江鈴新能源EV車輕量化設計

聶小勇 袁優勇 余永霞

摘 要：人類賴以生存的地球空間，厄爾尼諾現象頻發，人們已經意識到，我們需要一個綠色、環保的世界，于是各國加大了對大氣污染的整治，而傳統燃油車的尾氣排放作為大氣污染的罪魁禍首之一，各國除了不斷提升加大排放標準以外，新能源汽車的發展已成為世界各國從國家層面予以支持的交通工具。新能源汽車主要向電動化、智能化和輕量化發展，其中輕量化的研究開發，在新能源汽車上為提高行駛里程，加大整車能量密度上，不斷得到應用和提升。江鈴集團新能源開發的EV車型，在輕量化上做了比較系統的分析開發，主要針對車身、裝飾件部分做了較多的輕量化開發，從材料選用、結構優化、新工藝利用和系統集成化開發等方面進行系統零部件減重，從而實現降低整車重量，提高整車能量密度，增加行車里程，同時通過CAE分析，能夠滿足整車的NHV性能、C-NCAP星級碰撞、以及車身飾件整車剛強度的設計要求。

關鍵詞：輕量化;材料;結構;性能;能量密度

一輛整車的開發，經由各系統集成整合而成，必須滿足整車NVH性能、C-NCAP碰撞以及車身飾件的彎曲扭轉剛度等的要求，為了保證有限電量的前提條件下，車輛行駛里程更長，需對整車進行輕量化設計，提高整車能量密度。輕量化設計路徑主要從輕質材料的選用、結構斷面的優化、新工藝應用以及集成模塊化設計等方面進行綜合考量，使得整車即滿足各種工況下的性能要求，又能續航更長的行駛里程。這里主要對江鈴新能源EV車型的車身鈑金、內外裝飾件進行輕量化設計應用分析。

1 車身輕量化設計

車身設計包含了如下所示的七大要素-安全、耐久、NVH、功能、工藝、成本及重量。其中，安全、NVH、耐久代表了車身性能表現;車身設計質量的評價標準取決于這七大要素之間的平衡程度。用最小的成本、重量和工藝投入換來最優的安全性、NVH表現、耐久性并實現相應的車身功能，見圖1。

汽車輕量化技術是結構設計、材料、工藝的集成應用，主要途徑有：

（1）優化設計（如先進的框架結構車身設計）

（2）高強度的結構材料（如高強鋼、鋁合金）

（3）先進的制造工藝（如板材/管材液壓成形技術）其中輕量化材料及其連接技術是關鍵問題，見圖2。

江鈴集團新能源車型的車身設計為了實現輕量化，在材料應用上有全鋁車身和鋼鋁混合車身，鋼鋁混合白車身下車身零件材料主要采用沖壓鋁和高強度鋼的方式實現輕量化，鋼、鋁連接時，為防止電腐蝕，需在鋼與鋁連接部位涂隔離層。同時，為保證鋼、鋁連接強度，需先涂粘接膠，然后使用鉚釘SPR連接;門檻邊梁、側圍板加強板等采用熱成型鋼;翼子板總成根據造型全新設計，材料為鋁合金（材料：6016-T4）;前端框架將水箱上橫梁總成、水箱下橫梁總成、左/右前立柱總成集成，一次性注塑成型，結構實現模具、裝焊、材料、重量等成本降低;充電口蓋總成材料為復合材料;前防撞梁總成采用鋁合金材料。

熱成型材料重量占比29%，高強度鋼重量占比38%，普通鋼占比26%，鋁材料重量占比5%，其它材料重量占比2%。

開閉件設計前艙蓋總成采用全鋁前艙蓋，滿足CNCAP行人保護五星級要求;后行李箱蓋外板采用上、下分件形式，內板后組合燈處進行分件處理，外板下板采用復合材料;前后門總成為整體沖壓式結構車門，窗框結構形式采用半包式結構設計，內板及加強板進行結構匹配，并需滿足側碰、NVH及扭轉折彎剛強度性能要求，見下圖。

2 裝飾件輕量化設計

內外飾輕量化四大基本方案為減料厚薄壁化、輕質材料的選用、以塑代鋼和模塊化設計。

（1）汽車內外飾的薄壁化設計與車身采用高強度鋼提高模態達到車身減重目的相類似，汽車內外飾使用材料大多為非金屬復合材料，通過提高材料的彎曲模量和拉伸強度就能在保證產品性能基礎上降低壁厚，從而減輕零部件的重量。如生產汽車塑料保險杠，所選用的材料如果能夠將彎曲模量由1300MP提高到2000MP，則產品壁厚就能由3mm降到到2.5mm，減重15%以上。

