新能源汽車結構輕量化設計

張露

摘 ?要：隨著社會經濟的發(fā)展，新能源汽車生產技術水平不斷提升，質量越來越輕，朝著節(jié)能低碳的方向發(fā)展。與以往新能源汽車相比，人們對汽車質量要求越來越高，這就要求新能源生產企業(yè)結合自身生產技術，不斷研發(fā)新的制造技術，利用高新電子設備，實現(xiàn)車輛的輕量化設計，滿足客戶多樣化的需求，創(chuàng)造更多的生產效益。

關鍵詞：新能源;汽車;結構;輕量化;設計

1新能源汽車身輕量化的原因

隨著當前汽車生產行業(yè)的迅速發(fā)展，汽車生產技術水平不斷提升。與此同時，國家對汽車耗能提出了更高的標準和要求。2012年，我國出臺了《節(jié)能與新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020）》規(guī)定，到2020年，乘用車平均燃料消耗量要達到5.0L/100km，節(jié)能型乘用車要達到4.5L/100km。其中汽車輕量化可以有效實現(xiàn)汽車節(jié)能減排的目標。

在燃油汽車和電動汽車同時減重10%的前提下，會縮短制動距離，減少加速時間，降低噪音和振動性。其中燃油汽車可以減少10%的排放量，減少5%-8%的能耗。電動汽車可以節(jié)省4%-5%的電量，提升電動汽車的形成，延長續(xù)航里程，減少電池消耗成本。在進行新能源汽車增重水平判斷上，增重小于等于5%，處于汽車身纏領先水平;增重大于30%，這種類型的汽車不具有產業(yè)化的價值。與國外同類產品相比，我國新能源乘用車重15%-30%;新能源商用車普遍重10%-15%。隨著電動化技術和智能化技術的發(fā)展，生產企業(yè)通過實現(xiàn)汽車的輕量化，可以降低實際產生的能耗，保證車輛的耐久性和動力性。在進行新能源汽車車身輕量化設計過程中，設計人員要結合新能源汽車的特點，從整體上進行優(yōu)化設計，從而滿足設計目標的要求，創(chuàng)造更多的經濟效益和社會效益。

2新能源汽車車身輕量化設計方法分析

2.1進行輕量化的設計

在進行新能源汽車設計過程中，設計人員需要從汽車整體布局出發(fā)，充分利用計算機CAD技術，優(yōu)化設計新能源汽車方案，選擇最優(yōu)布局，提升整體結構的合理性，尤其在關鍵環(huán)節(jié)設計上，需要充分考慮到新能源汽車安全性能、動力性能以及節(jié)能性能，有效降低汽車能耗，防止對周圍環(huán)境產生不良影響。在新能源汽車行業(yè)迅速發(fā)展的背景下，對汽車動力性能提出了更高的要求和標準，要求效率高、可靠性高、體積小，保證質量輕，降低實際耗能，減少實際的污染排放。從當前發(fā)展趨勢上看，新能源汽車一直朝著輕量化的方向發(fā)展，CAE技術在當前新能源設計過程中得到了廣泛的應用，設計人員可以采用拓撲設計方案，在保證汽車整體剛度的前提下，不斷減少總體重量，保證實際的剛度。就目前而言，拓撲優(yōu)化方法主要應用在連桿蓋、主軸承蓋等方面的設計，獲得了不錯的效果。比如福特公司對利用拓撲優(yōu)化連技術，減少汽車總重量的17%，實現(xiàn)了輕量化的設計。奧迪利用拓撲軟件，對發(fā)動機支架進行全面的優(yōu)化，提升發(fā)動機的自振頻率，重量減輕了20%，并且在主軸承蓋優(yōu)化設計過程中，汽車自重減輕了22%。因此，設計人員在初次設計過程中，需要利用CAE軟件，分析零部件的強度，廣泛搜集相應的數(shù)據(jù)，提升的強度和剛度，保證實際設計的效率。另外，設計人員要從整體出發(fā)，進行多目標全局優(yōu)化的方式，確定相應的技術參數(shù)，保證新能源汽車各個零部件與輕量化材料的匹配，從而減少內部零件的使用數(shù)量，實現(xiàn)車身重量減輕的目標。通過在設計初期對車身輕量化設計，可以提升設計的預見性，防止后續(xù)出現(xiàn)頻繁更改的問題，最大限度降低實際生產的成本，降低設計人員的工作強度和數(shù)量。但是受到傳統(tǒng)設計理念的影響，在設計過程中存在的一定缺陷，設計人員需要充分更新數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行全面的驗證，保證設計質量。

