耿金華，吳嘉聰，陳偉豪，陳湖演

新能源汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)探討

耿金華，吳嘉聰，陳偉豪，陳湖演

(佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137)

輕量化是目前新能源汽車(chē)發(fā)展的重要方向，從新能源汽車(chē)材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝方面分析探討輕量化設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)節(jié)能減排目的。

新能源；輕量化；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1　引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，能源短缺及環(huán)境污染的問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。汽車(chē)是能源消耗和二氧化碳排放的大戶(hù)，隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的要求越來(lái)越高，汽車(chē)行業(yè)急需變革。新能源汽車(chē)有別于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，采用新型動(dòng)力系統(tǒng)，依靠新型能源驅(qū)動(dòng)。使用新能源汽車(chē)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(dāng)前，發(fā)展新能源汽車(chē)已經(jīng)成為世界各國(guó)的共識(shí)。由于我國(guó)的汽車(chē)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(yīng)將新能源汽車(chē)列為重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，大力發(fā)展新能源汽車(chē)。

圖1 2012-2020年中國(guó)汽車(chē)保有量

在國(guó)家政策的大力推動(dòng)下，我國(guó)新能源汽車(chē)技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，涉及的技術(shù)面范圍廣泛(如圖2所示)。由于目前新能源汽車(chē)制造及電池關(guān)鍵技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法突破，因此輕量化設(shè)計(jì)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(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖

2　輕量化設(shè)計(jì)

2.1　輕量化設(shè)計(jì)背景

新能源汽車(chē)輕量化不單指減輕新能源汽車(chē)重量，而是要在不提高成本并保證新能源汽車(chē)性能的前提下盡可能地減輕整車(chē)重量，進(jìn)而達(dá)到降低能耗，減少排放的目的。相對(duì)于傳統(tǒng)汽車(chē)而言，新能源汽車(chē)要增設(shè)電機(jī)、電池、電控系統(tǒng)等設(shè)備(如圖3所示)，要比傳統(tǒng)汽車(chē)重5%～25%，所以輕量化設(shè)計(jì)對(duì)于新能源汽車(chē)意義重大。

圖3　新能源汽車(chē)特有部件

2.2　輕量化設(shè)計(jì)方法

目前，新能源汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)的主要方法有：材料輕量化、結(jié)構(gòu)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(chē)輕量化設(shè)計(jì)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(chē)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(qiáng)度鋼具有自重輕、強(qiáng)度高、硬度高、塑性高、耐磨性高等優(yōu)點(diǎn)。以高強(qiáng)度鋼為新能源汽車(chē)的制造材料，不僅可以降低車(chē)身重量，而且在發(fā)生碰撞時(shí)可以提供很好的保護(hù)。但是相對(duì)于普通鋼材，高強(qiáng)度鋼價(jià)格較高。目前，新能源汽車(chē)車(chē)體材料主要還是采用普通鋼材，只在制造新能源汽車(chē)的前后保險(xiǎn)杠、防撞梁等主要零部件時(shí)使用了高強(qiáng)度鋼[2]。高強(qiáng)度鋼存在屈服強(qiáng)度低、焊接性能差、易銹易腐蝕等缺點(diǎn)，阻礙了高強(qiáng)度鋼在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步應(yīng)用。

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

鋁合金也是一種輕質(zhì)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(qiáng)度高、延展性好、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，通常被應(yīng)用于新能源汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)中。鋁合金是所有汽車(chē)金屬材料中最有研究前景的輕量化材料，它可以通過(guò)鑄造工藝被用于制造各種外形復(fù)雜的汽車(chē)零部件，并且價(jià)格低廉可回收利用，有望取代鋼材成為汽車(chē)最主要的金屬材料[3]。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是目前比較先進(jìn)的輕量化材料，它以樹(shù)脂、陶瓷、橡膠等作為基體材料，添加碳纖維絲束作為增強(qiáng)體，具備了輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性等優(yōu)良性能[4]。但碳纖維材料價(jià)格昂貴，一般使用在高性能汽車(chē)上，難以廣泛應(yīng)用于普通汽車(chē)市場(chǎng)，而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的出現(xiàn)，則打破了這一僵局，有望取代鋼材成為新能源汽車(chē)的主要材料。

