A0級(jí)電動(dòng)車車身輕量化技術(shù)研究

張立強(qiáng)

（阿爾特汽車技術(shù)股份有限公司，北京 100076）

0 引言

隨著環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，新能源汽車成為當(dāng)下汽車發(fā)展的主要產(chǎn)物。輕量化技術(shù)變得越來越重要，已成為提升車輛性能和整車競(jìng)爭(zhēng)力的必然途徑之一。從輕量化技術(shù)的內(nèi)涵來看，需要在滿足產(chǎn)品功能的要求和成本控制的條件下，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、多材料與多種制造技術(shù)集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品減重。本文就對(duì)某A0級(jí)純電動(dòng)車項(xiàng)目車身輕量化方案展開研討。

1 車身輕量化的主要途徑

在車身設(shè)計(jì)過程中，主要可從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、材料輕量化、制作工藝的改進(jìn)以及集成化設(shè)計(jì)角度實(shí)現(xiàn)車身質(zhì)量的減輕。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

車身結(jié)構(gòu)參數(shù)化多學(xué)科性能優(yōu)化；板厚靈敏度優(yōu)化；零部件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1.2 材料輕量化

提高高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用 （屈服強(qiáng)度≥340Mpa）比例；鋁合金輕質(zhì)材料應(yīng)用；塑料復(fù)合材料應(yīng)用；碳纖維材料的應(yīng)用。

1.3 制造工藝創(chuàng)新

熱沖壓零部件開發(fā)技術(shù)；擠壓成型；激光拼焊板。

1.4 集成化設(shè)計(jì)

塑料前端模塊集成設(shè)計(jì)；鑄造鋁合金零部件集成設(shè)計(jì)；車身骨架集成設(shè)計(jì)。隨著制造工藝的創(chuàng)新，鑄造鋁的精度越來越高，由集成式鋁骨架結(jié)構(gòu)替代焊接式鋼車身結(jié)構(gòu)，可以大大的降低車身重量。

2 某項(xiàng)目輕量化實(shí)例

鋁合金在車身的應(yīng)用主要有全鋁車身結(jié)構(gòu)、鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)。鑒于現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝和制造、維修成本，多數(shù)采用鋼制焊接車身骨架+活連接鋁合金分總成形式的車身結(jié)構(gòu)，能夠有效的控制成本和達(dá)到一定的輕量化程度。本項(xiàng)目就采用了此方案，采用鋁合金的主要零部件有：翼子板、機(jī)蓋內(nèi)外板、前防撞梁總成、后防撞梁總成、EV托架總成。如圖1所示鋁材質(zhì)的分布位置。

圖1 鋁合金的分布位置Fig.1 Distribution position of aluminum alloy

2.1 前防撞梁總成

目前國(guó)內(nèi)鋁合金防撞梁已普遍使用，通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，單位重量的鋁在碰撞中吸收能量是鋼的2倍，質(zhì)量比鋼輕很多，輕量化的效果相當(dāng)明顯。圖2為某A0級(jí)轎車前防撞梁結(jié)構(gòu)。

圖2 前防撞梁Fig.2 Bumper Beam FR

圖3為兩種材料的截面對(duì)比，鋁防撞梁料厚2.5mm，“目”字形截面，這種截面形狀X方向的抗彎截面系數(shù)比較高，對(duì)正碰力的傳遞比較有利，具體對(duì)比分析見表1和表2。

圖3 截面對(duì)比Fig.3 Comparison of section

表1 截面系數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of section factor

表2 前防撞梁對(duì)比分析Tab.2 Comparison and analysis of Bumper Beam FR

從上表得出鋁制前防撞梁比鋼制的輕2.58kg，通過截面系數(shù)以及材料性能對(duì)比，雖然鋼板的許用強(qiáng)度是鋁板的2倍左右，但是從截面系數(shù)計(jì)算得出，鋁的截面系數(shù)W1是鋼的1.8倍。對(duì)比可以得出如果前防撞梁鋁和鋼達(dá)到同樣的強(qiáng)度，鋁比鋼的質(zhì)量能夠減少40%左右，所以減重效果比較明顯。

2.2 后防撞梁總成

對(duì)比形式同前防撞梁。下圖為不同材料的后防撞梁結(jié)構(gòu)。鋼材質(zhì)的采用沖壓而成，鋁合金材質(zhì)的采用擠壓的形式，截面形狀設(shè)計(jì)為“日”字形，截面尺寸也相對(duì)前防撞梁小。

經(jīng)過對(duì)比，后防撞梁總成減重0.166kg，根據(jù)前防撞梁對(duì)比分析，鋼鋁材料達(dá)到相同的強(qiáng)度，鋁防撞梁減重能達(dá)到40%，雖然后防撞梁減重很少，說明強(qiáng)度要比鋼制的高很多。

