苑春迎

摘 要：新能源汽車車身結(jié)構(gòu)與常規(guī)能源汽車車身結(jié)構(gòu)相比，有很多相似之處，也有其自身的特點(diǎn)，本文以新能源汽車對(duì)車身結(jié)構(gòu)的要求為出發(fā)點(diǎn)，介紹了新能源汽車安全性要求，輕量化的途徑，并對(duì)新能源汽車車身結(jié)構(gòu)重點(diǎn)研究的內(nèi)容作了探討。

關(guān)鍵詞：新能源 車身結(jié)構(gòu) 安全 輕量化

1 新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

新能源汽車是相對(duì)于常規(guī)能源（化石燃料）汽車而言，新能源汽車包含四大類：混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、氫燃料電池電動(dòng)汽車和其他新能源汽車。目前汽車朝著節(jié)能、環(huán)保、安全方向發(fā)展，新能源汽車在節(jié)能、環(huán)保上有著常規(guī)能源汽車所不具備的優(yōu)勢(shì)。目前全球各大傳統(tǒng)汽車廠商都在全力布局新能源汽車，多個(gè)產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)上市，新能源汽車時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

2 新能源汽車車身結(jié)構(gòu)的安全要求

汽車車身，特別是乘用車車身，已經(jīng)成為影響整車性能的最大系統(tǒng)之一。特別是人們對(duì)汽車安全性能要求越來(lái)越高。和常規(guī)能源汽車一樣，新能源汽車車輛的安全落腳點(diǎn)也在車身，車身的安全性能評(píng)價(jià)以車身碰撞測(cè)試為主要參考依據(jù)，目前全球汽車碰撞測(cè)試認(rèn)可度比較高是歐洲的NCAP，5星是最高標(biāo)準(zhǔn)。具有堅(jiān)硬的中段車身，具有吸能結(jié)構(gòu)的前部和后部車身是一個(gè)安全的車身的基本要求。堅(jiān)硬的中段車身，是駕駛員、乘員所處的位置，中段車身在碰撞中以堅(jiān)硬的框架抵抗變形，給駕駛員、乘員提供生存空間。前段、后段車身也需要高的強(qiáng)度，低速碰撞時(shí)保證車身不產(chǎn)生變形;而在高速碰撞時(shí)，前后段車身特殊的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使前后段車身能在碰撞中產(chǎn)生彎曲變形或者被壓潰，從而在碰撞中吸收車輛高速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，減少能力對(duì)中段車身的沖擊，以保證人員的安全。

車輛發(fā)生碰撞有幾種情況：正面碰撞、側(cè)面碰撞、后面碰撞以及翻滾、撞人等，各種碰撞形式的發(fā)生以及造成的死亡比例是不同的[1]。圖1和圖2顯示，正面碰撞事故占比最高占67%，死亡率占31%，側(cè)面碰撞事故占比28%，但死亡占比較高34%[1]。主動(dòng)安全研究的側(cè)重點(diǎn)是根據(jù)各種碰撞形式，模擬車輛在各種事故中對(duì)人員的傷害，從而有針對(duì)性的設(shè)計(jì)車身結(jié)構(gòu)，提升駕乘人員在事故中生存的幾率。所以正面碰撞發(fā)生比例高，但是人員死亡的相對(duì)較低。

安全也可以延伸的到車輛財(cái)產(chǎn)的安全。在事故中人的生命是第一位的，但汽車也是一個(gè)商品，也有價(jià)值。在保證人員安全的前提系車輛本身的安全也要考慮。在事故中，我們對(duì)于安全的評(píng)價(jià)由高到低依次為：1、人車安全;2、車毀，人安全;3、車輛安全，人亡;4、車毀人亡。全球知名汽車制造企業(yè)沃爾沃將人的安全放在了最重要的位置，這樣的造車?yán)砟钜I(lǐng)了安全潮流。

3 新能源汽車車身結(jié)構(gòu)的輕量化要求

汽車行駛過(guò)程中的阻力有：空氣阻力、滾動(dòng)阻力、爬坡阻力和加速阻力，其中滾動(dòng)阻力、爬坡阻力和加速阻力都與正常的質(zhì)量成正比，有資料研究表明：汽車自重每減少10%，燃油消耗可降低6%～8%，排放可降低4%左右[1]。

