新能源汽車(chē)輕量化途徑及其評(píng)價(jià)

張超，江鵬飛

（湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 十堰 442000）

前言

在能源匱乏的現(xiàn)代社會(huì)，全球的石油資源都在面臨枯竭。傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)的發(fā)展受到能源和環(huán)境保護(hù)兩方面的限制。能源的匱乏使得燃油汽車(chē)的發(fā)展遇到了瓶頸。人們亟需尋找可以代替石油能源的新能源來(lái)作為替代性能源。目前人們采取鋰電池以及天然氣兩種主要的能源形式代替原本的石油能源，而這兩種能源中終歸有一種能源會(huì)代替燃油車(chē)成為汽車(chē)未來(lái)的發(fā)展方向。在環(huán)境保護(hù)政策的影響下，人們更傾向于使用電力作為汽車(chē)驅(qū)動(dòng)的新能源，而電力與天然氣與以往的石油能源相比純凈無(wú)污染。也正是如此，純電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)前景非常廣闊。

1 新能源汽車(chē)輕量化的必要性

現(xiàn)代社會(huì)在發(fā)展迅速的同時(shí)，近些年來(lái)的能源消耗也大于以往幾十年的能源消耗。現(xiàn)代社會(huì)對(duì)能源需求量逐漸增多。每年花在汽車(chē)上的能源就多不勝數(shù)。從能源的消耗與儲(chǔ)備的占比來(lái)看，現(xiàn)代社會(huì)處在一個(gè)能源匱乏的時(shí)代。合理、節(jié)制地開(kāi)采和規(guī)劃使用能源已經(jīng)成為世界各國(guó)的共識(shí)。我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)大部分是以自然生態(tài)為代價(jià)換取來(lái)的。傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的使用和大范圍的普及加速了能源的損耗和環(huán)境的污染。目前我國(guó)一直在倡導(dǎo)要走綠色可持續(xù)發(fā)展的道路。鑒于我國(guó)提出的發(fā)展戰(zhàn)略和當(dāng)前的能源形式都要求我國(guó)發(fā)展出一種新的能源汽車(chē)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃油汽車(chē)。在新能源汽車(chē)的設(shè)計(jì)方面輕量化的特點(diǎn)又顯得極為重要。新能源汽車(chē)之所以采取輕量化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是可以有效降低汽車(chē)對(duì)能源造成的浪費(fèi)。從這點(diǎn)可以看出輕量化對(duì)于新能源汽車(chē)發(fā)展、制造以及投產(chǎn)使用的重要性。目前世界上對(duì)新能源汽車(chē)輕量化的研究主要遵從三方面。首先是對(duì)新能源汽車(chē)進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì)和分析。這部分的重點(diǎn)是在于找出汽車(chē)輕量化的影響因素和設(shè)計(jì)方案。傳統(tǒng)燃油汽車(chē)經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)的發(fā)展其車(chē)身設(shè)計(jì)、用料都已經(jīng)形成系統(tǒng)的體系。而新能源汽車(chē)卻處在探索和研究的階段。其次是通過(guò)材料替代或者選取新材料的方法解決新能源汽車(chē)輕量化的問(wèn)題[1]。最后是使用最新的生產(chǎn)制造工藝，利用制造工藝對(duì)某種新材料進(jìn)行加工，使之轉(zhuǎn)化為輕量化的結(jié)構(gòu)材料[2]。

2 新能源汽車(chē)輕量化途徑總論

目前新能源汽車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為新能源汽車(chē)設(shè)計(jì)的主要形式。按照汽車(chē)輕量化的原則與標(biāo)準(zhǔn)需要先對(duì)汽車(chē)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。其主要內(nèi)容主要是研究人員利用專業(yè)的工程制圖軟件如 CAD等計(jì)算機(jī)技術(shù)。之后按照新能源汽車(chē)的結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。對(duì)相關(guān)的輕量化材料和零部件需要對(duì)其厚度進(jìn)行靈活分析和修改。零件在設(shè)計(jì)初期需要對(duì)零件的剛強(qiáng)度進(jìn)行分析。為了省去測(cè)量存在的麻煩，研究人員也可以從外部的信息數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中直接查詢到零件的剛強(qiáng)度。將原本繁雜的工作精簡(jiǎn)為幾步，可以快速地提高工作效率。同時(shí)在輕量化的現(xiàn)代車(chē)身制造時(shí)，要有大局意識(shí)，從全局的角度看待哪種車(chē)身設(shè)計(jì)方法更適合現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)。新能源汽車(chē)的輕量化結(jié)車(chē)身設(shè)計(jì)的優(yōu)化可以從不同層面去看。首先是要確定多種輕量化材料的匹配工作，若在新能源汽車(chē)輕量化的設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，出現(xiàn)了輕量化材料與現(xiàn)實(shí)所需不匹配的情況發(fā)生，十分容易產(chǎn)生使用上的錯(cuò)誤。研究新能源汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)可以將其分成不同區(qū)域，一方面減少新能源汽車(chē)上面零部件使用的數(shù)量，其前提必須保證新能源汽車(chē)的性能不會(huì)隨著新能源汽車(chē)零部件的減少而影響整個(gè)汽車(chē)性能的正常發(fā)揮，車(chē)子零部件的減少最終目的在于減重[3]。

