計[J]傳播力研究，2019，3（14）：273-274

[7]王子瑞新能源汽車結構輕量化設計[J]內燃機與配件，2018（22）：4-5

作者簡介：

王洋，男，1988年生，助理工程師，研究方向為專用汽車結構設計。