汽車輕量化技術(shù)研究

王新華　馬東民　李振興　李文中

摘 要：當(dāng)今，隨著石油資源的日益減少以及人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，新能源汽車的發(fā)展日益蓬勃，其取代傳統(tǒng)燃油車的時(shí)間指日可待。然而，制約新能源汽車發(fā)展的因素有很多，其中整車重量是影響新能源汽車?yán)m(xù)航里程的重要因素，因此，車身輕量化技術(shù)的發(fā)展迫在眉睫。本文闡述了汽車輕量化的開發(fā)路徑、鋁在汽車輕量化中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：新能源 輕量化 鋁合金

1 引言

隨著人們環(huán)保和能源意識的不斷加強(qiáng)，各車企推出碳減排計(jì)劃，打造綠色出行汽車。電動汽車成為汽車界的新寵兒。

相對汽油車，新能源汽車的主要特點(diǎn)是：動力來自清潔能源，節(jié)能、環(huán)保、零排放；無發(fā)動機(jī)，噪音小；使用成本低。相比加滿一箱汽油動輒幾百元的汽油車，電動車每周的出行成本通常在幾十元，有的車甚至只花費(fèi)一毛錢每公里的電費(fèi)，而同等級的汽油車，在當(dāng)下汽油價(jià)格不斷攀升的情況下，一公里需要花費(fèi)四、五毛錢。

2 中國及全球新能源汽車發(fā)展趨勢預(yù)測

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，全球新能源汽車的銷售增長率，以每年140%的增長率逐年遞增。

3 影響新能源汽車發(fā)展的因素

石油是不可再生資源，隨著汽車保有量的增大，傳統(tǒng)的汽油車用到的燃料在大量消耗著石油資源。如果不發(fā)展新能源汽車，終究有一天石油資源將面臨著枯竭的情況。同時(shí)，汽車尾氣對環(huán)境的污染也非常大，發(fā)展新能源汽車勢在必行。

然而，新能源汽車的發(fā)展，目前面臨著諸多制約因素。

3.1 充電配套設(shè)備

目前，供新能源汽車使用的充電樁、充電站，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有加油站數(shù)量多。當(dāng)然，用戶也可以選擇在家里的地下停車位安裝充電樁，但無停車位的用戶就受到限制。用戶在使用過程中，充電不便利是制約用戶選擇新能源汽車的因素之一。

3.2 動力電池技術(shù)障礙

動力電池的性能、使用壽命存在瓶頸。電池的能量密度目前還處在一個(gè)較低水平，一次充電的電量難以滿足續(xù)航里程要求。充電時(shí)間較長也使用戶感覺到使用不便。主機(jī)廠正在研發(fā)快充電池技術(shù)，使用戶有良好的使用體驗(yàn)。

3.3 政策環(huán)境

當(dāng)前一些大型城市出臺汽油車限購、限號出行等政策。但新能源汽車往往不受這些政策的限制。因此，政府如出臺一些利好政策，是非常有利于新能源汽車的發(fā)展的。

4 新能源汽車主要性能技術(shù)要求趨勢

4.1 續(xù)航里程

新能源汽車的續(xù)航里程要求以30%以上的速度逐年遞增。預(yù)計(jì)到2024年，續(xù)航里程的要求將達(dá)到1000km。當(dāng)然，是否能達(dá)到預(yù)期的續(xù)航里程，還要依托于技術(shù)的發(fā)展。

4.2 電耗

低壓電耗的降低可以有效提升續(xù)航里程。主機(jī)廠在研發(fā)過程中，也在降低低壓電耗，以使續(xù)航里程得到提升。

4.3 加速時(shí)間

加速時(shí)間是汽車動力性能的重要指標(biāo)。當(dāng)前，加速時(shí)間正以每年10%的變化逐年降低。

綜上所述，新能源汽車高續(xù)航、低電耗、加速快的性能要求日益提高，給輕量化也帶來更為嚴(yán)格的挑戰(zhàn)。

5 新能源汽車?yán)m(xù)航里程的主要影響因素

影響續(xù)航的主要因素有：重量、風(fēng)阻系數(shù)、卡鉗最大拖滯力矩、電機(jī)系統(tǒng)總平均效率、輪胎滾阻系數(shù)、低壓電耗。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，整車重量每降低100kg，續(xù)航里程將增加15km。

造型是風(fēng)阻系數(shù)最大的影響因素。車身底部設(shè)計(jì)、排氣管等部件的合理布局、進(jìn)氣格柵的設(shè)計(jì)等都是影響風(fēng)阻的重要因素。