經(jīng)過(guò)這種設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)的輕量化，其能夠在未投產(chǎn)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就能夠達(dá)到輕量化的目標(biāo)。設(shè)計(jì)工作一旦成型，生產(chǎn)和制造人員只需要按照?qǐng)D紙的設(shè)計(jì)去進(jìn)行投入，后期就不需要進(jìn)行繁瑣的修改工作。這樣的輕量化實(shí)現(xiàn)方式大大節(jié)約了人力、物力以及財(cái)力的投入，在提高工作效率的基礎(chǔ)上，又減少了工作量。但是這種新能源汽車(chē)的輕量化實(shí)現(xiàn)方式也可能存在一定的問(wèn)題。這種輕量化實(shí)現(xiàn)途徑需要設(shè)計(jì)者具備長(zhǎng)期且豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也需要新能源汽車(chē)最新的數(shù)據(jù)庫(kù)。這種前期對(duì)新能源汽車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)過(guò)于理想，前期大部分都是基于理論的構(gòu)思和設(shè)計(jì)，并未真正進(jìn)行實(shí)踐證明或者說(shuō)該假設(shè)驗(yàn)證過(guò)程較為復(fù)雜[4]。

2.1 輕量化的設(shè)計(jì)和分析

在眾多新能源汽車(chē)輕量化實(shí)現(xiàn)方式當(dāng)中，人們?cè)絹?lái)越傾向于尋找新型材料來(lái)實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)輕量化這一目標(biāo)。就目前來(lái)看，新型材料實(shí)現(xiàn)輕量化的方式占據(jù)了大部分的市場(chǎng)份額。經(jīng)過(guò)人們不斷的探索和實(shí)驗(yàn)，人們目前用于實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)輕量化的新型材料主要有兩種。兩種材料各有優(yōu)缺點(diǎn)。第一類材料屬于高強(qiáng)度材料，其典型的代表有高強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度不銹鋼等。第二類材料屬于輕質(zhì)材料，這類材料的典型代表有鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料、陶瓷以及復(fù)合材料等[5]。

不管使用高強(qiáng)度材料還是輕質(zhì)材料都能實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)輕量化的目標(biāo)。不過(guò)就目前新能源汽車(chē)車(chē)身來(lái)講，不同汽車(chē)使用的輕量化材料不同。目前汽車(chē)車(chē)身使用輕量化材料較為廣泛。目前市面上大部分的汽車(chē)都是采用碳纖維作為汽車(chē)車(chē)身的材料。由于碳纖維單體殼車(chē)身具有輕量化、高扭轉(zhuǎn)剛度、高整合度以及高安全等優(yōu)勢(shì)在汽車(chē)領(lǐng)域得到了廣泛使用。

2.2 采用材料替代或采用新材料

與傳統(tǒng)汽車(chē)所使用的材料相比，采用新材料能夠更好代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車(chē)材料達(dá)到輕量化的目的。目前經(jīng)驗(yàn)證已經(jīng)得知新型材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等一系列的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)能滿足現(xiàn)代人對(duì)于汽車(chē)的大部分需求。并且在很大程度上提升汽車(chē)的整體性能。類似于百米加速、耗油量、續(xù)航里程、舒適度、安全性和穩(wěn)定性都應(yīng)新型材料的使用而得到大幅度的提升。當(dāng)然新型材料優(yōu)點(diǎn)和弊端是并存的。目前新材料的研發(fā)成本高，導(dǎo)致在制造生產(chǎn)方面的造價(jià)也高，很難進(jìn)行大面積的普及和使用。并且由于新型材料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，也給研發(fā)新材料工作帶來(lái)了有一定的難題[6]。

2.3 采用先進(jìn)的制造工藝

新能源汽車(chē)的輕量化還可以采用先進(jìn)的制造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)階段人們利用熱成形技術(shù)與激光拼焊技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化的目的。熱成形技術(shù)是利用熱沖壓高強(qiáng)度鋼板加熱到與奧氏體接近的溫度，通過(guò)一段時(shí)間保溫，使整個(gè)鋼板達(dá)到整個(gè)奧氏體的溫度，在轉(zhuǎn)移到冷卻系統(tǒng)的模具進(jìn)行沖壓。之后再進(jìn)行保壓與冷卻步驟，其目的是提高材料整體強(qiáng)熱成形。經(jīng)過(guò)熱沖壓后的材料抗拉強(qiáng)度會(huì)得到大幅度的提升，這在減輕的車(chē)身質(zhì)量的同時(shí)，又提升了整個(gè)汽車(chē)的安全性，使其更加耐撞。而激光拼焊工藝是為了完善鋼板密度小的問(wèn)題而出現(xiàn)的。目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，通過(guò)將不同材質(zhì)及厚度的零件通過(guò)焊接的方式組成一個(gè)完整零件，之后將其作為一個(gè)整體沖壓成所需零件形狀，這樣大大降低了資源的浪費(fèi)與損耗。利用激光拼焊技術(shù)的汽車(chē)其整體強(qiáng)度要高于傳統(tǒng)的汽車(chē)。并且通過(guò)減少零件的形式，達(dá)到了控制成本，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效益的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，在我國(guó)政策的要求下，新能源汽車(chē)將會(huì)是未來(lái)發(fā)展的大趨勢(shì)。而發(fā)展新能源汽車(chē)則可以有效達(dá)到降低資源損耗和環(huán)境保護(hù)的目的。輕量化汽車(chē)的實(shí)現(xiàn)在提高資源利用率以及提升汽車(chē)各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)技術(shù)的靈活運(yùn)用。