新材料与工艺手册

新能源汽车结构轻量化设计

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发表于 2020-1-2 17:12:18 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】摘要:随着社会经济的发展,新能源汽车生产技术水平不断提升,质量越来越轻,朝着节能低碳的方向发展。与以往新能源汽车相比,人们对汽车质量要求越来越高,这就要求新能源生产企业结合自身生产技术,不断研发新的制造技术,利用高新电子设备,实现车辆的轻量化设计,满足客户多样化的需求,创造更多的生产效益。因此,本文主要针对新能源汽车结构轻量化设计进行分析与论述,并且针对实际轻量化设计提出一些针对性的建议与对策。

关键词:新能源;汽车;结构;轻量化;设计

随着社会经济的发展,自然环境日益恶劣,为了缓解自然环境的压力。新能源生产企业不断研发新型的新能源汽车。根据各个国家汽车生产企业的生产现状,很多企业都提出了各自的主张与方案,但是由于自身车身过重的原因,影响了新能源汽车的行驶里程,降低了动力性能。因此,对新能源汽车生产而言,轻量化设计是汽车生产企业面临比较重要的问题。本文主要针对新能源汽车结构轻量化设计进行分析和论述。

一、新能源汽车身轻量化的原因

随着当前汽车生产行业的迅速发展,汽车生产技术水平不断提升。与此同时,国家对汽车耗能提出了更高的标准和要求。2012年,我国出台了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020)》规定,到2020年,乘用车平均燃料消耗量要达到5.0L/100km,节能型乘用车要达到4.5L/100km。其中汽车轻量化可以有效实现汽车节能减排的目标。

如图1 所示,在燃油汽车和电动汽车同时减重10%的前提下,会缩短制动距离,减少加速时间,降低噪音和振动性。其中燃油汽车可以减少10%的排放量,减少5%-8%的能耗。电动汽车可以节省4%-5%的电量,提升电动汽车的形成,延长续航里程,减少电池消耗成本。

在进行新能源汽车增重水平判断上,增重小于等于5%,处于汽车身缠领先水平;增重大于30%,这种类型的汽车不具有产业化的价值。与国外同类产品相比,我国新能源乘用车重15%-30%;新能源商用车普遍重10%-15%。随着电动化技术和智能化技术的发展,生产企业通过实现汽车的轻量化,可以降低实际产生的能耗,保证车辆的耐久性和动力性。在进行新能源汽车车身轻量化设计过程中,设计人员要结合新能源汽车的特点,从整体上进行优化设计,从而满足设计目标的要求,创造更多的经济效益和社会效益。

二、新能源汽车车身轻量化设计方法分析

就目前而言,新能源汽车轻量化技术主要包括以下三个方面:第一,轻量化设计,设计人员优化车辆尺寸和外貌等;第二,采用轻量化材料,就目前而言,轻量化材料主要包括铝合金镁合金、高强钢以及碳纤维复合材料等;第三,轻量化制造过程中,主要包括激光拼焊、液压成型以及先进的连接工艺工作。

(一)进行轻量化的设计

在进行新能源汽车设计过程中,设计人员需要从汽车整体布局出发,充分利用计算机СAD 技术,优化设计新能源汽车方案,选择最优布局,提升整体结构的合理性,尤其在关键环节设计上,需要充分考虑到新能源汽车安全性能、动力性能以及节能性能,有效降低汽车能耗,防止对周围环境产生不良影响。在新能源汽车行业迅速发展的背景下,对汽车动力性能提出了更高的要求和标准,要求效率高、可靠性高、体积小,保证质量轻,降低实际耗能,减少实际的污染排放。从当前发展趋势上看,新能源汽车一直朝着轻量化的方向发展,CAE技术在当前新能源设计过程中得到了广泛的应用,设计人员可以采用拓扑设计方案,在保证汽车整体刚度的前提下,不断减少总体重量,保证实际的刚度。就目前而言,拓扑优化方法主要应用在连杆盖、主轴承盖等方面的设计,获得了不错的效果。比如福特公司对利用拓扑优化连技术,减少汽车总重量的17%,实现了轻量化的设计。奥迪利用拓扑软件,对发动机支架进行全面的优化,提升发动机的自振频率,重量减轻了20%,并且在主轴承盖优化设计过程中,汽车自重减轻了22%。因此,设计人员在初次设计过程中,需要利用СAE 软件,分析零部件的强度,广泛搜集相应的数据,提升的强度和刚度,保证实际设计的效率。另外,设计人员要从整体出发,进行多目标全局优化的方式,确定相应的技术参数,保证新能源汽车各个零部件与轻量化材料的匹配,从而减少内部零件的使用数量,实现车身重量减轻的目标。通过在设计初期对车身轻量化设计,可以提升设计的预见性,防止后续出现频繁更改的问题,最大限度降低实际生产的成本,降低设计人员的工作强度和数量。但是受到传统设计理念的影响,在设计过程中存在的一定缺陷,设计人员需要充分更新数据库,对数据进行全面的验证,保证设计质量。

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图1 汽车轻量化设计图

表1

(二)新能源汽车车身轻量化设计材料分析

为了提升新能源汽车车身轻量化设计的效果,不同新型材料不断出现,发挥着越来越重要的作用。就目前而言,新型材料可以减轻车身的重量,主要包括以下两种类型:一类是以轻质材料代表,比如镁合金或者铝合金等;另一类是高强度材料,比如高强度不锈钢和高强度钢等。

