新能源汽車輕量化設計探討

耿金華，吳嘉聰，陳偉豪，陳湖演

新能源汽車輕量化設計探討

耿金華，吳嘉聰，陳偉豪，陳湖演

(佛山職業(yè)技術學院，廣東 佛山 528137)

輕量化是目前新能源汽車發(fā)展的重要方向，從新能源汽車材料、結構、制造工藝方面分析探討輕量化設計方法，以實現新能源汽車節(jié)能減排目的。

新能源；輕量化；結構設計

1　引言

隨著現代工業(yè)的不斷發(fā)展，能源短缺及環(huán)境污染的問題也越來越嚴重。汽車是能源消耗和二氧化碳排放的大戶，隨著國家對節(jié)能減排的要求越來越高，汽車行業(yè)急需變革。新能源汽車有別于傳統(tǒng)燃油汽車，采用新型動力系統(tǒng)，依靠新型能源驅動。使用新能源汽車可大大降低燃料排放量，在很大程度上起到節(jié)能減排的作用。當前，發(fā)展新能源汽車已經成為世界各國的共識。由于我國的汽車保有量世界排名靠前且仍在逐年增加(如圖1所示)，因此更應將新能源汽車列為重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產業(yè)，大力發(fā)展新能源汽車。

圖1 2012-2020年中國汽車保有量

在國家政策的大力推動下，我國新能源汽車技術發(fā)展突飛猛進，涉及的技術面范圍廣泛(如圖2所示)。由于目前新能源汽車制造及電池關鍵技術在短時間內無法突破，因此輕量化設計成為了節(jié)能減排重要的突破口[1]。

圖2 節(jié)能與新能源汽車技術路線圖

2　輕量化設計

2.1　輕量化設計背景

新能源汽車輕量化不單指減輕新能源汽車重量，而是要在不提高成本并保證新能源汽車性能的前提下盡可能地減輕整車重量，進而達到降低能耗，減少排放的目的。相對于傳統(tǒng)汽車而言，新能源汽車要增設電機、電池、電控系統(tǒng)等設備(如圖3所示)，要比傳統(tǒng)汽車重5%～25%，所以輕量化設計對于新能源汽車意義重大。

圖3　新能源汽車特有部件

2.2　輕量化設計方法

目前，新能源汽車輕量化設計的主要方法有：材料輕量化、結構輕量化和制造裝配工藝輕量化。

2.2.1材料輕量化

新能源汽車輕量化設計最直接也是最有效的方法就是采用輕量化的材料。目前，新能源汽車使用的制造材料仍以金屬材料為主，并輔以一些性能優(yōu)良的非金屬材料。

高強度鋼具有自重輕、強度高、硬度高、塑性高、耐磨性高等優(yōu)點。以高強度鋼為新能源汽車的制造材料，不僅可以降低車身重量，而且在發(fā)生碰撞時可以提供很好的保護。但是相對于普通鋼材，高強度鋼價格較高。目前，新能源汽車車體材料主要還是采用普通鋼材，只在制造新能源汽車的前后保險杠、防撞梁等主要零部件時使用了高強度鋼[2]。高強度鋼存在屈服強度低、焊接性能差、易銹易腐蝕等缺點，阻礙了高強度鋼在汽車產業(yè)的進一步應用。

鎂合金材料是汽車制造金屬材料中最輕的材料，具有強度高、剛性好、韌性好、減震性能良好、散熱性好的優(yōu)點，一般應用于新能源汽車的底盤、引擎、傳動系統(tǒng)等零部件的制造。因鎂合金材料抗拉強度低、抗疲勞強度低、塑性差、耐腐蝕性差，使得鎂合金材料在新能源汽車中的應用率偏低。

鋁合金也是一種輕質材料，它的密度只有普通鋼材的三分之一。鋁合金具有抗拉強度高、延展性好、加工性能好等優(yōu)點，通常被應用于新能源汽車的發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、行走系統(tǒng)中。鋁合金是所有汽車金屬材料中最有研究前景的輕量化材料，它可以通過鑄造工藝被用于制造各種外形復雜的汽車零部件，并且價格低廉可回收利用，有望取代鋼材成為汽車最主要的金屬材料[3]。