2.2新能源汽車車身輕量化設計材料分析

①高強鋼。高強度鋼可分為普通高強度鋼和先進高強度鋼（AHSS）。普通高強鋼主要包括烘烤硬化（BH）鋼、無間隙原子（HSS-IF）鋼和高強度低合金（HSLA）鋼等;AHSS主要包括雙相（DP）鋼、復相（CP）鋼、孿晶誘導塑性（TWIP）鋼、相變誘導塑性（TRIP）鋼、馬氏體（MS）鋼、熱成形（PH）鋼及淬火延性（QP）鋼等。②鋁合金。鋁合金體積質量小，僅為鋼的1/3，易于擠壓成型，具有良好的耐腐蝕性、良好的強度和韌性。鋁制轎車車身比鋼制的質量減輕超過40%，鋁車輪比鋼車輪質量減輕30%，《路線圖》中更是把2030年單車用鋁量超過350kg作為發(fā)展目標。③碳纖維復合材料。碳纖維增強復合材料有著絕佳的物理特性：比鋁輕30%、比鋼輕50%，強度卻是鋼的7～9倍，其中以樹脂和金屬為基體的復合材料在車身上的應用較為成熟，具有應用于車身制造的諸多優(yōu)勢。據(jù)測算，碳纖維復合材料的應用可以使汽車車身和底盤質量減輕40%～60%。而碳纖維復合材料零部件的應用，能比同類鋼質零部件質量減輕50%以上，比鋁制部件質量減輕30%以上。

3輕量化的重要作用及展望

對于傳統(tǒng)燃油車而言，先進的發(fā)動機技術與實現(xiàn)汽車整車質量的輕量化是其節(jié)能減排的有效方式。但是目前隨著發(fā)動機先進制造技術提升強度的日益增大，輕量化已經成為目前汽車工業(yè)實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標的最有效措施之一。隨著新能源汽車技術的日益發(fā)展和各國政府的激勵政策，以電動汽車為代表的新能源汽車將成為各國解決汽車工業(yè)節(jié)能減排的必然趨勢。目前在沒有成熟的基礎設施、沒有足夠快的充電方式等條件下，電動汽車發(fā)展的瓶頸是續(xù)航能力問題，而輕量化能顯著提高電動車的續(xù)航能力。汽車的輕量化是指在保證汽車性能按安全性的前提下，實現(xiàn)整備質量的降低。汽車輕量化不僅是車身的輕量化，還包含傳動設備、電池等的輕量化。新能源汽車的輕量化技術可以從結構優(yōu)化設計、輕量化材料和先進制造工藝3個方面進行。在汽車輕量化材料方面，呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢，單一的材料已不足以保證汽車的強度和剛度要求，因此，在未來汽車輕量化材料的解決方案中，更傾向于多種材料的組合，以充分利用各種材料的優(yōu)勢。此外，通過技術改進降低材料的成本，減少稀缺金屬的使用量，提高材料的利用率，開發(fā)兼具更好的環(huán)保性和可回收性的新材料，也是當前輕量化材料研究的熱點和發(fā)展趨勢。現(xiàn)階段對于傳統(tǒng)車而言，采用鋁合金、鎂合金、高性能鋼、纖維增強復合材料等輕質材料是最成熟的輕量化方法，輕質材料的使用主要有3種模式，分別是結構件以金屬為主，碳纖維等復合材料加強;車體上部是碳纖維等復合材料，底盤為鋁合金材料;金屬和復合材料等多種材料組合。因此，對于新能源汽車的輕量化而言，采用輕質材料是目前成熟度最高、可行性最高的方法。根據(jù)文獻研究預測未來5年電動汽車輕量化需求的五大材料，分別是熱塑性復合材料、高性能鋼、熱固性復合材料、鋁合金和鎂合金。

結語：

為了提升新能源汽車車身進行輕量化設計質量，設計人員要結合實際情況，嚴格按照既定的標準，對車輛整體進行優(yōu)化設計，有效提升新能源汽車設計的耐久性和安全性。同時在實際設計過程中，設計人員要盡量選擇新型輕化的材料，不斷提升車輛性能，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標，推動新能源汽車的良性發(fā)展。

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