田 萌

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學院 汽車工程學院，河南 新鄭 451191)

0 前言

近年來，新能源汽車發(fā)展迅速，中國汽車協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，2020年我國新能源汽車的銷量高達80萬輛，僅上半年的銷量同比增長為112%。據(jù)專業(yè)人士推測， 到2025年燃油車數(shù)量將達到峰值，總體將呈每年下降趨勢，到2035年新能源汽車的總產(chǎn)量有望超過傳統(tǒng)汽車。

根據(jù)環(huán)境保護和燃油消耗相關(guān)法律法規(guī)政策，車輛輕量化已成為實現(xiàn)節(jié)能減排的必要措施。有試驗表明，傳統(tǒng)汽車的總質(zhì)量減少10%，耗油量可下降6%～8%，同時二氧化碳排放量也將減少。

新能源汽車輕量化研究的重點是車身、內(nèi)外飾件、底盤和動力系統(tǒng)這4部分。針對車身和底盤，利用輕量化材料減重，車身以熱成型后的高強度鋼為主，底盤以鋁合金材料為主，未來兩者將被廣泛應用于汽車制造。此外，工藝和有限元法設(shè)計也可實現(xiàn)汽車輕量化，除了應用最廣的熱成型技術(shù)，也可應用其他主流技術(shù)，如液壓、激光焊、熱成型沖壓制造工藝等。新能源汽車輕量化設(shè)計和分析法主要有2種：① 通過零件組合，運用模塊化減重；② 拓撲優(yōu)化分析，利用精確算法合理優(yōu)化零部件的尺寸和形狀。

結(jié)合上述方法，開展新能源汽車輕量化研究，對推動新能源汽車發(fā)展和環(huán)境保護具有重要意義。

1 新能源汽車輕量化技術(shù)路線

1.1 概述

新能源汽車推廣及發(fā)展的最大阻礙是其續(xù)航能力有限，這是它相較于傳統(tǒng)燃油汽車的弱勢，是需要改進的重中之重。車身自重是影響續(xù)航里程的重要因素，考慮到環(huán)境保護、節(jié)約資源、降低動力電池生產(chǎn)成本和提升續(xù)航能力，新能源汽車的輕量化發(fā)展勢在必行。實現(xiàn)輕量化的方式主要是采用先進的成型工藝、新型輕質(zhì)材料應用及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

1.2 新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化

結(jié)構(gòu)輕量化是指汽車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計與優(yōu)化。采用先進的CAE軟件技術(shù)進行分析，優(yōu)化相應的零部件，使其能夠滿足強度、剛度、碰撞安全性、疲勞壽命、成本等多方面性能要求。結(jié)構(gòu)性分析主要是以制定相應的法律法規(guī)為前提，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)性參數(shù)，提高材料利用率。這樣既可去掉多余的組成部分，又可實現(xiàn)零部件的薄壁化、中空化、小型化及復合化，滿足結(jié)構(gòu)輕量化。

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)中，采用最多是拓撲優(yōu)化，它是在給定負荷情況、約束條件和性能指標的情況下，優(yōu)化指定區(qū)域的材料，其精確性較高。在汽車制造過程中，利用拓撲優(yōu)化可以在均勻分布的材料設(shè)計空間選擇最優(yōu)分布方案。

在輕量化領(lǐng)域，同時針對材料及結(jié)構(gòu)的研究較少。在汽車輪轂輕量化技術(shù)中，采用材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法分析輪轂。首先，根據(jù)材料功能進行搭配；然后，采用尺寸優(yōu)化的方法，合理優(yōu)化最大力位置；最后，采用拓撲優(yōu)化技術(shù)進一步減輕輪轂質(zhì)量。

底盤是汽車的重要組成件，底盤輕量化主要包括4個方面。① 懸掛系統(tǒng)：主要對其橫向控制桿、螺旋彈簧和系統(tǒng)控制臂進行輕量化處理；材料方面，采用碳纖維復合材料、鑄鋁件及高強度鋼；結(jié)構(gòu)方面，將控制桿制成空心。② 行駛系統(tǒng)：其輕量化方向主要考慮車輪，輪轂可采用鎂合金鍛造件，輪胎可采用性能好的天然橡膠。③ 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：對其轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化，或采用輕質(zhì)合金及碳纖維實現(xiàn)其輕量化。④ 制動系統(tǒng)：其輕量化方向是實現(xiàn)系統(tǒng)的集成化，制動盤可制成組合式，材料可采用鋁合金。

汽車底盤的輕量化需要通過新結(jié)構(gòu)、新材料及新工藝的有機結(jié)合來實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化以橫臂為例，通過成熟的分析法，實現(xiàn)有效改進，可減重約50%。新材料主要針對轉(zhuǎn)向系，以低密度和高強度材料為主，如擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)等采用鋁合金材料制造，相對傳統(tǒng)材料可減重40%～50%。新工藝是通過各種先進成型技術(shù)，對零件進行加工處理。

