新能源汽車鋁合金全塑車身設(shè)計(jì)及制造技術(shù)要點(diǎn)

肖傳博,任浩銘,陳 龍,肖傳琦,金 東

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽(yáng) 111003)

新能源汽車是基于可持續(xù)發(fā)展要求而產(chǎn)生的一種全新汽車形式,其在改變汽車動(dòng)力能源的基礎(chǔ)上,注重汽車的清潔化、輕量化發(fā)展,這不僅實(shí)現(xiàn)了我國(guó)汽車能源結(jié)構(gòu)的特征,而且實(shí)現(xiàn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的有效統(tǒng)一。在新能源汽車設(shè)計(jì)制造中,全塑車身設(shè)計(jì)是其發(fā)展的重要方向,在此背景下,鋁合金等輕型材料在汽車車身設(shè)計(jì)、制造中的應(yīng)用不斷深入,有必要加強(qiáng)深化新能源汽車全塑車身的設(shè)計(jì),并強(qiáng)化其制造過(guò)程技術(shù)控制,促進(jìn)新能源汽車的快速發(fā)展。

1 新能源汽車車身機(jī)構(gòu)

新能源汽車與普通汽車在車身結(jié)構(gòu)上具有材質(zhì)和細(xì)節(jié)部位上的差異,宏觀框架層面基本相似。以非承載式車身骨架結(jié)構(gòu)為例,其車身多通過(guò)工程塑料、鋁合金等材料制作加工而成,此類材料在加工過(guò)程中多使用了滾塑工藝。同時(shí)汽車骨架上集成裝配了較多的零件,為保證汽車骨架應(yīng)用的合理性,在初期階段,設(shè)計(jì)人員多會(huì)使用拓?fù)鋬?yōu)化的方式進(jìn)行具體設(shè)計(jì),這不僅實(shí)現(xiàn)了空間梁骨架的合理布置,而且滿足了電池組等零配件的裝配需要。新能源汽車車身結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 新能源汽車車身結(jié)構(gòu)Fig.1 Body structure of new energy vehicle

2 新能源汽車正面碰撞動(dòng)力學(xué)仿真

在新能源汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段,設(shè)計(jì)師在考慮車身結(jié)構(gòu)自身布局的基礎(chǔ)上,需要重視正面碰撞的動(dòng)力學(xué)分析。在傳統(tǒng)的汽車模型框架下,進(jìn)行汽車正面碰撞動(dòng)力學(xué)仿真分析,主要考慮前縱梁的潰縮變形情況,這是因?yàn)樵谑艿脚鲎沧饔煤?汽車的前縱梁保險(xiǎn)杠會(huì)嚴(yán)重地潰縮變形,這一變形會(huì)吸收大部分的碰撞能量。但在新能源汽車設(shè)計(jì)中,汽車以電池作為動(dòng)力源,這些動(dòng)力源分布在引擎蓋之下和后車架上,此時(shí)若設(shè)計(jì)與普通汽車相似的吸能結(jié)構(gòu),則電池組極易因碰撞而損壞。為有效避免這些問(wèn)題發(fā)生,在新能源汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,就必須重視前縱梁的有效設(shè)計(jì),確保其具有一定的剛度,這樣在遭受碰撞后,新能源汽車前縱梁等部位發(fā)生變形的位移較小,避免了對(duì)電池組的傷害[2]。

3 基于正面碰撞動(dòng)力學(xué)仿真的新能源汽車全塑車身設(shè)計(jì)

3.1 車身模型材料確定

以前汽車車身設(shè)計(jì)中多使用鋼制材料,此類材料的模型較為成熟,但是在汽車全塑車身設(shè)計(jì)中,目前針對(duì)全塑車身的研究較少,除線性低密度聚乙烯材料外,鋁合金材料在汽車車身設(shè)計(jì)中也有一定的應(yīng)用。選擇鋁合金材料作為車輛模型材料時(shí),首先采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試車身模型材料的基本參數(shù);然后結(jié)合這些參數(shù)分析車身應(yīng)力-應(yīng)變曲線,并進(jìn)行整車模型的計(jì)算;最后系統(tǒng)化的構(gòu)建鋁合金車身MATPLASTICKINEMATIC模型,并且對(duì)材料的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行模擬,為后續(xù)設(shè)計(jì)工作的開展奠定良好基礎(chǔ)。

3.2 車身輕量化設(shè)計(jì)

確定車身模型后,開展新能源汽車全塑車身設(shè)計(jì),還需要系統(tǒng)地考慮汽車輕量化的設(shè)計(jì)要求,結(jié)合所選材料開展汽車的輕量化設(shè)計(jì)。本研究中,選擇鋁合金材料作為汽車車身材料,在其輕量化設(shè)計(jì)中,除考慮設(shè)計(jì)方法和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)外,還要對(duì)汽車的車身進(jìn)行精簡(jiǎn)控制,提升整體的設(shè)計(jì)效果。在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中,可通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),選擇一體化技術(shù)對(duì)離散拓?fù)鋬?yōu)化與結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化進(jìn)行綜合分析。該環(huán)節(jié)中,除規(guī)范使用有限元分析技術(shù)外,還需要對(duì)鋁合金車身機(jī)構(gòu)及工藝過(guò)程進(jìn)行分析。完成上述條件分析后,需結(jié)合材料參數(shù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)要求,進(jìn)行參數(shù)反演分析。該環(huán)節(jié)中,需通過(guò)多目標(biāo)全局優(yōu)化的方式進(jìn)行汽車工業(yè)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)新能源汽車結(jié)構(gòu)的全面優(yōu)化。在鋁合金材料的新能源全塑車身設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡可能地使得車身薄壁化和中空化,并且所設(shè)計(jì)的車身需滿足小型化和復(fù)合化的要求,取得良好的設(shè)計(jì)效果[3]。

