新能源汽車輕量化技術(shù)路線和應(yīng)用策略

田 萌

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，河南 新鄭 451191)

0 前言

近年來，新能源汽車發(fā)展迅速，中國汽車協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，2020年我國新能源汽車的銷量高達(dá)80萬輛，僅上半年的銷量同比增長為112%。據(jù)專業(yè)人士推測， 到2025年燃油車數(shù)量將達(dá)到峰值，總體將呈每年下降趨勢，到2035年新能源汽車的總產(chǎn)量有望超過傳統(tǒng)汽車。

根據(jù)環(huán)境保護(hù)和燃油消耗相關(guān)法律法規(guī)政策，車輛輕量化已成為實現(xiàn)節(jié)能減排的必要措施。有試驗表明，傳統(tǒng)汽車的總質(zhì)量減少10%，耗油量可下降6%～8%，同時二氧化碳排放量也將減少。

新能源汽車輕量化研究的重點是車身、內(nèi)外飾件、底盤和動力系統(tǒng)這4部分。針對車身和底盤，利用輕量化材料減重，車身以熱成型后的高強(qiáng)度鋼為主，底盤以鋁合金材料為主，未來兩者將被廣泛應(yīng)用于汽車制造。此外，工藝和有限元法設(shè)計也可實現(xiàn)汽車輕量化，除了應(yīng)用最廣的熱成型技術(shù)，也可應(yīng)用其他主流技術(shù)，如液壓、激光焊、熱成型沖壓制造工藝等。新能源汽車輕量化設(shè)計和分析法主要有2種：① 通過零件組合，運(yùn)用模塊化減重；② 拓?fù)鋬?yōu)化分析，利用精確算法合理優(yōu)化零部件的尺寸和形狀。

結(jié)合上述方法，開展新能源汽車輕量化研究，對推動新能源汽車發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

1 新能源汽車輕量化技術(shù)路線

1.1 概述

新能源汽車推廣及發(fā)展的最大阻礙是其續(xù)航能力有限，這是它相較于傳統(tǒng)燃油汽車的弱勢，是需要改進(jìn)的重中之重。車身自重是影響續(xù)航里程的重要因素，考慮到環(huán)境保護(hù)、節(jié)約資源、降低動力電池生產(chǎn)成本和提升續(xù)航能力，新能源汽車的輕量化發(fā)展勢在必行。實現(xiàn)輕量化的方式主要是采用先進(jìn)的成型工藝、新型輕質(zhì)材料應(yīng)用及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

1.2 新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化

結(jié)構(gòu)輕量化是指汽車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計與優(yōu)化。采用先進(jìn)的CAE軟件技術(shù)進(jìn)行分析，優(yōu)化相應(yīng)的零部件，使其能夠滿足強(qiáng)度、剛度、碰撞安全性、疲勞壽命、成本等多方面性能要求。結(jié)構(gòu)性分析主要是以制定相應(yīng)的法律法規(guī)為前提，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)性參數(shù)，提高材料利用率。這樣既可去掉多余的組成部分，又可實現(xiàn)零部件的薄壁化、中空化、小型化及復(fù)合化，滿足結(jié)構(gòu)輕量化。

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)中，采用最多是拓?fù)鋬?yōu)化，它是在給定負(fù)荷情況、約束條件和性能指標(biāo)的情況下，優(yōu)化指定區(qū)域的材料，其精確性較高。在汽車制造過程中，利用拓?fù)鋬?yōu)化可以在均勻分布的材料設(shè)計空間選擇最優(yōu)分布方案。

在輕量化領(lǐng)域，同時針對材料及結(jié)構(gòu)的研究較少。在汽車輪轂輕量化技術(shù)中，采用材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法分析輪轂。首先，根據(jù)材料功能進(jìn)行搭配；然后，采用尺寸優(yōu)化的方法，合理優(yōu)化最大力位置；最后，采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)進(jìn)一步減輕輪轂質(zhì)量。

底盤是汽車的重要組成件，底盤輕量化主要包括4個方面。① 懸掛系統(tǒng)：主要對其橫向控制桿、螺旋彈簧和系統(tǒng)控制臂進(jìn)行輕量化處理；材料方面，采用碳纖維復(fù)合材料、鑄鋁件及高強(qiáng)度鋼；結(jié)構(gòu)方面，將控制桿制成空心。② 行駛系統(tǒng)：其輕量化方向主要考慮車輪，輪轂可采用鎂合金鍛造件，輪胎可采用性能好的天然橡膠。③ 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：對其轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，或采用輕質(zhì)合金及碳纖維實現(xiàn)其輕量化。④ 制動系統(tǒng)：其輕量化方向是實現(xiàn)系統(tǒng)的集成化，制動盤可制成組合式，材料可采用鋁合金。

汽車底盤的輕量化需要通過新結(jié)構(gòu)、新材料及新工藝的有機(jī)結(jié)合來實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化以橫臂為例，通過成熟的分析法，實現(xiàn)有效改進(jìn)，可減重約50%。新材料主要針對轉(zhuǎn)向系，以低密度和高強(qiáng)度材料為主，如擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)等采用鋁合金材料制造，相對傳統(tǒng)材料可減重40%～50%。新工藝是通過各種先進(jìn)成型技術(shù)，對零件進(jìn)行加工處理。

