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汽车轻量化技术全方位解析(1)

2018-6-12 15:39 283 0 来自: 搜狐
简介
聚焦汽车轻量化技术全方位解析||后补贴时代,百公里能耗成关键指标!随着新能源汽车发展,动力电池技术不断飞跃,电动汽车续航持续提升,电池能量密度不断攀升,同时,补贴下降又对动力电池成本要求更加严格。随着后 ...

聚焦汽车轻量化技术全方位解析||后补贴时代,百公里能耗成关键指标!

随着新能源汽车发展,动力电池技术不断飞跃,电动汽车续航持续提升,电池能量密度不断攀升,同时,补贴下降又对动力电池成本要求更加严格。随着后补贴时代能耗考核的不断加严,新能源车行业不应仅把眼光放在电池密度上,更该结合车身轻量化,将更多注意力放在减轻能耗方面,我们相信能耗将成为后补贴时代政策导向和整车企业最重视的关键指标。本文将对汽车轻量化技术做个统揽:

汽车的轻量化的定义

就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量。

汽车轻量化有以下优点:

轻量化可以通过减轻车辆的质量来减少新能源汽车的惯性,使汽车的运动状态更容易改变,进而提升汽车的加速性能、制动性能和操控性能,有利于应对危急情况。根据轻量化技术领域的相关研究,重量的减轻可以增加续航里程。如纯电动汽车整车重量若降低10kg,续驶里程可增加2.5km。

在装备等条件一致的情况下,只改变质量,新能源汽车的能耗会随着质量的减轻而减少,可以在一定程度上达到节省电力、燃料等的结果。

一般来说,发动机底盘、车身及内外装占轿车总质量的比例较大。轿车车身是轿车中重量较大的部件,约占汽车总重量的30%,底盘的质量占比也较大,大约可以达到25%。汽车的主要材料是钢铁,占比超过50%。虽然钢铁制造技术成熟、材料成本低,具有强度高、耐磨性好等多种优点,但是钢铁的密度大(7.86g/cm3),远高于镁合金(1.7g/cm3)、铝合金(2.7g/cm3)、塑料(1.2g/cm3)等。

图:汽车材料使用占比

图:汽车各部件重量占比

汽车轻量化作为一个系统化的工程,并不是简单地针对某个零件的单独减重,局部重量的变化在很大程度上会影响汽车的其他部位,因此汽车轻量化是指在汽车制造过程中集设计、制造、材料技术等一起的系统性工程。在对汽车进行轻量化设计时,主要有以下三个途径:

一、材料轻量化

材料轻量化即通过使用轻量化材料来达到减轻新能源汽车质量的目的。目前,应用于新能源汽车的轻量化材料主要是有高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维等。例如,奇瑞新能源公司推出的新一代纯电动微型车小蚂蚁(代号eQ1)采用了“全铝空间结构+全复合材料外覆盖件”的组合形式,车身采用高强度镁铝合金应用比高达93%以上,全铝车身较传统汽车减重40%的同时车身刚性提高了60%以上;大众宝来通过更改材料减轻重量104.2kg,占总减重的41%。零件小型化后减轻重量144.1kg,占总减重的57%;

图:汽车外饰件采用轻量化材料减重途径

图:宝来汽车减重途径

二、结构轻量化

轻量化的另一手段就是在汽车零部件概念设计、初始结构设计、产品工程设计及样车制造过程中做相关结构的分析和优化,或去除零部件的冗余部分、或减少搭接(如花边形设计)、或改变结构,在不影响车身强度和安全性能的基础下尽量减少对零件的使用,有用则保留,无用则放弃,使车内布局达到最佳的效果,以实现对汽车零部件的精简化、整体化和轻质化。

结构轻量化包括车身结构优化设计和汽车实体结构布局设计这两种方式,主要运用ANSYS、UG、CAD、CATIA等软件,手段有形貌优化、尺寸优化、拓扑优化(包括多种轻量化材料的匹配、零部件的优化分块)、有限元分析和模块化集成设计等。

图:三角臂结构变更

例如神龙汽车公司将三角臂结构变更之后(三角臂是在汽车行驶于不平路面时起平衡支撑作用的结构件),质量减轻近50%,制造能耗降低65%。

三、制造工艺轻量化

为进一步达到减重降本的目的,除了开发应用轻量化材料外,一系列适应这些新材料的先进工艺,如热成型、激光焊接、液压成型、差厚轧制、径向锻造、半固态成型等应运而生。

例如,热成型技术是基于高强钢冷冲压成型中普遍存在塑性范围窄、易开裂、回弹大等问题而发展起来的板材成形新技术,通常在900~950°C的奥氏体状态下冲压,并在模具内淬火冷却,汽车上应用热成型技术的典型钢种是22MnB5,抗拉强度可达1500MPa。

激光拼焊是指将几个小零件通过激光焊接集成到一个大的毛坯,进而冲压成形成所需整体部件。使用激光拼焊板可使模具的数量和后续生产工序减少,从而降低了生产成本,并提高了零部件的质量、优化了零件结构,充分发挥了不同强度、不同厚度板材的特性,成为汽车轻化降低零件数量、保证汽车安全、优化设计和改进制造技术的重要手段。

图:热成型在汽车零件上的典型应用

图:激光拼焊应用的典型零件

根据2017年新能源汽车目录列表中的汽车续航里程情况计算,乘用车平均续航里程为192km,新能源客车平均续航里程为238km,专用车为219km。考虑到测试数据一般要优于实际数据,所以我们认为新能源乘用车的平均续航能力要小于192km,与中央希望达到的250km以上的续航能力相差很远(根据补贴新政,中央将扶持250km以上乘用车,其中300km以上的将大力扶持)。对于那些续航能力在200km左右的车型来说,他们将寄希望于未来能够短时间内提升续航里程。那对于那些续航里程在200km左右的车型来说,用汽车轻量化的方法来达标是否可行呢?

答案是可行的。根据《论汽车轻量化》杂志报道,奇瑞汽车实车测试数据显示,电动汽车减重10%,平均续航能力增加5%-8%。对于那些续航能力在200km的汽车来说,在不改变汽车设计以及电池性能的条件下,将车体重量减少20%左右就可以达标。

综上所述,提升锂电池性能目前处于一个瓶颈期,锂电池性能在短时间内突破瓶颈可能性不大;增加锂电池数量也将增加汽车的重量以及成本,对于续航里程没有明显的提升;所以,最可行的、而且是最快速的方法就是汽车轻量化。

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