圖4 鋼制后防撞梁結(jié)構(gòu)Fig.4 Steel bumper ream RR structure

圖5 鋁制后防撞梁結(jié)構(gòu)Fig.5 Aluminum bumper beam RR structure

2.3 翼子板

翼子板的輕量化主要是從材料和料厚方面著手考慮。為了降低翼子板的料厚并滿足外覆蓋件的抗凹性。鋁翼子板要滿足相同的抗凹性，比鋼材質(zhì)的質(zhì)量會(huì)減少很多。同尺寸翼子板鋼鋁詳細(xì)對(duì)比見表3。通過分析得出，鋁翼子板比鋼翼子板減重50%左右。

表3 詳細(xì)對(duì)比Tab.3 Comparison in details

翼子板抗凹性CAE分析

工況1：采用直徑25mm的剛性壓頭進(jìn)行加載，施加30N與外板垂直方向的載荷。

工況2：采用直徑25mm的剛性壓頭進(jìn)行加載，加載至400N。

工況3：卸載400N，察看殘余變形。

圖6為施加力點(diǎn)分布圖以及表1為分析結(jié)果。

目標(biāo)值：30N最大位移<1mm，100N最大位移<3.5mm。

結(jié)論：通過鋼、鋁翼子板的抗凹性分析結(jié)果與目標(biāo)值對(duì)比，都滿足目標(biāo)值要求。

圖6 抗凹性點(diǎn)分布圖Fig.6 Distribution diagram of dent resistance

表4 分析結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison of analysis results

2.4 EV托架總成

EV托架布置在機(jī)艙內(nèi)，主要承載電機(jī)控制器，充電機(jī)等大型零部件，兩側(cè)通過螺栓與車身左右縱梁連接。如圖7和圖8所示。

EV采用6061-T6的鋁合金型材，通過MIG焊的形式連接，選用螺栓與車身連接。

圖7 EV托架的大體布置Fig.7 Layout of EV Frame

擠壓鋁的斷面尺寸根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和其他車型的調(diào)研定義為 40×30×2.5mm。通過前防撞梁鋼鋁的截面系數(shù)計(jì)算對(duì)比，鋼鋁EV托架要達(dá)到相同的承載能力，鋁結(jié)構(gòu)要比鋼結(jié)構(gòu)輕40%左右。

圖8 EV托架的大體結(jié)構(gòu)Fig.8 EV Frame Structure

根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算得出EV托架總成質(zhì)量為3kg，沖壓鋼板EV托架5Kg，減重40%。

2.5 機(jī)蓋內(nèi)外板

對(duì)于開閉件的四門兩蓋來說，采用鋁材料最大的難點(diǎn)就是沖壓工藝性。機(jī)蓋總成相對(duì)比較獨(dú)立，拉延深度較淺，不受車身專業(yè)的限制，所以機(jī)蓋內(nèi)外板采用沖壓鋁結(jié)構(gòu)。

鋼、鋁機(jī)蓋總成對(duì)比：定義機(jī)蓋內(nèi)外板材料為 6016-T4，料厚1.0mm。圖9為機(jī)蓋總成的爆炸圖。

從表5和表6計(jì)算得出鋁鈑金機(jī)蓋總成的總質(zhì)量為6.52kg，鋼制機(jī)蓋總成的總質(zhì)量為11.38kg。通過對(duì)比分析得出，減重4.86Kg，比重43%。

圖9 機(jī)蓋總成的爆炸圖Fig.9 Hood Assy Explosive view

表5 鋁制機(jī)蓋總成明細(xì)表Tab.5BOM of aluminum hood assy

表6 鋼制機(jī)蓋總成明細(xì)表Tab.6 BOM of steel hood assy

機(jī)蓋抗凹性CAE分析，同翼子板類似，鋁合金材質(zhì)的機(jī)蓋同樣能滿足相關(guān)的抗凹性要求。

經(jīng)過以上方案對(duì)比分析，在成本可控的前提下，通過采用部分鋁制零件的方案，大大降低了車身總質(zhì)量，并且保證了車身的性能。表7為以上方案的質(zhì)量對(duì)比匯總。

表7 質(zhì)量對(duì)比匯總Tab.7 Weight comparison summary

從表7分析得出，本項(xiàng)目采用鋁合金材料的零部件為：前防撞梁總成、后防撞梁總成、翼子板、EV托架總成、機(jī)蓋鈑金總成。共減重11.562kg，減重率41.5%。

3 結(jié)論

經(jīng)過本項(xiàng)目輕量化技術(shù)研究，在現(xiàn)有成熟的制造工藝水平上，在成本可控的前期下，A0級(jí)純電動(dòng)車的輕量化采用“鋼制骨架車身+活連接鋁合金總成”的結(jié)構(gòu)方案是比較成熟的。