新材料与工艺手册

新能源汽车轻量化途径及其评价

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发表于 2021-2-25 16:08:10 | 显示全部楼层 |阅读模式

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新能源汽车轻量化途径及其评价

张超,江鹏飞
(湖北工业职业技术学院,湖北 十堰 442000)
摘 要:文章从新能源汽车轻量化途径及其评价的角度出发,对新能源汽车轻量化的必要性、实现途径、可替代材料进行分析,旨在重点阐述新能源汽车的整车轻量化研究方法及其优缺点,并从车身轻量化的角度说明新能源汽车未来的发展前景,希望通过此类专题研究可以启发新能源汽车的从业人员,在车身轻量化的基础上达成节能减排的目标。
关键词:新能源汽车;轻量化;途径及其评价
前言

在能源匮乏的现代社会,全球的石油资源都在面临枯竭。传统的燃油汽车的发展受到能源和环境保护两方面的限制。能源的匮乏使得燃油汽车的发展遇到了瓶颈。人们亟需寻找可以代替石油能源的新能源来作为替代性能源。目前人们采取锂电池以及天然气两种主要的能源形式代替原本的石油能源,而这两种能源中终归有一种能源会代替燃油车成为汽车未来的发展方向。在环境保护政策的影响下,人们更倾向于使用电力作为汽车驱动的新能源,而电力与天然气与以往的石油能源相比纯净无污染。也正是如此,纯电动汽车的市场前景非常广阔。

1 新能源汽车轻量化的必要性

现代社会在发展迅速的同时,近些年来的能源消耗也大于以往几十年的能源消耗。现代社会对能源需求量逐渐增多。每年花在汽车上的能源就多不胜数。从能源的消耗与储备的占比来看,现代社会处在一个能源匮乏的时代。合理、节制地开采和规划使用能源已经成为世界各国的共识。我国经济的快速增长大部分是以自然生态为代价换取来的。传统燃油汽车的使用和大范围的普及加速了能源的损耗和环境的污染。目前我国一直在倡导要走绿色可持续发展的道路。鉴于我国提出的发展战略和当前的能源形式都要求我国发展出一种新的能源汽车代替传统的燃油汽车。在新能源汽车的设计方面轻量化的特点又显得极为重要。新能源汽车之所以采取轻量化设计的特点是可以有效降低汽车对能源造成的浪费。从这点可以看出轻量化对于新能源汽车发展、制造以及投产使用的重要性。目前世界上对新能源汽车轻量化的研究主要遵从三方面。首先是对新能源汽车进行轻量化的设计和分析。这部分的重点是在于找出汽车轻量化的影响因素和设计方案。传统燃油汽车经过一个多世纪以来的发展其车身设计、用料都已经形成系统的体系。而新能源汽车却处在探索和研究的阶段。其次是通过材料替代或者选取新材料的方法解决新能源汽车轻量化的问题[1]。最后是使用最新的生产制造工艺,利用制造工艺对某种新材料进行加工,使之转化为轻量化的结构材料[2]。

2 新能源汽车轻量化途径总论

目前新能源汽车的轻量化设计已经成为新能源汽车设计的主要形式。按照汽车轻量化的原则与标准需要先对汽车进行设计和分析。其主要内容主要是研究人员利用专业的工程制图软件如 CAD等计算机技术。之后按照新能源汽车的结构和布局进行优化升级。对相关的轻量化材料和零部件需要对其厚度进行灵活分析和修改。零件在设计初期需要对零件的刚强度进行分析。为了省去测量存在的麻烦,研究人员也可以从外部的信息数据库当中直接查询到零件的刚强度。将原本繁杂的工作精简为几步,可以快速地提高工作效率。同时在轻量化的现代车身制造时,要有大局意识,从全局的角度看待哪种车身设计方法更适合现实的设计。新能源汽车的轻量化结车身设计的优化可以从不同层面去看。首先是要确定多种轻量化材料的匹配工作,若在新能源汽车轻量化的设计过程当中,出现了轻量化材料与现实所需不匹配的情况发生,十分容易产生使用上的错误。研究新能源汽车轻量化设计可以将其分成不同区域,一方面减少新能源汽车上面零部件使用的数量,其前提必须保证新能源汽车的性能不会随着新能源汽车零部件的减少而影响整个汽车性能的正常发挥,车子零部件的减少最终目的在于减重[3]。

