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[车身轻量化] A0级电动车车身轻量化技术研究

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发表于 2019-10-24 09:49:18 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】摘 要:近年来随着大力发展新能源汽车,受电池能量密度的限制,要想提高续航里程,整车的轻量化显得十分重要。随着近几年轻量化的发展,车身专业和底盘专业能为整车的轻量化做出巨大的贡献。论文就对某A0级纯电动车车身专业的轻量化技术做出探讨研究。
关键词:A0级;电动车;车身;轻量化

0 引言
随着环境污染日趋严重,新能源汽车成为当下汽车发展的主要产物。轻量化技术变得越来越重要,已成为提升车辆性能和整车竞争力的必然途径之一。从轻量化技术的内涵来看,需要在满足产品功能的要求和成本控制的条件下,将结构优化设计、多材料与多种制造技术集成应用,实现产品减重。本文就对某A0级纯电动车项目车身轻量化方案展开研讨。

1 车身轻量化的主要途径
在车身设计过程中,主要可从结构设计优化、材料轻量化、制作工艺的改进以及集成化设计角度实现车身质量的减轻。
1.1 结构设计优化
车身结构参数化多学科性能优化;板厚灵敏度优化;零部件拓扑结构优化。

1.2 材料轻量化
提高高强度、超高强度钢板的应用 (屈服强度≥340Mpa)比例;铝合金轻质材料应用;塑料复合材料应用;碳纤维材料的应用。

1.3 制造工艺创新
热冲压零部件开发技术;挤压成型;激光拼焊板

1.4 集成化设计
塑料前端模块集成设计;铸造铝合金零部件集成设计;车身骨架集成设计。随着制造工艺的创新,铸造铝的精度越来越高,由集成式铝骨架结构替代焊接式钢车身结构,可以大大的降低车身重量。

2 某项目轻量化实例
铝合金在车身的应用主要有全铝车身结构、钢铝混合车身结构。鉴于现有的生产工艺和制造、维修成本,多数采用钢制焊接车身骨架+活连接铝合金分总成形式的车身结构,能够有效的控制成本和达到一定的轻量化程度。本项目就采用了此方案,采用铝合金的主要零部件有:翼子板、机盖内外板、前防撞梁总成、后防撞梁总成、EV托架总成。如图1所示铝材质的分布位置。

11.jpg

图1 铝合金的分布位置
Fig.1 Distribution position of aluminum alloy
2.1 前防撞梁总成
目前国内铝合金防撞梁已普遍使用,通过调查研究发现,单位重量的铝在碰撞中吸收能量是钢的2倍,质量比钢轻很多,轻量化的效果相当明显。图2为某A0级轿车前防撞梁结构。



图2 前防撞梁
Fig.2 Bumper Beam FR
图3为两种材料的截面对比,铝防撞梁料厚2.5mm,“目”字形截面,这种截面形状X方向的抗弯截面系数比较高,对正碰力的传递比较有利,具体对比分析见表1和表2。



图3 截面对比
Fig.3 Comparison of section
表1 截面系数对比
Tab.1 Comparison of section factor



表2 前防撞梁对比分析
Tab.2 Comparison and analysis of Bumper Beam FR



从上表得出铝制前防撞梁比钢制的轻2.58kg,通过截面系数以及材料性能对比,虽然钢板的许用强度是铝板的2倍左右,但是从截面系数计算得出,铝的截面系数W1是钢的1.8倍。对比可以得出如果前防撞梁铝和钢达到同样的强度,铝比钢的质量能够减少40%左右,所以减重效果比较明显。

2.2 后防撞梁总成
对比形式同前防撞梁。下图为不同材料的后防撞梁结构。钢材质的采用冲压而成,铝合金材质的采用挤压的形式,截面形状设计为“日”字形,截面尺寸也相对前防撞梁小。
经过对比,后防撞梁总成减重0.166kg,根据前防撞梁对比分析,钢铝材料达到相同的强度,铝防撞梁减重能达到40%,虽然后防撞梁减重很少,说明强度要比钢制的高很多。



图4 钢制后防撞梁结构
Fig.4 Steel bumper ream RR structure


图5 铝制后防撞梁结构
Fig.5 Aluminum bumper beam RR structure

2.3 翼子板
翼子板的轻量化主要是从材料和料厚方面着手考虑。为了降低翼子板的料厚并满足外覆盖件的抗凹性。铝翼子板要满足相同的抗凹性,比钢材质的质量会减少很多。同尺寸翼子板钢铝详细对比见表3。通过分析得出,铝翼子板比钢翼子板减重50%左右。
表3 详细对比
Tab.3 Comparison in details



翼子板抗凹性CAE分析
工况1:采用直径25mm的刚性压头进行加载,施加30N与外板垂直方向的载荷。
工况2:采用直径25mm的刚性压头进行加载,加载至400N。
工况3:卸载400N,察看残余变形。
图6为施加力点分布图以及表1为分析结果。目标值:30N最大位移<1mm,100N最大位移<3.5mm。




图6 抗凹性点分布图
Fig.6 Distribution diagram of dent resistance
表4 分析结果对比
Tab.4 Comparison of analysis results



2.4 EV托架总成
EV托架布置在机舱内,主要承载电机控制器,充电机等大型零部件,两侧通过螺栓与车身左右纵梁连接。如图7和图8所示。
EV采用6061-T6的铝合金型材,通过MIG焊的形式连接,选用螺栓与车身连接。



图7 EV托架的大体布置
Fig.7 Layout of EV Frame
挤压铝的断面尺寸根据项目经验和其他车型的调研定义为 40×30×2.5mm。通过前防撞梁钢铝的截面系数计算对比,钢铝EV托架要达到相同的承载能力,铝结构要比钢结构轻40%左右。


图8 EV托架的大体结构
Fig.8 EV Frame Structure
根据数据计算得出EV托架总成质量为3kg,冲压钢板EV托架5Kg,减重40%。

2.5 机盖内外板
对于开闭件的四门两盖来说,采用铝材料最大的难点就是冲压工艺性。机盖总成相对比较独立,拉延深度较浅,不受车身专业的限制,所以机盖内外板采用冲压铝结构。
钢、铝机盖总成对比:定义机盖内外板材料为 6016-T4,料厚1.0mm。图9为机盖总成的爆炸图。
从表5和表6计算得出铝钣金机盖总成的总质量为6.52kg,钢制机盖总成的总质量为11.38kg。通过对比分析得出,减重4.86Kg,比重43%。



图9 机盖总成的爆炸图
Fig.9 Hood Assy Explosive view
表5 铝制机盖总成明细表
Tab.5BOM of aluminum hood assy



表6 钢制机盖总成明细表
Tab.6 BOM of steel hood assy



机盖抗凹性CAE分析,同翼子板类似,铝合金材质的机盖同样能满足相关的抗凹性要求。
经过以上方案对比分析,在成本可控的前提下,通过采用部分铝制零件的方案,大大降低了车身总质量,并且保证了车身的性能。表7为以上方案的质量对比汇总。
表7 质量对比汇总
Tab.7 Weight comparison summary



从表7分析得出,本项目采用铝合金材料的零部件为:前防撞梁总成、后防撞梁总成、翼子板、EV托架总成、机盖钣金总成。共减重11.562kg,减重率41.5%。

3 结论
经过本项目轻量化技术研究,在现有成熟的制造工艺水平上,在成本可控的前期下,A0级纯电动车的轻量化采用“钢制骨架车身+活连接铝合金总成”的结构方案是比较成熟的。

来源:期刊-《机电产品开发与创新》; 作者:张立强;单位:阿尔特汽车技术股份有限公司

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