新材料与工艺手册

[车身轻量化] 一款电动车身的轻量化探讨

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发表于 2020-2-13 16:27:16 | 显示全部楼层 |阅读模式

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一款电动车身轻量化探讨
窦晓东
上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545007
汽车轻量化在线】摘 要: 对于纯电动汽车来说,对车身进行轻量化不仅能够降低对于能源的消耗和环境的污染,还能显著的提高纯电动汽车的续航里程,对纯电动汽车进行车身轻量化设计就显得尤为重要。本文通过对一款电动汽车车身结构分析,提出将车身部分钣金外板零件取消,由即有的外装饰件取代的方案探讨,可极大实现整车减重,实现此款电动车的轻量化。
关键词:电动汽车;车身轻量化;轻量化系数;车身静态扭转刚度;轮间投影面积
1 引言

汽车轻量化,就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下,尽可能第降低汽车的质量,这对于电动汽车同样适用。实验证明,若汽车整车质量降低10%,燃油效率可提高6%-8%,换算为续航里程增加6%-8%。本文分析的电动汽车,在传统的全冲压件焊接车身结构的基础上,增加装配大量具有不同颜色需求的非金属外观装饰件。针对这一结构,探讨取消部分车身外板冲压件,继续由外观装饰件保留外观完整性,来达到轻量化的目的。

图1

图2

2 此款电动车身结构分析及轻量化系数解读2.1 钢板冲压的焊接车身,配外观装饰件的车身结构

如下图1所示,由于前期造型及制造需求,此款电动车身在顶盖、左右侧围、尾门区域除了保持有钢板冲压的外板零件外,还装配有外观装饰件。外观装饰件由供应商生产制造并喷涂不同于车身本体颜色的油漆,装配后使整车形成不同的颜色组合,实现外观的多样化。结构上看,顶盖、左右侧围、尾门的冲压外板零件被装饰件遮盖后,其原有的外观功能已被替代,仅提供车身强度及安全的作用。

为了提升车辆续航,对车身进行轻量化,可探讨取消部分冲压外板零件的可能性。基础方案为:以外观装饰件边界为基准,取消被其遮盖的顶盖、侧围、尾门外板部分,外观装饰件直接装配在车身内板或加强板结构上。为了保持车身强度及安全性能,以及提供外装饰件的安装点,可增加部分结构零件和外饰件安装点支架。过程示意图如图2:

2.2 车身性能评价标准之——轻量化系数

轻量化系数为汽车车身性能评价的一个重要指标,在行业中广泛应用,其公式如下:


其中:

M=车身重量(Kg)

Ct=静态扭转刚度(KNm/deg)

A=轮间投影面积(㎡)

其评价标准为:轻量化系数L数值越小,代表的车身轻量化水平就越高。

从公式我们可以看出,若要减小轻量化系数,可以通过降低车身重量、提高扭转刚度或增大轮间投影面积实现。

对于同一款车身,其轮间投影面积A是一定的,那么:如果保持车身扭转刚度Ct不变,即减小车身质量M可实现此系数的优化;如果维持轻量化水平不变,车身质量和扭转刚度都可以有相应幅度的减小,这也意味可以减少整车重量和成本。接下来就从以上两个角度,分析讨论此款车身轻量化的具体方案。

3 轻量化方案及新问题解决3.1 车身外板件减重方案

去掉原车身结构上顶盖外板、侧围外板、尾门外板与装饰件重合区域,增加部分加强结构、外饰件安装支架以保持车身的拓扑结构,维持车身强度和安全性能。外饰件周边与车身贴合位置,用胶带或涂胶形式密封,阻止灰尘、水等进入车身内部。

左右侧围外板可减区域,见图3示阴影区域(以左侧示例,右侧与之对称)

图3

图4

图5

图6 顶盖饰板边界装配截面

图7 侧围外板上端结构截面变化对比

顶盖外板可全部去掉,顶盖装饰板安装点设计在顶盖横梁上,如有必要可增加新的横梁作为支撑安装点。装饰周边以胶带形式粘接密封,中间区域以螺栓连接装配于顶盖横梁上,见图4:

尾门区域可直接去掉尾门外板,由于尾门系统为独立运动件,对整车强度及安全性能影响不大,仅需满足自身系统刚度模态即可,中间区域设计装饰板安装点,周边以胶带粘接密封,见图5。

3.2 外观装饰件的安装及密封方案

下面以顶盖外装饰件为例,探讨取消顶盖、侧围外板减小的密封及安装方案。顶盖装饰板周边与剩余钣金之间,增加双面粘接胶带。胶带宽度30mm,厚度0.8mm,见图6,图7。

装饰件中间区域固定方案:注塑装饰件增加卡扣安装脚,卡接螺柱,与车身钣金件螺纹连接,布置位置和数量可根据固定后刚度做优化调整。结构示意图如下图8,图9。

侧围、尾门外板取消后,外装饰件的密封及安装方式与上述顶盖方案一致,可以此为参考完成结构优化,实现整个车身的轻量化。

图8 装饰件中间螺栓连接结构三维示图

图9 装饰件中间螺纹连接结构剖视图

4 轻量化效果及应用前景

按照上述方案实现整车减重约12Kg,相比原车身总重量减重越6.67%,实际设计中涉及增加的安装支架及粘胶、标准件重量,预计可减重5%左右。

本文探讨的轻量化方案对于集成非金属材料外覆盖件的车身结构设计有重大指导意义。

5 结论

本文通过对一款电动车身结构研究分析,运用轻量化系数这个车身评价指标,提出了可提升轻量化指标以及减重降成本的方案,对提升电动汽车的续航里程有重大意义。希望能在实践中验证、实施,为推动电动汽车车身结构做出贡献。



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