（2）輕質材料的使用能帶來非常直接的輕量化效果。在當前的主流設計中，輕質合金、復合材料的使用越來越廣泛。內外飾材料中，PP改性材料由于來源廣泛、價格低廉，其使用量最大。內飾產品中，低密度的PP材料內飾板比傳統的內飾板能減重8-15%。采用EIPP化學發泡技術的零件相比傳統注塑件減重20%左右，并且生產效率更高，外觀尺寸更穩定。比如在門護板上的應用，實體注塑1.5mm，發泡后壁厚2.8mm，不僅實現了較大程度的減重，并且比同重量的實體注塑有更高的強度。天然纖維填充PP能比傳統的礦物填充PP減重10%;PHC紙質蜂窩做行李艙隔板比傳統的PP木粉板減重30%，并且無異味，無VOC;用PHC制造的發動機蓋比傳統的金屬沖壓件能減輕50%的重量。

（3）由于塑料的密度只有鋼的1/4—1/7，在滿足同等強度和剛度情況下能實現減重30-50%。其中長玻纖增強聚丙烯材料不僅具有高強度、高剛性、好的沖擊強度、抗蠕變性能和高尺寸穩定性，而且資源豐富，成本較低，同時還具有良好的流動性可以做出形狀復雜的汽車部件，已得到汽車行業的認可。內外飾的“以塑代鋼”應用中比較有代表性的就是全塑尾門的應用。目前市場上銷售的汽車絕大部分的汽車背門都是金屬沖壓成型的，包含外板、內板、加強板以及內飾板等，零件數量多，結構復雜。全塑汽車后背門采用SMC或長玻纖PP復合材料做內板、PP礦粉填充材料做外板，通過粘結方式將內、外板粘結到一起。塑料后背門與金屬門相比有更高的集成度和設計自由度，零件數量減少60%，模具費用節省一半，實現減重30-40%。

（4）汽車配件設計的模塊化是汽車設計開發的趨勢，目前主要有駕駛艙模塊、頂棚系統，車門模塊、前端模塊、地毯與減震墊集成、防火墻模塊等。未來十年，模塊化設計將會得到快速的發展。如將儀表板、儀表板橫梁、空調系統等零件集成到一個模塊上，通過機械手安裝到車身上，既能實現減重又能提高裝配效率。

江鈴集團新能源新開發車型在內外飾設計方面也從多方面進行了輕量化解決方案，前后保在滿足低速碰撞行人保護等前提條件下薄壁化處理，由一貫保守的壁厚3.5mm減薄為2.6mm;主副儀表臺本體及門護板本體選用微發泡材料（PBT+ABS），可降重10%;后備箱裝飾件均選用熱壓成型軟內飾材料;輪罩擋泥板裝飾件采用PET/PP無紡棉輕質材料。以上為通過薄壁化、輕質化材料選用和模塊化設計路徑實現內外飾材料的輕量化，見圖4。

內外飾輕量化目前還存在著幾方面的風險問題，材料環保問題、計算分析問題和成本問題，內外飾輕量化設計對設計人員的設計能力、材料的性能和供應商的制造能力都有較高要求，這對于江鈴集團新能源乃至國內大多數的主機廠和供應商都是個很大的挑戰，但是隨著國外一些新材料、新技術、新工藝的引進，必然會對主機廠和供應商的能力提升產生很大的促進作用，使得國內內外飾產業鏈整體能力得到大幅提升。

3 輕量化設計CAE碰撞及剛強度分析

江鈴集團新車型車身和內外飾輕量化的設計方案，通過CAE分析材料的選用以及結構的優化，碰撞分析和剛強度分析均基本能夠滿足目標要求。

根據數據模型正碰和側碰仿真分析，CAE仿真分析優化，正碰中B柱加速度峰值得到明顯改善，其峰值脈寬基本能滿足要求，縱梁變形模式較為正常，前圍入侵降低明顯;偏置碰中B柱加速度峰值及前圍板入侵量得到少量改善，縱梁前中段壓潰變形模式較好，其中前圍及關聯區域入侵還需進一步優化;B柱及前門入侵量均有明顯降低，所有考查項滿足目標要求;B柱下段及門檻內板區域強度得到提升，整體側面入侵變形均有改善，見圖5。

基于白車身三維數據模型，采用慣性釋放，模型無約束，根據輸入狀態，ADAMAS計算輸出硬點載荷，工況分析均滿足目標要求。

基于儀表臺三維數據模型，儀表板與車身連接處全約束，空調與車身連接處約束（X，Y，Z）平動方向，施加1G重力，目標值最大位移小于2mm，分析均滿足目標要求，見圖6。

能源與環境危機，加上碳排放也更為嚴格（國內在2020將采用國Ⅵ的排放標準），迫使新能源汽車把汽車輕量化設計成為目前改善能耗問題的必要途徑之一。江鈴新能源也已把輕量化技術作為三大技術平臺方向之一做了大力投入，從結構上優化設計同時，在控制成本的前提下，從輕質材料和新工藝上提升應用比例，設備工裝上做先期規劃改造，在新車型開發過程中，輕量化作為重要指標進行目標管控，對提高整車能量密度、車輛控制穩定性、碰撞安全性都大有裨益，從而實現等同電量的條件下，進一步加大行車里程。