汽車整車有四個(gè)部分組成，分別是：車身、底盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車電子。對(duì)于乘用車來(lái)說(shuō)，車身占整車質(zhì)量的40%～60%，約70%的油耗是用在車身質(zhì)量上的，因此，汽車車身特別是白車身的輕量化是車輛輕量化的重要部分，國(guó)內(nèi)外也大多以車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化作為整車輕量化的重點(diǎn)[1]。

對(duì)于新能源汽車，輕量化更加擺在凸出的位置。研究表明：對(duì)于電動(dòng)汽車而言，一百公斤的減重可以增加續(xù)航距離的10%左右[2]。車身輕帶來(lái)的好處是多方面的，一是可以降低能量消耗，二是增加了承載能力，三是因?yàn)橘|(zhì)量輕，還可以減小剎車距離。新能源汽車車身在輕量化方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)闇p少了傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等大部件，車身結(jié)構(gòu)比較好布置，在保證車身強(qiáng)度、剛度的前提下，車身結(jié)構(gòu)可更加合理布置。

新能源汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化的途徑：

（1）新材料的應(yīng)用

使用新材料是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要手段。以鋁合金材料、高強(qiáng)度鋼材、碳纖維為代表的新材料已經(jīng)在大量使用。新材料的使用不僅僅是對(duì)傳統(tǒng)材料的替代，它還涉及多種學(xué)科及技術(shù)的支持，比如物理、化學(xué)學(xué)科，材料試驗(yàn)檢查技術(shù)、零部件設(shè)計(jì)制造技術(shù)、新材料回收技術(shù)等等。

車身輕量化在新材料使用中，高強(qiáng)度鋼材最為普遍，目前車身制造，已經(jīng)普及使用高強(qiáng)度的汽車專用鋼材。鋁合金車身的使用在材料輕量化中效果是最好的一個(gè)，汽車品牌中捷豹、奧迪、特斯拉都有鋁合金車身的產(chǎn)品問(wèn)世。其減重效果優(yōu)于高強(qiáng)度鋼，但鋁合金車身價(jià)格是鋼車身的3倍左右，所以只有在高端品牌中鋁合金車身才有市場(chǎng)。

輕量化就是在質(zhì)量、性能和價(jià)格三者之間找平衡。與高強(qiáng)度鋼、鋁合金相比，碳纖維有密度優(yōu)勢(shì)，有比較高的比強(qiáng)度和比剛度，還有比較好的耐腐蝕性，這是非金屬材料比較典型的特點(diǎn)。但價(jià)格是比較大的劣勢(shì)，碳纖維的綜合成本是鋁的綜合成本的2～2.5倍[3]。現(xiàn)階段，在輕量化中碳纖維可以和鋁合金搭配，作為補(bǔ)充材料使用，也可以只在關(guān)鍵材料上使用。長(zhǎng)遠(yuǎn)上看，通過(guò)降低成本等途徑，也有作為汽車輕量化應(yīng)用主要材料。

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是車身輕量化的基礎(chǔ)，車身骨架和承載部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集合了各種材料、各種工藝。車身結(jié)構(gòu)對(duì)車輛被動(dòng)安全性，結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度和車輛的振動(dòng)性能有著巨大影響。目前車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)減重，就是利用CAE等分析技術(shù)，在保證車身結(jié)構(gòu)性能的前提下使零件質(zhì)量更小。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)包含三個(gè)層次：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化及拓?fù)鋬?yōu)化[1]。車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化涉及的指標(biāo)很多，指標(biāo)之間多是相互矛盾的，比如剛度、模態(tài)、碰撞安全及產(chǎn)品性能方面，只能做到相對(duì)統(tǒng)一。在實(shí)際生產(chǎn)中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)減重的途徑為零部件空心結(jié)構(gòu)、零部件薄壁結(jié)構(gòu)、零部件復(fù)合結(jié)構(gòu)等方法，這些優(yōu)化設(shè)計(jì)使車輛覆蓋件、結(jié)構(gòu)件達(dá)到輕量化的目的。