2.2.2結(jié)構(gòu)輕量化

除了使用輕量化的材料來(lái)減輕新能源汽車(chē)重量，還可以通過(guò)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使新能源汽車(chē)減重。輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是主要通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等方式來(lái)達(dá)到汽車(chē)結(jié)構(gòu)輕量化的目的[5]。

汽車(chē)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)主要有以下三種方式：

（1）優(yōu)化新能源汽車(chē)整車(chē)結(jié)構(gòu)。首先利用三維軟件進(jìn)行整車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在車(chē)身骨架等部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)減輕質(zhì)量，再通過(guò)模型模擬真實(shí)情況進(jìn)行受力分析，校核整車(chē)的強(qiáng)度，最后通過(guò)碰撞試驗(yàn)測(cè)試整車(chē)優(yōu)化后的安全性能(如圖4所示)。

圖4　優(yōu)化整車(chē)結(jié)構(gòu)流程

(2)在保持新能源汽車(chē)性能不改變的前提下，盡量將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小型化，以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化。該方法主要是在保持新能源汽車(chē)的整車(chē)結(jié)構(gòu)功能不變的前提下，按比例縮小整車(chē)尺寸，并利用軟件調(diào)整汽車(chē)優(yōu)化性能。

(3)合理利用多種輕量化汽車(chē)材料組合。首先通過(guò)軟件模擬仿真不同材料組合而成的汽車(chē)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，再對(duì)比不同材料組合構(gòu)成的部件強(qiáng)度，在各部件結(jié)構(gòu)材料搭配中尋找到一個(gè)最佳組合。

2.2.3汽車(chē)制造工藝輕量化

隨著輕量化材料的廣泛應(yīng)用，輕量化制造裝配工藝也發(fā)展迅速。目前，先進(jìn)的汽車(chē)制造工藝有熱成形技術(shù)、激光拼焊技術(shù)、沖壓成型技術(shù)三種工藝。熱成形技術(shù)工藝，是綜合了落料、加熱、沖壓等過(guò)程的綜合制造工藝系統(tǒng)(如圖5所示)；激光拼焊技術(shù)工藝，是利用激光能源將材料進(jìn)行拼合焊接形成一塊完整的材料，從而滿(mǎn)足對(duì)汽車(chē)不同部件的性能要求；沖壓成型技術(shù)工藝，是通過(guò)對(duì)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(shù)工藝

3　總結(jié)

在當(dāng)前全球倡導(dǎo)環(huán)保和節(jié)能的新形勢(shì)下，輕量化已成為全球汽車(chē)發(fā)展的主流和趨勢(shì)。通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)，在制造新能源汽車(chē)時(shí)采用合適的材料、合理的結(jié)構(gòu)及尺寸、適當(dāng)?shù)闹圃旃に?，使新能源汽?chē)在保障強(qiáng)度和安全性能的前提下減輕自身重量，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

[1] 賈朝貝.汽車(chē)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)措施分析[J].時(shí)代汽車(chē)2021(2):133-134.

[2] 趙一鳴,鄭德兵,柳一凡.基于車(chē)身輕量化技術(shù)的高強(qiáng)鋼應(yīng)用趨勢(shì)[J].汽車(chē)與配件,2016(46):76-79.

[3] 高永迪.試論鋁合金材料在未來(lái)汽車(chē)輕量化中的應(yīng)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(fù)合材料在汽車(chē)輕量化應(yīng)用新進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)2020(2),63-69.

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

[6] 胥浩衛(wèi).新能源汽車(chē)技術(shù)研究[J].時(shí)代汽車(chē),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(zhuān)項(xiàng)資金(“攀登計(jì)劃”)項(xiàng)目“基于虛擬單像素的數(shù)字超分辨成像技術(shù)研究”(pdjh2021b0921)。

耿金華(1986—)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠?chē)機(jī)械加工技術(shù)。

責(zé)任編輯：陽(yáng)湘暉

英文編輯：唐琦軍