新材料与工艺手册

[轻量化工艺] 新能源汽车结构优化轻量化关键工艺分析

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发表于 2020-6-23 09:48:23 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  【汽车轻量化在线】摘要:随着社会经济快速发展,进一步促进汽车行业发展。汽车作为人们出行常用交通工具,在给人们生活带来方便快捷同时,其油耗排放问题也引起了人们高度重视。随着车辆数量逐渐增多,空气污染愈加严重。为减少汽车尾气排放对环境的污染,降低汽车能耗,使得新能源汽车向轻量化方向发展。基于此,文章以新能源汽车机构优化轻量化为重点,对轻量化关键工艺进行分析研究,实现汽车节能减排。
  关键词:新能源汽车;结构;轻量化;关键工艺
  前言
  传统汽车尾气排放量大、能源消耗大,严重污染了自然环境。因此,在汽车行业发展进程中,传统汽车向新能源汽车发展是必然趋势。由于新能源汽车排放量较少、能源消耗少,所以被广泛应用在汽车生产制造中。随着人们生活水平不断提高,汽车已经成为代步的重要交通工具[1]。虽然汽车给人们生活带来诸多便利,但是在使用汽车过程中产生的能源消耗也在不断增加。为最大程度实现节能减排,不断优化新能源汽车结构,实现汽车轻量化。
  1新能源汽车结构优化轻量化应用
  新能源汽车具有消耗低、排放量少等优点,因此成为汽车行业研究重点。在《节能与新能源技术路线图》中明确指出,新能源汽车是汽车行业未来发展趋势。同时指出汽车轻量化关键工艺在新能源汽车发展中的重要地位。
  1.1高强度钢应用
  高强度钢根据钢屈服强度不同,分为普通钢强度钢和先进高强度钢。在新能源汽车建造过程中,根据车身部位不同选择合适的高强度钢,提升高强度钢应用比例。这不仅能降低车身使用零件个数,还能降低车车身自量。其主要原因是因为高强度钢具有减薄钢板作用,从而减轻车身质量[2]。虽然减轻了汽车质量,但是并未降低车辆行使安全性。由此可见,在新能源汽车建造中应用高强度钢是最佳材料。
  1.2铝合金应用
  铝合金是工业中应用最广泛的有色金属结构材料。其具有密度低、强度高、塑造性好、良好导电性、导热性和抗蚀性,在工业使用中仅次于钢。铝合金按加工方法不同分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金能承受较大压力,主要用于制造汽车零部件、发动机冷却系统散热器、压缩机机件等;铸造铝合金主要用于重力铸造件、低压铸造件、特种铸造件。据调查数据显示,特斯拉、马自达等汽车已实现铝合金全身覆盖,并采用特殊工艺完成铝合金与其他构间的连接,其他车辆白车身也逐渐应用铝合金材料,其中包括顶盖横梁、活塞、离合器壳、车轮等[3]。由此可见,在汽车行业发展中,将应用到越来越多的铝合金材料,且铝合金材料也是汽车轻量化重要使用材料之一。
  1.3热塑性材料和复合材料应用
  热塑性材料是指具有加热软化、冷却硬化作用,主要用于制造汽车排气管。目前,很多大型汽车放置行李箱门也多采用热塑性材料。热塑性材料相较于其他材料,具有操作工艺简单、成本低、质量轻等特点,得到广泛应用。复合材料是指在生产制造汽车时,使用多种材料[4]。在汽车制造中,根据不同部位性能,使用多种材料。在复合材料中碳纤维复合具有较好物理特性:质量轻、强度高、耐热性好、易操作等特点,已经成为较为理想的汽车建造材料。据研究显示,制造汽车过程中应用碳纤维复合材料,至少减轻车身整体质量的40%-60%。且汽车使用零部件应用碳纤维复合材料,至少减轻钢材料零件的50%左右。但是由于碳纤维复合材料是一种高性能新型材料,材料原料较贵、生产工艺复杂,相较于其他材料而言价格相对较贵,所以应用有限。随着碳纤维复合材料生产工艺发展,生产的材料数量逐渐增多,价格也随着下降。在我国汽车制造业碳纤维复合材料制造工艺逐渐成熟进程中,在汽车制造中应用较多碳纤维复合材料。
  1.4新能源阻燃材料
  新能源阻燃材料具有绝缘、加工简单、质量等优势,是汽车轻量化首选材料。动力电池外壳采用采用塑包铝方式,即玻纤阻燃尼龙与铝嵌注方式结合[5]。采用这种阻燃材料,可以减小制件壁厚,减轻壳体重量,且散热效果良好。在制作过程中,可一次注塑成型,冲击性能好,达到V-0级别阻燃。
  2新能源汽车结构优化轻量化存在问题
  2.1汽车制造复杂