碳纖維增強復合材料是目前比較先進的輕量化材料，它以樹脂、陶瓷、橡膠等作為基體材料，添加碳纖維絲束作為增強體，具備了輕質、高強度、高穩(wěn)定性等優(yōu)良性能[4]。但碳纖維材料價格昂貴，一般使用在高性能汽車上，難以廣泛應用于普通汽車市場，而碳纖維增強復合材料的出現，則打破了這一僵局，有望取代鋼材成為新能源汽車的主要材料。

2.2.2結構輕量化

除了使用輕量化的材料來減輕新能源汽車重量，還可以通過輕量化結構設計使新能源汽車減重。輕量化結構設計，是主要通過結構優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等方式來達到汽車結構輕量化的目的[5]。

汽車結構的輕量化設計主要有以下三種方式：

（1）優(yōu)化新能源汽車整車結構。首先利用三維軟件進行整車結構設計，在車身骨架等部位進行優(yōu)化設計減輕質量，再通過模型模擬真實情況進行受力分析，校核整車的強度，最后通過碰撞試驗測試整車優(yōu)化后的安全性能(如圖4所示)。

圖4　優(yōu)化整車結構流程

(2)在保持新能源汽車性能不改變的前提下，盡量將結構設計小型化，以實現汽車輕量化。該方法主要是在保持新能源汽車的整車結構功能不變的前提下，按比例縮小整車尺寸，并利用軟件調整汽車優(yōu)化性能。

(3)合理利用多種輕量化汽車材料組合。首先通過軟件模擬仿真不同材料組合而成的汽車部件進行運動試驗，再對比不同材料組合構成的部件強度，在各部件結構材料搭配中尋找到一個最佳組合。

2.2.3汽車制造工藝輕量化

隨著輕量化材料的廣泛應用，輕量化制造裝配工藝也發(fā)展迅速。目前，先進的汽車制造工藝有熱成形技術、激光拼焊技術、沖壓成型技術三種工藝。熱成形技術工藝，是綜合了落料、加熱、沖壓等過程的綜合制造工藝系統(tǒng)(如圖5所示)；激光拼焊技術工藝，是利用激光能源將材料進行拼合焊接形成一塊完整的材料，從而滿足對汽車不同部件的性能要求；沖壓成型技術工藝，是通過對材料施力，使材料變形分離，而獲得零件所需的尺寸及形狀[6]。

圖5　熱成形技術工藝

3　總結

在當前全球倡導環(huán)保和節(jié)能的新形勢下，輕量化已成為全球汽車發(fā)展的主流和趨勢。通過輕量化設計，在制造新能源汽車時采用合適的材料、合理的結構及尺寸、適當的制造工藝，使新能源汽車在保障強度和安全性能的前提下減輕自身重量，從而達到節(jié)能減排的目的。

[1] 賈朝貝.汽車結構的輕量化設計措施分析[J].時代汽車2021(2):133-134.

[2] 趙一鳴,鄭德兵,柳一凡.基于車身輕量化技術的高強鋼應用趨勢[J].汽車與配件,2016(46):76-79.

[3] 高永迪.試論鋁合金材料在未來汽車輕量化中的應用與發(fā)展[J].世界有色金屬,2019(21):174,176.

[4] 方鯤,孟秀青,王建軍．高性能化的碳纖維復合材料在汽車輕量化應用新進展[J].新材料產業(yè)2020(2),63-69.

[5] 齊鄭欣.新能源汽車輕量化的關鍵技術[J].百科論壇電子雜志,2018(4):715.

[6] 胥浩衛(wèi).新能源汽車技術研究[J].時代汽車,2020(2):47- 48.

Discussion on the lightweight design of new energy vehicles

GENG Jinhua, WU Jiacong, CHEN Weihao, CHEN Huyan

(Foshan Polytechnic, Foshan, Guangdong 528137, china)

For new energy vehicles, the lightweight design is an important development trend. This article analyzes and discusses lightweight design methods from the aspects of new energy vehicle materials, structure, and manufacturing process to achieve the purpose of energy-saving and emission reduction of new energy vehicles.

new energy; lightweight; structural design

U469.7

A

2096–8736(2021)03–0022–03

2021年廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項資金(“攀登計劃”)項目“基于虛擬單像素的數字超分辨成像技術研究”(pdjh2021b0921)。

耿金華(1986—)，女，碩士研究生，主要研究方向為汽車機械加工技術。

責任編輯：陽湘暉

英文編輯：唐琦軍