经过这种设计方式实现新能源汽车的轻量化,其能够在未投产的设计环节就能够达到轻量化的目标。设计工作一旦成型,生产和制造人员只需要按照图纸的设计去进行投入,后期就不需要进行繁琐的修改工作。这样的轻量化实现方式大大节约了人力、物力以及财力的投入,在提高工作效率的基础上,又减少了工作量。但是这种新能源汽车的轻量化实现方式也可能存在一定的问题。这种轻量化实现途径需要设计者具备长期且丰富的工作经验,同时也需要新能源汽车最新的数据库。这种前期对新能源汽车的轻量化设计过于理想,前期大部分都是基于理论的构思和设计,并未真正进行实践证明或者说该假设验证过程较为复杂[4]。

2.1 轻量化的设计和分析

在众多新能源汽车轻量化实现方式当中,人们越来越倾向于寻找新型材料来实现新能源汽车轻量化这一目标。就目前来看,新型材料实现轻量化的方式占据了大部分的市场份额。经过人们不断的探索和实验,人们目前用于实现新能源汽车轻量化的新型材料主要有两种。两种材料各有优缺点。第一类材料属于高强度材料,其典型的代表有高强度钢和高强度不锈钢等。第二类材料属于轻质材料,这类材料的典型代表有铝合金镁合金钛合金塑料、陶瓷以及复合材料等[5]。

不管使用高强度材料还是轻质材料都能实现新能源汽车轻量化的目标。不过就目前新能源汽车车身来讲,不同汽车使用的轻量化材料不同。目前汽车车身使用轻量化材料较为广泛。目前市面上大部分的汽车都是采用碳纤维作为汽车车身的材料。由于碳纤维单体壳车身具有轻量化、高扭转刚度、高整合度以及高安全等优势在汽车领域得到了广泛使用。

2.2 采用材料替代或采用新材料

与传统汽车所使用的材料相比,采用新材料能够更好代替传统汽车材料达到轻量化的目的。目前经验证已经得知新型材料具有质量轻、强度高等一系列的优点。这些优点能满足现代人对于汽车的大部分需求。并且在很大程度上提升汽车的整体性能。类似于百米加速、耗油量、续航里程、舒适度、安全性和稳定性都应新型材料的使用而得到大幅度的提升。当然新型材料优点和弊端是并存的。目前新材料的研发成本高,导致在制造生产方面的造价也高,很难进行大面积的普及和使用。并且由于新型材料结构的复杂性,也给研发新材料工作带来了有一定的难题[6]。

2.3 采用先进的制造工艺

新能源汽车的轻量化还可以采用先进的制造工艺来实现。现阶段人们利用热成形技术与激光拼焊技术来实现轻量化的目的。热成形技术是利用热冲压高强度钢板加热到与奥氏体接近的温度,通过一段时间保温,使整个钢板达到整个奥氏体的温度,在转移到冷却系统的模具进行冲压。之后再进行保压与冷却步骤,其目的是提高材料整体强热成形。经过热冲压后的材料抗拉强度会得到大幅度的提升,这在减轻的车身质量的同时,又提升了整个汽车的安全性,使其更加耐撞。而激光拼焊工艺是为了完善钢板密度小的问题而出现的。目前该项技术已经应用于汽车产业当中,通过将不同材质及厚度的零件通过焊接的方式组成一个完整零件,之后将其作为一个整体冲压成所需零件形状,这样大大降低了资源的浪费与损耗。利用激光拼焊技术的汽车其整体强度要高于传统的汽车。并且通过减少零件的形式,达到了控制成本,实现生产效益的目的。

3 结语

总的来说,在我国政策的要求下,新能源汽车将会是未来发展的大趋势。而发展新能源汽车则可以有效达到降低资源损耗和环境保护的目的。轻量化汽车的实现在提高资源利用率以及提升汽车各项性能的基础上,实现了各项技术的灵活运用。

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