  新能源汽车制造零件、车身、发动机等需要多种材料。但是汽车的各项零件性能随着食用年限增加,会出现损耗,导致汽车不能充分发挥各项性能,进而影响汽车正常行驶。但是在我国,并未对零件性能做明确规定。当零件运行受阻时,汽车耗能将增大,无法实现新能源汽车低耗能目标。
  2.2轻量化材料应用
  随着人们对环保意识的增强,在汽车制造业中轻量化材料应用较广。尽管在汽车发展进程中,明确指出轻量化材料在实现汽车轻量化的重要性,但是由于我国使用轻量化材料技术尚不成熟,还处在实制阶段。其主要原因是,还未对所有轻量化材料进行准确判断,不明确哪种材料最适合生产汽车哪个部件。并且我国并没有出台关于轻量化材料使用标准,所以在汽车制造过程中使用的轻量化材料还处在摸索阶段[6]。
  2.3没有汽车轻量化标准体系
  目前,在汽车制造行业中,钢强度钢和低碳钢是汽车制造主要使用材料。由此可见,在汽车制造中使用轻量化材料较少。这将阻碍汽车轻量化发展,不利于实现节能减排目标。
  2.4使用轻量化材料较少
  虽然有相关文件指出汽车轻量化是汽车行业未来发展趋势,但是由于没有完整的汽车轻量化标准体系,导致汽车轻量化发展的实现受到阻碍。我国应积极响应汽车轻量化发展,根据汽车行业发展制定标准体系,促进汽车轻量化发展,提升汽车安全、舒适性能。
  2.5汽车设计方式
  现阶段,在汽车设计阶段,大部分汽车还是采用传统设计理念。并未引进先进设计理念,导致轻量化材料无法真正应用到汽车实际生产中,进而阻碍汽车轻量化发展。
  3新能源汽车结构优化轻量化关键工艺
  3.1内高压成型工艺
  内高压成型技术是一种以管材为原料,以油液为传压介质的先进制造手段。此工艺主要是对管材施加超高压同时,对管孔处施加轴向推力进行补料。在外力作用下,让管材发生塑形变形,最终与模腔内壁贴合,使管材成为三维形状零件。内高压成型工艺主要包括三个阶段:①填充阶段。将管材放入模腔并合模,将两端在冲水情况下水平推入,形成密封。再使用预充液体将管材内部空气排出。②成型阶段。在给管材内部施加高压同时,让材料通过送料区进行推进补料。在压力和补料作用下使管材形成基本模具形状。如果设计的模具类型较为复杂,部分角度无法形成模具。③整形阶段。通过施加压力,让无法形成模具的角度完全贴合模腔,完成成型。内高压成型工艺相较于传统工艺而言,不仅能减轻零件质量,还能提高资源利用,避免材料浪费。在新能源汽车制造生产中常用于制造指导仪表板管梁、电池托架等。
  3.2热压成型工艺
  热压成型工艺是最为常见的加工方法,主要是在加热后的模具上,注入材料,在压力作用下将材料固定在模具上,待材料成型后取出模型成品[7]。热压成型工艺包括三个阶段:①将材料放入加热好的模板中。②上模与下模向材料模板施加高压,在此过程中产生的气体通过通气管排出。③待成型模板冷却后,进行剪切成,形成最终成品。热压成型工艺相较于传统工艺而言,不仅能提升零件强度,还能提升减薄零件厚度,从而减少零件使用数量,减轻汽车质量。在新能源汽车制造生产中常用制造地板、车门防撞梁、前防撞梁等。
  3.3辊压成型工艺
  辊压成型工艺是指材料随着辊轮转动,材料在辊轮碾压下成型。辊压成型工艺。主要包括三个阶段:①材料通过引料、送料机送到剪切对焊装置对材料进行处理。②使用压机、成型机进行辊压成型定型。③对定型后的模具进行冲孔、切边、压型等处理。在新能源汽车制造生产中常用制造门槛梁、车门窗框、防撞梁等。
  4新能源汽车结构优化设计方法
  实现新能源汽车轻量化主要有三个途径:使用材料、生产工艺和优化汽车结构。通常情况下优化汽车结构,可通过减少材料和车重实现安全和性能要求。通过优化车身结构实现汽车轻量化是目前最为有效的途径。其中减少汽车车身、减少车架重量是减少汽车总重量的主要途径。此外,优化新能源汽车结构设计还从逆变器小型化、驱动电机小型化等方面进行考虑。逆变器小型化通过缩减体积大小,减少能量损害,从而减少发热损失。驱动电机小型化通过缩短线圈、降低线圈材料使用等方式,提高线圈利用率。
  5结语
  综上所述,在社会经济发展中,汽车已经成为人们生活中必不可少的出行工具。随着汽车数量逐渐增多,对环境造成的恶劣影响,让人们不得不重视环境保护意识。因此在汽车行业发展中,汽车轻量化已成为未来发展趋势,只有不断完善轻量化体系、提升对轻量化材料认知,才能推进汽车轻量化发展。
 
  来源:新能源汽车结构优化轻量化关键工艺分析;作者:张鹏,刘颖(长城汽车股份有限公司,河北保定071000)


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