承載式和非承載式這2類車身的輕量化技術(shù)路線不完全相同。對于承載式車身，輕量化技術(shù)發(fā)展路線有3個方向：① 打造全鋁復(fù)合型車身；② 在鋁中添加一定劑量的鋼，制成鋼鋁混合車身；③ 制造多材料復(fù)合車身，該技術(shù)路線以碳纖維材質(zhì)車身為主。這3個發(fā)展方向仍有需解決的問題，如完善材料制作方案，對制作好的材料進(jìn)行性能模擬，以提高模具的技術(shù)制造水平及不同材料之間的連接技術(shù)等。

2 輕量化工藝

2.1 先進(jìn)制造工藝及其應(yīng)用

為應(yīng)對輕量化材料存在成型困難的問題，采用液壓成型工藝。不同于沖壓成型，液壓成型的工作機(jī)理是利用液體作為工作介質(zhì)，一般為液體狀態(tài)的水或油。相較于沖壓成型制造的零件，經(jīng)過液壓成型處理的零件質(zhì)量控制能力較高，可進(jìn)一步擴(kuò)展零件成型的極限。零件是通過模具定型的，采用液壓成型可降低少數(shù)模具的開發(fā)成本，這也降低了汽車制造的總成本。目前，針對表面較復(fù)雜且對精度要求高的零件，如汽車翼子板等，會采用液壓成型的方法。

為進(jìn)一步提升零件性能，國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了深入研究。車身的外覆蓋件凹槽較少，適合采用板材液壓成型技術(shù)，可減少厚度，達(dá)到輕量化效果。對于2個及以上的管制部件，也可采用管材液壓成型技術(shù)。該技術(shù)主要被用于制作傳動軸零件、側(cè)門橫梁、車頂支架等。管材液壓技術(shù)可以降低零件制造成本11.00%，降低設(shè)備成本14.00%，并減小零件質(zhì)量7.3%。除上述方法，還有其他更先進(jìn)的液壓成型技術(shù)，如差溫充液拉深技術(shù)、超聲波振動充液拉深法、成對液壓成型技術(shù)等。

激光焊接主要是通過高能激光束對輕量化激光材料進(jìn)行加工的精密焊接方法。對于傳統(tǒng)的連接方法，連接處面積較大，會增加汽車整體質(zhì)量，而精密焊接方法基本僅有1個焊點，可大大減小相連處的質(zhì)量，是一種可行的輕量化方式。激光焊接技術(shù)主要應(yīng)用于汽車零部件、排氣管、車身等的生產(chǎn)制造。在成熟的車間流水線上，廣泛應(yīng)用激光焊接方式，且基本采用人工智能作業(yè)。激光拼焊板工藝被運(yùn)用于該過程，可減少制件數(shù)目、減薄局部鋼板、去除點焊凸緣，最終實現(xiàn)輕量化。

2.2 鋁合金車身連接技術(shù)

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)主要有以下2個優(yōu)點：① 焊接性能好，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)融合了激光與電弧的優(yōu)點，具有加熱范圍廣和高能密度的特點，獲得高密度及高能量的熱輸入，可有效減少焊接裂紋。② 焊接效果穩(wěn)定，在焊接過程中，如速度過快會出現(xiàn)陽極斑點不穩(wěn)定的情況，使電弧發(fā)生飄移；激光能為電弧形成相應(yīng)的陽極斑點創(chuàng)造良好條件，因此激光與電弧相結(jié)合，在高速焊接情況下可保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

為了解決鋁、鎂等輕質(zhì)金屬材料在連接接頭處性能弱化的問題，20世紀(jì)90年代，英國焊接研究所發(fā)明了攪拌摩擦焊接技術(shù)。隨著新能源汽車的發(fā)展，續(xù)航里程是影響用戶駕駛體驗的主要因素，提高新能源汽車的輕量化水平，可增加續(xù)航里程。傳統(tǒng)的車身連接工藝已不能很好地滿足發(fā)展需求，各種新材料被應(yīng)用于新能源汽車制造。例如，為避免鋁合金車身焊接后出現(xiàn)不良性能問題，如出現(xiàn)裂紋氣孔等，越來越多的生產(chǎn)商將攪拌摩擦焊接技術(shù)應(yīng)用于汽車制造中。

把攪拌摩擦焊接技術(shù)應(yīng)用于鋁合金連接領(lǐng)域具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。鋁合金材料融化后可能會出現(xiàn)氣孔、裂紋等技術(shù)缺陷，攪拌摩擦焊接在其工作過程中屬于固相連接，不涉及鋁合金的融化和凝固，從根本上杜絕了上述問題的出現(xiàn)。

3 結(jié)語

通過研究發(fā)現(xiàn)，在不同方面實施輕量化技術(shù)所得到的結(jié)果大致相同，即實現(xiàn)整車質(zhì)量的減重。無論是應(yīng)用新型材料，還是利用計算機(jī)輔助工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，或是采用先進(jìn)的材料加工方法，其目的就是通過技術(shù)手段實現(xiàn)汽車的輕量化。輕量化研究是今后汽車的大發(fā)展方向之一，國內(nèi)國際都將持續(xù)深入研究該技術(shù)，輕量化后的汽車將為人類帶來更大的效益。