新能源汽車輕量化設(shè)計方案研究

王儷穎 廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校

隨著工業(yè)發(fā)展水平的提高，我國汽車產(chǎn)量和汽車保有量逐年增加，同時汽車的能耗和有害排放量也在逐年增加。在這種環(huán)境惡化、能源短缺的形勢下，研發(fā)新能源汽車成為降低能源消耗和環(huán)境污染的解決方法之一[1]。與傳統(tǒng)的燃料驅(qū)動汽車相比，新能源汽車的能源存在比能量和比功率較低的缺陷，這往往無法滿足汽車用戶對性能和續(xù)航的要求。同時新能源汽車內(nèi)部的空間分布要求較高，因此降低新能源汽車的整車重量顯得尤為重要。

一、新能源汽車輕量化的關(guān)鍵技術(shù)

（一）集成化超輕新能源汽車

通過采用以半承載式全塑車身和相關(guān)的車身成型設(shè)備為主的關(guān)鍵技術(shù)，超輕型新能源汽車獲得了更為成熟和先進的電池和電機驅(qū)動能力。在新能源汽車輕量化設(shè)計流程中，全塑車身是必不可缺且非常重要的一環(huán)。為了實現(xiàn)車身輕量化這個目標，它的設(shè)計思路具有一體化、模塊化等特點，在實際應(yīng)用中，能有效提高零部件的集成度，進而減少材料的消耗，降低生產(chǎn)成本。目前車身整備質(zhì)量能降至850 kg（包括電池），與傳統(tǒng)的汽車相比，輕量化的效果是顯著的。

（二）復(fù)合材料車身

全塑車身的實現(xiàn)難點是旋塑成型工藝，其難度在于生產(chǎn)時需要多次添加材料。為此，全塑車身采用的是纖維增強微分發(fā)泡材料，并要求一次整體成型。在生產(chǎn)過程中采用此材料有兩個優(yōu)點，其一是高分子復(fù)合材料的外觀造型更加美觀且輕量，其二是采用該材料后，各零部件數(shù)量和所需的額外加裝工序都能有效減少。這兩個優(yōu)點不但能較為精準地控制車身的整體公差，還能節(jié)省車身組裝所需的時長[2]。

（三）集成化纖維增強熱塑性地板

熱塑性地板與塑料車身的鋁制框架之間含有通孔、孔槽和成型預(yù)埋金屬件，二者能相連，實現(xiàn)封閉的車身結(jié)構(gòu)，這樣做的好處是能夠共同傳遞工作載荷，發(fā)生碰撞時能夠吸收和傳遞部分能量[3]。為了使新能源汽車更輕量化，集成化纖維增強熱塑性地板也是不可或缺的，所以塑化地板需要具有良好的高彎曲和高扭轉(zhuǎn)剛度特性。在專業(yè)精密設(shè)備旋塑成型的過程中，加入纖維塑性材料，并在橫縱雙方向上扭轉(zhuǎn)均勻加溫，確保加入的原料能夠熔融并均勻覆蓋在模具的表面，最后等待空氣冷卻或水冷卻模具后，開模就能得到集成化地板。

（四）大型全塑車身模塊化旋塑模具

旋塑，又名滾塑，是塑料成型中一個更先進和廣泛使用的方法，也是新能源汽車整個塑料車身所采用的主要工藝。其主要方法是熱塑性塑料中空成型，可有效降低模具制造成本，所需設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，成品厚度均勻無應(yīng)力，且原材料使用率也很高，這使得該工藝近年來發(fā)展迅速，并被運用到大型制件中。然而，全塑車身是一種整體模具，加工困難而且模具也需要高額的維護費，這無疑增加了全塑車身的制造成本。目前比較好的解決方案是在設(shè)計之初，根據(jù)新能源汽車車身的功能、位置和輪廓線，將車身分成模塊，分塊處理。將車體分為多個模塊化模具進行加工和脫模，是目前較為主流的大型復(fù)雜全塑車身模塊化的旋塑模具工作原理。

二、新能源汽車輕量化方案

（一）使用高強度材料和輕質(zhì)材料

現(xiàn)階段，可以有效減輕汽車重量的新型材料主要有兩大類型：一種是高強度的材料，另一種是新型輕質(zhì)材料。前者包括高強度鋼、高強度不銹鋼、結(jié)構(gòu)鋼、高強度鑄鐵和粉末冶金等。后者則是一些質(zhì)量輕、體積小和強度高的材料，如鎂合金、鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料和塑料，以及金屬基復(fù)合材料、精細陶瓷、非金屬基復(fù)合材料等。

（二）優(yōu)化設(shè)計、虛擬仿真和有限元分析

車身輕量化并不意味著盲目追求減輕車身的重量，而無視其他需要考慮的因素，例如車輛結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)便是其中一個非常重要的點。目前，由于新能源汽車制造仍是不成熟，還在探索中。因此許多安全標準和相關(guān)指標在國內(nèi)外至今未形成統(tǒng)一意見，這就要求車企在新能源汽車輕量化的生產(chǎn)過程中，需要反復(fù)進行模擬仿真。而最為常用的汽車設(shè)計仿真軟件有ANSYS、CATTA、UG、ABAQUS 等，借助這些軟件，設(shè)計人員可以模擬仿真出車身的結(jié)構(gòu)剛度、強度、疲勞性和碰撞結(jié)果。通過對得到的結(jié)果進行相關(guān)研究，車企可以對車身的設(shè)計進行優(yōu)化，進而提高了新能源汽車的可靠性和安全性。

（三）采用激光拼接技術(shù)、熱壓成型技術(shù)與連接技術(shù)

激光拼焊板技術(shù)是一種現(xiàn)代加工工藝技術(shù)，可用于汽車組裝，包括對車身進行拼接。它基于成熟的激光焊接技術(shù)，能夠把厚度、材料不同的鋼材焊接成一個整板，再進行沖壓生產(chǎn)，能夠滿足零部件不同部位對材料不同的要求。通過研究和實驗可知，采用這種焊接技術(shù)在生產(chǎn)一臺汽車時，能有效減少總體零件數(shù)量，從而減輕車身重量。

三、結(jié)論

實現(xiàn)新能源汽車的輕量化，需要綜合考慮材料、設(shè)計和制造工藝等。事實上，新材料的應(yīng)用離不開新加工制造技術(shù)的發(fā)展。新的設(shè)計理念必須伴隨著新材料、新工藝的發(fā)展和興起。汽車輕量化與材料、加工工藝和設(shè)計理念密切相關(guān)，三者相輔相成。本文在分析輕量化技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了新能源汽車輕量化的方案，以期為新能源汽車的輕量化提供一定的參考。