承載式和非承載式這2類車身的輕量化技術(shù)路線不完全相同。對于承載式車身，輕量化技術(shù)發(fā)展路線有3個方向：① 打造全鋁復合型車身；② 在鋁中添加一定劑量的鋼，制成鋼鋁混合車身；③ 制造多材料復合車身，該技術(shù)路線以碳纖維材質(zhì)車身為主。這3個發(fā)展方向仍有需解決的問題，如完善材料制作方案，對制作好的材料進行性能模擬，以提高模具的技術(shù)制造水平及不同材料之間的連接技術(shù)等。

2 輕量化工藝

2.1 先進制造工藝及其應用

為應對輕量化材料存在成型困難的問題，采用液壓成型工藝。不同于沖壓成型，液壓成型的工作機理是利用液體作為工作介質(zhì)，一般為液體狀態(tài)的水或油。相較于沖壓成型制造的零件，經(jīng)過液壓成型處理的零件質(zhì)量控制能力較高，可進一步擴展零件成型的極限。零件是通過模具定型的，采用液壓成型可降低少數(shù)模具的開發(fā)成本，這也降低了汽車制造的總成本。目前，針對表面較復雜且對精度要求高的零件，如汽車翼子板等，會采用液壓成型的方法。

為進一步提升零件性能，國內(nèi)外研究人員進行了深入研究。車身的外覆蓋件凹槽較少，適合采用板材液壓成型技術(shù)，可減少厚度，達到輕量化效果。對于2個及以上的管制部件，也可采用管材液壓成型技術(shù)。該技術(shù)主要被用于制作傳動軸零件、側(cè)門橫梁、車頂支架等。管材液壓技術(shù)可以降低零件制造成本11.00%，降低設(shè)備成本14.00%，并減小零件質(zhì)量7.3%。除上述方法，還有其他更先進的液壓成型技術(shù)，如差溫充液拉深技術(shù)、超聲波振動充液拉深法、成對液壓成型技術(shù)等。

激光焊接主要是通過高能激光束對輕量化激光材料進行加工的精密焊接方法。對于傳統(tǒng)的連接方法，連接處面積較大，會增加汽車整體質(zhì)量，而精密焊接方法基本僅有1個焊點，可大大減小相連處的質(zhì)量，是一種可行的輕量化方式。激光焊接技術(shù)主要應用于汽車零部件、排氣管、車身等的生產(chǎn)制造。在成熟的車間流水線上，廣泛應用激光焊接方式，且基本采用人工智能作業(yè)。激光拼焊板工藝被運用于該過程，可減少制件數(shù)目、減薄局部鋼板、去除點焊凸緣，最終實現(xiàn)輕量化。

2.2 鋁合金車身連接技術(shù)

激光-電弧復合焊接技術(shù)主要有以下2個優(yōu)點：① 焊接性能好，激光-電弧復合焊接技術(shù)融合了激光與電弧的優(yōu)點，具有加熱范圍廣和高能密度的特點，獲得高密度及高能量的熱輸入，可有效減少焊接裂紋。② 焊接效果穩(wěn)定，在焊接過程中，如速度過快會出現(xiàn)陽極斑點不穩(wěn)定的情況，使電弧發(fā)生飄移；激光能為電弧形成相應的陽極斑點創(chuàng)造良好條件，因此激光與電弧相結(jié)合，在高速焊接情況下可保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

為了解決鋁、鎂等輕質(zhì)金屬材料在連接接頭處性能弱化的問題，20世紀90年代，英國焊接研究所發(fā)明了攪拌摩擦焊接技術(shù)。隨著新能源汽車的發(fā)展，續(xù)航里程是影響用戶駕駛體驗的主要因素，提高新能源汽車的輕量化水平，可增加續(xù)航里程。傳統(tǒng)的車身連接工藝已不能很好地滿足發(fā)展需求，各種新材料被應用于新能源汽車制造。例如，為避免鋁合金車身焊接后出現(xiàn)不良性能問題，如出現(xiàn)裂紋氣孔等，越來越多的生產(chǎn)商將攪拌摩擦焊接技術(shù)應用于汽車制造中。

把攪拌摩擦焊接技術(shù)應用于鋁合金連接領(lǐng)域具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。鋁合金材料融化后可能會出現(xiàn)氣孔、裂紋等技術(shù)缺陷，攪拌摩擦焊接在其工作過程中屬于固相連接，不涉及鋁合金的融化和凝固，從根本上杜絕了上述問題的出現(xiàn)。

3 結(jié)語

通過研究發(fā)現(xiàn)，在不同方面實施輕量化技術(shù)所得到的結(jié)果大致相同，即實現(xiàn)整車質(zhì)量的減重。無論是應用新型材料，還是利用計算機輔助工程進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，或是采用先進的材料加工方法，其目的就是通過技術(shù)手段實現(xiàn)汽車的輕量化。輕量化研究是今后汽車的大發(fā)展方向之一，國內(nèi)國際都將持續(xù)深入研究該技術(shù)，輕量化后的汽車將為人類帶來更大的效益。