輪胎滾阻系數(shù)降低0.05%，續(xù)航里程可以得到3.5km的提升。如果使用低滾阻輪胎，可減少輪胎與地面接觸面積，進(jìn)而減少滾動阻力。

低壓電耗包括駕駛輔助系統(tǒng)，如車機(jī)、轉(zhuǎn)向、導(dǎo)航、照明、除霜除霧等。

從對續(xù)航里程的貢獻(xiàn)、技術(shù)開發(fā)難度和優(yōu)先級綜合分析，新能源汽車的輕量化開發(fā)勢在必行；新能源汽車的輕量化開發(fā)相對其他技術(shù)開發(fā)在技術(shù)資源整合利用、開發(fā)周期和風(fēng)險(xiǎn)控制方面具有明顯優(yōu)勢。

6 汽車開發(fā)輕量化路徑

汽車輕量化路徑主要有：結(jié)構(gòu)輕量化、材料輕量化、薄壁化設(shè)計(jì)等幾方面。

6.1 結(jié)構(gòu)輕量化

可通過減少沖壓零件搭接的接頭面積、中空設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)等實(shí)現(xiàn)。

車身零件連接時(shí)，搭接的焊接邊長度達(dá)到最小焊接標(biāo)準(zhǔn)即可。如焊接邊過長，整車會增加一部分重量，同時(shí)也會造成成本的浪費(fèi)，而搭接邊長度增長并不會對性能提升帶來好處。

實(shí)心管狀零件改為中空設(shè)計(jì)，可使其在滿足性能要求的同時(shí)又帶來了重量的收益。

模塊化設(shè)計(jì)即將幾個(gè)零件優(yōu)化成一個(gè)零件，實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)，也有效減輕了重量、提高了生產(chǎn)效率。

6.2 材料輕量化

金屬零件可以用密度很低的非金屬材料來替代，如成本允許，這是很好的一條減重路徑。例如使用復(fù)合材料電池底護(hù)板來替代金屬電池底護(hù)板，使用復(fù)合材料翼子板、后背門、發(fā)動機(jī)罩板來替代傳統(tǒng)的金屬材料等等，這些都是已經(jīng)在車型開發(fā)中使用并驗(yàn)證過的輕質(zhì)材料設(shè)計(jì)。

6.3 薄壁化設(shè)計(jì)

車身外覆蓋件是非承力部件，從最初的料厚0.7mm、0.8mm，到現(xiàn)在使用較多的0.65mm，減重效果相當(dāng)可觀。內(nèi)部的支架，一般也控制在料厚1.2左右，如有特殊需求，可以適當(dāng)增加料厚。

7 鋁合金材料在汽車輕量化上的應(yīng)用

7.1 鋁合金加工工藝及應(yīng)用部位

汽車用鋁合金的加工工藝，通常分為鋁板、鋁型材、鑄造。

鋁板通常使用在沖壓件上，如側(cè)門內(nèi)外板、翼子板、發(fā)動機(jī)罩、后背門等。

7.2 汽車用鋁合金型號的選用

7.2.1 鑄鋁

鑄鋁在車身上常用于下車體，如減震塔、地板等。經(jīng)常選用HPDC ALSi10Mg T7。

7.2.2 車身薄板件選用型號

車身薄板常用鋁代替鋼板以減重的部位有：車門外板、發(fā)動機(jī)罩外板等外覆蓋件；車門內(nèi)板、發(fā)動機(jī)罩內(nèi)板等內(nèi)板件；車身加強(qiáng)件。常用的鋁板型號詳見表２：

7.2.3 車身鋁型材選用型號：

鑄鋁常用于防撞梁，如車身前后防撞梁、下車體門檻梁，常用的鑄鋁牌號見下表３：

被車企應(yīng)用起來，而隨著應(yīng)用的日益廣泛。

8 結(jié)論

新能源汽車的發(fā)展，要求整車重量輕而獲得更高的續(xù)航里程。當(dāng)今的汽車輕量化，正朝著用高強(qiáng)鋼、輕質(zhì)合金替代傳統(tǒng)鋼板的方向發(fā)展。新型材料也正在如火如荼地研發(fā)，但當(dāng)前有些新材料推廣應(yīng)用的不夠廣泛，因成本較高而使其應(yīng)用受到了限制。相信在未來的若干年內(nèi)，新材料將逐漸本也會隨之降低。

輕量化的發(fā)展受到了節(jié)能減排、性能提升等多重需求的牽引。輕量化是實(shí)現(xiàn)降本的重要手段，降重及降成本。當(dāng)然，應(yīng)用輕量化的前提，是與性能之間達(dá)成平衡。

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