新能源汽車全塑車身設(shè)計(jì)及制造技術(shù)研究

郭瓊琳

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，晉中 030600）

傳統(tǒng)汽車在行駛過(guò)程中，會(huì)排放出大量的尾氣，汽車尾氣中含有大量一氧化碳、二氧化碳、氮氧化合物、硫氧化物以及固體懸浮顆粒，當(dāng)硫氧化物達(dá)到一定濃度時(shí)會(huì)產(chǎn)生酸雨現(xiàn)象，直接影響農(nóng)作物生長(zhǎng)，而且對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害。為了減少汽車尾氣的排放量、改善大氣環(huán)境，近年來(lái)國(guó)家大力發(fā)展新能源汽車，新能源汽車采用非常規(guī)的車用燃料作為汽車動(dòng)力來(lái)源，并綜合車輛的動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)設(shè)置，形成新結(jié)構(gòu)的汽車。它具有環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。但是當(dāng)前我國(guó)的新能源汽車生產(chǎn)制造技術(shù)與美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。因此，分析新能源汽車全塑車身設(shè)計(jì)及制造技術(shù)對(duì)我國(guó)汽車行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 新能源汽車車身結(jié)構(gòu)

本文新能源汽車使用非承載式車身骨架結(jié)構(gòu)，車身由工程塑料通過(guò)滾塑工藝一次成型加工制造而成，汽車零配件集成在汽車骨架上，骨架按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在滿足汽車功能要求的同時(shí)也能確保電池組等零配件的安全。圖1為新能源汽車結(jié)構(gòu)。

圖1 新能源汽車結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的汽車在正面碰撞過(guò)程中，前縱梁會(huì)出現(xiàn)潰縮變形吸收汽車大部分的碰撞能量，碰撞結(jié)束以后，汽車前保險(xiǎn)杠會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的收縮變形。而新能源汽車的動(dòng)力源主要分布在引擎蓋和后車架上，如果其采用傳統(tǒng)的吸收能量方式，那么會(huì)破壞前面的電池組。因此，對(duì)新能源汽車的前縱梁提出更高的要求，前縱梁必須具備一定的剛度，從而確保汽車在正碰過(guò)程中發(fā)生位移小，不會(huì)因?yàn)閿D壓影響到前組電池。所以，通過(guò)正面碰撞仿真軟件分析非承載式全塑車身結(jié)構(gòu)吸收能量的能力，這對(duì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和耐久性具有重要意義。

2 全塑車身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全塑車身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助功能、計(jì)算機(jī)輔助制造一體化技術(shù)將離散拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和汽車的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用有限元分析技術(shù)對(duì)汽車車身結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝和制造工藝進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化布局。由于所選擇的對(duì)象是高分子材料全塑車身，所以整個(gè)車子的設(shè)計(jì)不采用傳統(tǒng)的拼接和焊接方式，而是使用旋塑成型工藝，這種工藝可以加工復(fù)雜曲面的塑料產(chǎn)品，滿足汽車車身外觀線條流暢和曲面圓滑的要求。圖2為全塑車身整體一次成型結(jié)構(gòu)。

圖2 全塑車身整體一次成型結(jié)構(gòu)

在滿足汽車結(jié)構(gòu)性能要求下，全塑車身輕量化設(shè)計(jì)還要盡可能實(shí)現(xiàn)汽車整體車身薄壁化、小型化、復(fù)合化、中空化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀，從而達(dá)到整體車身輕量化的要求。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新能源汽車的主要目的為節(jié)能減排，所以減輕車身結(jié)構(gòu)的重量從而降低燃料的消耗是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵與重點(diǎn)。由于新能源汽車的電池組合和儲(chǔ)氫罐等設(shè)備本身比較重，所以新能源汽車實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化要比普通的汽車難度更高，同時(shí)還要滿足結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度和汽車性能要求。新能源汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)、零件斷面以及鋼板厚度性能的靈敏度。零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式為通過(guò)降低鋼板厚度或者在關(guān)鍵部位增加材料強(qiáng)度，從而達(dá)到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和硬度的要求；優(yōu)化零件斷面是為了確保斷面慣性矩和斷面面積的平衡，通過(guò)優(yōu)化讓零件結(jié)構(gòu)最小斷面達(dá)到最大慣性矩，從而提高汽車車身結(jié)構(gòu)剛度、減輕車身重量。鋼板厚度性能靈敏度優(yōu)化則是根據(jù)車身各個(gè)零件的鋼材厚度建立數(shù)學(xué)模型，在確保車身結(jié)構(gòu)剛度、模態(tài)、耐撞性等情況下，通過(guò)拓?fù)溥\(yùn)算，分析這些零件鋼材厚度的變量對(duì)汽車結(jié)構(gòu)綜合性能的影響，從而提高敏感零件的鋼板厚度，降低其他部分不靈敏鋼材的厚度，達(dá)到降低車身總質(zhì)量的目的。