3.3 細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

完成車身結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)后,在全塑設(shè)計(jì)理念下,還需要進(jìn)行新能源汽車鋁合金車身細(xì)部單元的有效設(shè)計(jì)。

其一,在鋁合金車身主體部分設(shè)計(jì)中,可按照車身、車體鋁材化的要求進(jìn)行設(shè)計(jì),除6000系、5000系鋁合金材料外,還可使用7000系鋁合金材料進(jìn)行汽車車身設(shè)計(jì),這些材料具有良好的熱變性能,方便后期的加工制造;整體的強(qiáng)度較高[4](見表1),保證了車身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;具有良好的焊接性及耐腐蝕性。如對(duì)鋁制材料進(jìn)行點(diǎn)焊施工,則單步工藝可在3 s內(nèi)完成;使用螺栓連接方式時(shí),在5～8 s內(nèi)也完成相應(yīng)的連接,車身結(jié)構(gòu)成型效率較高。鋁及其合金的腐蝕環(huán)境濕度臨界值為76 RH%,通過(guò)鋁合金材料制成車身后,合金表面會(huì)形成一層氧化膜,該氧化膜對(duì)材料有保護(hù)作用,減緩了車身結(jié)構(gòu)的腐蝕速度[5]。

表1 鋁合金材料車身骨架Table 1 Aluminum alloy body frame

其二,應(yīng)重視鋁合金底盤的有效設(shè)計(jì),一般選擇鑄造件6082-T6鋁合金完成底盤設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中,需要重視其鑄造工藝的有效設(shè)計(jì),一般按照擠壓鑄造、模鍛成型、固溶淬火和人工時(shí)效的方式進(jìn)行鑄造。

其三,在車身覆蓋件設(shè)計(jì)中,還需要重視碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用,提升車身結(jié)構(gòu)的整體性。

4 新能源汽車全塑車身制造技術(shù)要點(diǎn)

4.1 點(diǎn)焊

新能源汽車全塑車身制造階段,若使用鋁合金材料作為汽車車身,還需要將焊接工藝作為其制造施工的重點(diǎn),規(guī)范化地進(jìn)行制造過(guò)程的系統(tǒng)管理。點(diǎn)焊是新能源汽車鋁合金車身制造的常用方式,其主要是在電極壓力下,靠電阻熱熔化鋁材將其連接的工藝?，F(xiàn)階段,在鋁合金同質(zhì)材料連接中,點(diǎn)焊工藝的應(yīng)用較多,一般在鋁點(diǎn)焊設(shè)備控制器操作中,需保證其輸出電流保持在10 ms;并且在點(diǎn)焊操作中,需重視復(fù)合電極的應(yīng)用,以此來(lái)延長(zhǎng)鋁點(diǎn)焊設(shè)備控制器的使用壽命。從制造結(jié)果來(lái)看,使用鋁點(diǎn)焊工藝后,多種厚度材料可以有效地連接,整體的靜態(tài)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度較高,工藝操作較為簡(jiǎn)單便捷。

4.2 自沖鉚接和螺栓連接

作為新能源汽車生產(chǎn)中較為常見的制造工藝,自沖鉚接需要在電機(jī)動(dòng)力的作用下,將鉚釘直接壓入待鉚接板材中,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁合金板材的有效連接。在這種連接方式下,若鉚接板材與鉚釘發(fā)生塑性形變并成型,則鉚接板材會(huì)充盈于鉚模之中。從制造效果來(lái)看,自沖鉚接技術(shù)不僅具有較高的抗疲勞強(qiáng)度,而且靜態(tài)緊固力較為突出,這有效地保證了新能源汽車車身的剛度。在遇到汽車撞擊后,該工藝下汽車車身能承受更劇烈的撞擊,這對(duì)于保證車內(nèi)人員安全具有積極作用。

采用螺栓連接方式同樣能實(shí)現(xiàn)鋁合金板材的有效連接,通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)使板料熱變形,隨后需重視攻絲鉚接冷成型工藝的應(yīng)用。要注意的是,螺栓連接受鋁合金材料熱脹冷縮作用的影響較大,容易發(fā)生變形問(wèn)題,降低了全鋁車身拼合尺寸精度,故而其在實(shí)際生產(chǎn)中的較少,具體工藝應(yīng)用尚有待研究。值得注意的是,在這些工藝應(yīng)用的基礎(chǔ)上,還可使用膠合工藝進(jìn)行鋁合金汽車車身制造,以此來(lái)提升車體的密封性。

5 結(jié)語(yǔ)

全塑車身設(shè)計(jì)是新能源汽車發(fā)展的重要方向,其能在新型材料應(yīng)用的基礎(chǔ)上,減輕汽車車身的質(zhì)量,這對(duì)于新能源汽車的運(yùn)行狀態(tài)控制具有積極作用。目前鋁合金材料在汽車全塑車身設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多,只有結(jié)合鋁合金材料系統(tǒng)化地進(jìn)行車身模型框架設(shè)計(jì),按照輕量化要求設(shè)計(jì)薄壁、中空、小型、復(fù)合的車身結(jié)構(gòu),并在設(shè)計(jì)中重視車身輕量化設(shè)計(jì)和細(xì)部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),在車身制造階段,重視點(diǎn)焊、自沖鉚接和螺栓連接等關(guān)鍵工藝的應(yīng)用,才能生產(chǎn)出符合現(xiàn)實(shí)需要的新能源汽車,促進(jìn)新能源汽車的持續(xù)、穩(wěn)步發(fā)展。