第一,采用高强度轻量化材料。就目前而言,随着金属材料和复合材料的应用,不仅降低了实际生产的成本,而且保证车辆安全,提升了实际的制造工艺。以某品牌为例,车身冲压件高强度钢的比例大约为46.5%,车体高强度钢的比例约为43%,在实际生产过程中,主要使用了不同性质的高强度钢。从整体来看,钢铁材料占汽车总量的60%,对整个新能源汽车重量产生极为重要的影响。但是对高强应用技术的难点而言,主要在于生产技术成形技术。其中存在的问题主要是缩颈与开裂问题。

第二,就目前而言,很多新型材料不断在新能源车身轻量化设计和制造过程中得到广泛的应用。根据《汽车轻量化调研报告》基本内容,镁、铝、钛合金等原材料使用数量比较多,然后是高强度钢和复合材料。铝合金具有良好的成形性和稳定性以及光线性,成为新能源汽车轻量化材料的首选。但是铝合金由于强度低,需要投入更多的资金。镁合金具有密度小和铸造流动性好的特点,具有良好的应用前景,在美欧国家得到了广泛的应用。但是从我国新能源汽车应用现状来看,受到成本和成型技术的影响,主要应用在变速器壳体以及铸造镁合金零件等方面。

随着复合材料的应用,在汽车轻量化设计过程中得到了广泛的应用,主要应用在汽车内部、外饰、管材以及内部部件等。碳纤维具有良好的高扭转刚度和实际的整合度,在新能源汽车安全性设计获得良好的效果。但是受到材料和制作成本的影响,导致碳纤维在汽车在实际应用遇到了极大的阻碍。由此可知,利用现代化的新型材料代替了传统的制造材料,提升了汽车车身的轻量化程度,这些材料具有高强度和质量轻的特点,极大提升汽车的使用性能。但是从实际生产效果来看,新型材料成本比较高,整体结构也比较复杂,对设计人员提出了更高的要求和标准。

(三)采用先进的生产工艺

就目前而言,在汽车车身轻量化制造过程中,具体包括激光拼焊技术和热成型技术。激光拼焊接制造起源于上个世纪,在该项技术最初开发过程中,解决了钢板宽度不足的问题。在当前汽车行业迅速发展的前提下,激光拼焊制造技术被广泛应用在汽车制造中,生产技术人员利用焊接技术可以保证零件的保证性,然后生产出所需要的形状,有效降低了实际消耗。与传统新能源汽车生产工艺相比,新技术可以发挥板材的重要优势,从根本上提升车身的强度,通过减少零部件的数量,有效减少新能源汽车的成本。与此同时,激光焊接技术,可以有效消除搭接缝,提升了抗腐蚀性能,在实际生产过程中,得到了广泛的应用,但是由于自身技术发展水平不高,需要开发高质量的激光拼焊板的材料,就目前而言,铝板和钢板焊接技术得到了广泛的应用。在进行热成型技术实际应用过程中,主要利用冲充压原理,把高强钢板材加热到接近奥氏体温度上,再快速转移到冷却系统的模具中进行有效的冲压。在完成以上步骤以后,设计人员需要做好保压与冷却工作,利用材料整体强热成形。通过利用这项技术,可以将材质的抗拉强度增至1700MPa,可以在降低新能源汽车的重量,提升了汽车的强度,保证汽车的安全性,如表1 所示:

三、新能源轻量化评价

在进行新能源汽车轻量化设计过程中,既不能增加成本,又要提升汽车的安全性能,降低汽车的总重量。根据实际设计情况,简单降低车重不能全面对汽车的轻量化水平,需要结合汽车不同的性能。比如要充分考虑新能源汽车的车身重量、轻量化系数、车身静扭刚度、为轮距与轴距相乘的面积,从而设计出高质量的新能源汽车。在当前新能源汽车设计过程中,设计人员需要分析风窗玻璃荷载承受力,从覆盖件、车身以及悬架系统等方面进行优化设计,结合实际情况,进行合理的取值。新能源汽车的静态刚度和动态刚度等,这些与汽车安全性有着非常密切的关系,可以提升车身的抗冲击力。在汽车出现侧面碰撞或者正面碰撞时,新能源汽车可以吸收一定的能量,保证内部人员可以安全打开车门。

综上所述,为了提升新能源汽车车身进行轻量化设计质量,设计人员要结合实际情况,严格按照既定的标准,对车辆整体进行优化设计,有效提升新能源汽车设计的耐久性和安全性。同时在实际设计过程中,设计人员要尽量选择新型轻化的材料,不断提升车辆性能,实现节能降耗的目标,推动新能源汽车的良性发展。

参考文献:

[1]王子瑞.新能源汽车结构轻量化设计[J].内燃机与配件,2018(22):4-5.

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[5]牛妍妍.新能源客车轻量化技术路径研究[D].吉林大学,2016.

[6]张婕姝.基于轻量化技术的汽车设计[D].沈阳航空航天大学,2016.

[7]肖勇.新能源汽车全塑车身设计及制造技术研究[D].北京化工大学,2015.

来源:作者:黎屏 广西交通技师学院



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