2.2 汽車車身材料的選擇

汽車車身材料直接影響到車身輕量化目標(biāo)的最終實(shí)現(xiàn)，所以要合理選擇車身材料。主要從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。第一，提高高強(qiáng)度鋼板的比例，這樣能提高車身碰撞性能和耐久性能。目前，國(guó)際上新能源汽車的車型屈服強(qiáng)度在550MPa以上的高強(qiáng)度鋼板占整個(gè)車身材料的30%以上。車分碰撞路徑如A柱、B柱等部位可以采用熱成型工藝，進(jìn)一步提高零件的屈服強(qiáng)度。第二，用輕質(zhì)車身材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼材材料。比較常見(jiàn)的輕質(zhì)材料有玻璃纖維復(fù)合材料、塑料、鋁合金等，將這些材料應(yīng)用在車身外覆蓋件和部分非碰撞的骨架以及面板零件，但是這些輕質(zhì)材料價(jià)格比較貴，目前主要應(yīng)用在一些比較高端的汽車車身。

2.3 優(yōu)化制造工藝

傳統(tǒng)的汽車車身制造一般使用沖壓工藝，由于汽車車身結(jié)構(gòu)的零件比較多，焊接比較復(fù)雜，操作不當(dāng)就會(huì)影響到制造質(zhì)量，所以逐漸被型鋼件、鑄造件以及輕質(zhì)金屬鋁合金材料取代。這些材料不僅能實(shí)現(xiàn)車身的輕量化，而且確保了汽車的安全性和耐久性。

2.4 優(yōu)化汽車空氣動(dòng)力學(xué)

高速公路的快速發(fā)展，極大滿足汽車快速行駛的要求，新能源汽車在設(shè)計(jì)的時(shí)候也要滿足汽車動(dòng)力要求。汽車在高速行駛過(guò)程中，空氣阻力對(duì)汽車的行駛速度造成一定的影響，并增加汽車的耗能。因此，新能源汽車在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須減少空氣對(duì)汽車行駛造成的影響。隨著汽車空氣動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展和汽車制造業(yè)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和風(fēng)洞實(shí)測(cè)技術(shù)為汽車低風(fēng)阻的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了有力的支持。日本的豐田汽車在這方面進(jìn)行了有效的探索。圖3為豐田普銳斯汽車。

圖3 豐田普銳斯汽車

豐田公司生產(chǎn)的普銳斯，該款汽車車身比普通的汽車車身光滑，車頭設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)潔，整體的簡(jiǎn)潔化設(shè)計(jì)有利于減少空氣阻力的影響。普銳斯車身A柱、C柱車身角度和車頭與車尾的角度保持一致，所以將三者有效融合為一個(gè)整體，整體改善空氣氣流的分布。通過(guò)優(yōu)化空氣動(dòng)力學(xué)，豐田的普銳斯風(fēng)阻系數(shù)降低到0.25，而普通汽車的風(fēng)阻悉數(shù)為0.3～0.5，所以在行駛速度方面更具有優(yōu)勢(shì)。汽車外形的簡(jiǎn)潔化和一體化不僅能優(yōu)化汽車空氣動(dòng)能，而且能讓車子外觀更加簡(jiǎn)潔流暢，將成為未來(lái)新能源汽車車身設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

3 結(jié)語(yǔ)

新能源汽車是未來(lái)汽車發(fā)展方向，輕量化技術(shù)是汽車節(jié)能、減少污染的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)輕量化技術(shù)優(yōu)化汽車車身結(jié)構(gòu)和布局，減低汽車的排放量和能源消耗，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求。但是由于我國(guó)新能源汽車起步比較晚，相關(guān)技術(shù)還不是很完善，所以在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局方面要積極學(xué)習(xí)西方國(guó)家設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從而促進(jìn)我國(guó)新能源汽車進(jìn)一步發(fā)展。

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