（3）制造技術(shù)輕量化

通過(guò)對(duì)材料性能的研究，利用不同的制造工藝可以在零部件制造過(guò)程中減輕重量。常用的制造技術(shù)有：激光拼焊接技術(shù)、液壓成形技術(shù)、電磁成形技術(shù)、先進(jìn)連接技術(shù)等等[4]。

激光拼焊接技術(shù)可以將材質(zhì)不同、厚度不同、表面處理要求不同的工件通過(guò)激光拼接在一起，組成一個(gè)新的毛坯件，然后再通過(guò)沖壓成零件。例如乘用車側(cè)圍總成是一個(gè)典型的激光品焊接件，激光拼焊接技術(shù)可以有效減少零件質(zhì)量，減少焊點(diǎn)，提高強(qiáng)度。通過(guò)先進(jìn)的制造技術(shù)，主要解決的是產(chǎn)品的性能問(wèn)題，進(jìn)而解決了輕量化的問(wèn)題。

液壓成形技術(shù)是指把毛坯件放在封閉的模具里，通過(guò)管道把液體介質(zhì)（油、水等）引入毛坯件內(nèi)部及模具內(nèi)腔，對(duì)液體介質(zhì)進(jìn)行加壓，毛坯件在特定空間里被高壓的流體介質(zhì)膨脹、壓縮、成形。液壓成形技術(shù)可以減少模具數(shù)量和零件數(shù)量，多個(gè)零件由一個(gè)統(tǒng)一的液壓成形件代替，即增加結(jié)構(gòu)剛度，又減輕重量。

電磁成形技術(shù)就是指在磁力作用下，使材料產(chǎn)生變形。電磁成形技術(shù)優(yōu)點(diǎn)很多，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸加工，不需要潤(rùn)滑及后面的清理，易于實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程自動(dòng)化。電磁成形不僅適用常規(guī)的鋼鐵材料，還適用于鋁、鎂等輕質(zhì)材料，是實(shí)現(xiàn)車身輕量化的一種技術(shù)支持。

對(duì)于車身制造過(guò)程中的連接，傳統(tǒng)的連接方式是電阻點(diǎn)焊和氣體保護(hù)焊（包括惰性氣體保護(hù)焊和活性氣體保護(hù)焊）。由于輕量化車身制造的要求，多種材料使用在車身制造中，新的連接技術(shù)就出現(xiàn)了，歸為2大類：機(jī)械連接技術(shù)、復(fù)合連接技術(shù)。機(jī)械連接技術(shù)如壓焊、折疊等代替電阻點(diǎn)焊，可實(shí)現(xiàn)多種材料或者夾層材料的連接，材料表面涂層不被破壞，連接前不需要預(yù)處理。復(fù)合連接就是將兩種連接方式結(jié)合起來(lái)使用，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，比如點(diǎn)焊+黏結(jié)等。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于傳統(tǒng)的汽車車身結(jié)構(gòu)，研究人員從安全、輕量化、振動(dòng)等方面都提出了很多的要求。對(duì)新能源汽車車身結(jié)構(gòu)，因?yàn)楦邏弘姷拇嬖?，所以?duì)其安全性要求更高，更苛刻。主要體現(xiàn)在絕緣、密封、高壓電可維修性能等方面，這對(duì)車身結(jié)構(gòu)提出了新的要求。由于電池本身比較重，怎么布置電池也對(duì)車身結(jié)構(gòu)提出要求，需要針對(duì)車身的耐久性能做特殊的設(shè)計(jì)。

本文由貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目《新能源車輛車身結(jié)構(gòu)研究》資助，項(xiàng)目編號(hào)：2017ZK06

參考文獻(xiàn)：

[1]林程，王文偉，陳瀟凱 .汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[2]朱新春.電動(dòng)汽車電池倉(cāng)結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)[D][碩士論文]長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2018.

[3]第一電動(dòng)網(wǎng).提升新能源汽車?yán)m(xù)航，這三種車身材料你應(yīng)該知道[EB/OL].https：//www.toutiao.com/i6424202405105107457/.

[4]王德雨.家用轎車白車身的輕量化研究[D]：[碩士論文]西安：陜西科技大學(xué)，2018.