新材料与工艺手册

新能源汽车车身结构研究

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发表于 2021-8-2 15:24:59 | 显示全部楼层 |阅读模式

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新能源汽车车身结构研究
苑春迎
贵州工业职业技术学院 贵州省贵阳市 550008
摘 要: 新能源汽车车身结构与常规能源汽车车身结构相比,有很多相似之处,也有其自身的特点,本文以新能源汽车对车身结构的要求为出发点,介绍了新能源汽车安全性要求,轻量化的途径,并对新能源汽车车身结构重点研究的内容作了探讨。
关键词:新能源 车身结构 安全 轻量化
1 新能源汽车的发展现状

新能源汽车是相对于常规能源(化石燃料)汽车而言,新能源汽车包含四大类:混合动力汽车、纯电动汽车、氢燃料电池电动汽车和其他新能源汽车。目前汽车朝着节能、环保、安全方向发展,新能源汽车在节能、环保上有着常规能源汽车所不具备的优势。目前全球各大传统汽车厂商都在全力布局新能源汽车,多个产品已经量产上市,新能源汽车时代已经到来。

2 新能源汽车车身结构的安全要求

汽车车身,特别是乘用车车身,已经成为影响整车性能的最大系统之一。特别是人们对汽车安全性能要求越来越高。和常规能源汽车一样,新能源汽车车辆的安全落脚点也在车身,车身的安全性能评价以车身碰撞测试为主要参考依据,目前全球汽车碰撞测试认可度比较高是欧洲的NCAP,5星是最高标准。具有坚硬的中段车身,具有吸能结构的前部和后部车身是一个安全的车身的基本要求。坚硬的中段车身,是驾驶员、乘员所处的位置,中段车身在碰撞中以坚硬的框架抵抗变形,给驾驶员、乘员提供生存空间。前段、后段车身也需要高的强度,低速碰撞时保证车身不产生变形;而在高速碰撞时,前后段车身特殊的材料和结构设计使前后段车身能在碰撞中产生弯曲变形或者被压溃,从而在碰撞中吸收车辆高速运动的动能,减少能力对中段车身的冲击,以保证人员的安全。

车辆发生碰撞有几种情况:正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞以及翻滚、撞人等,各种碰撞形式的发生以及造成的死亡比例是不同的[1]。图1和图2显示,正面碰撞事故占比最高占67%,死亡率占31%,侧面碰撞事故占比28%,但死亡占比较高34%[1]。主动安全研究的侧重点是根据各种碰撞形式,模拟车辆在各种事故中对人员的伤害,从而有针对性的设计车身结构,提升驾乘人员在事故中生存的几率。所以正面碰撞发生比例高,但是人员死亡的相对较低。

图1 不同碰撞形式发生比例

图2 不同形式碰撞人员死亡占比

安全也可以延伸的到车辆财产的安全。在事故中人的生命是第一位的,但汽车也是一个商品,也有价值。在保证人员安全的前提系车辆本身的安全也要考虑。在事故中,我们对于安全的评价由高到低依次为:1、人车安全;2、车毁,人安全;3、车辆安全,人亡;4、车毁人亡。全球知名汽车制造企业沃尔沃将人的安全放在了最重要的位置,这样的造车理念引领了安全潮流。

3 新能源汽车车身结构的轻量化要求

汽车行驶过程中的阻力有:空气阻力、滚动阻力、爬坡阻力和加速阻力,其中滚动阻力、爬坡阻力和加速阻力都与正常的质量成正比,有资料研究表明:汽车自重每减少10%,燃油消耗可降低6%~8%,排放可降低4%左右[1]。

汽车整车有四个部分组成,分别是:车身、底盘、发动机和汽车电子。对于乘用车来说,车身占整车质量的40%~60%,约70%的油耗是用在车身质量上的,因此,汽车车身特别是白车身的轻量化是车辆轻量化的重要部分,国内外也大多以车身结构优化作为整车轻量化的重点[1]。

对于新能源汽车,轻量化更加摆在凸出的位置。研究表明:对于电动汽车而言,一百公斤的减重可以增加续航距离的10%左右[2]。车身轻带来的好处是多方面的,一是可以降低能量消耗,二是增加了承载能力,三是因为质量轻,还可以减小刹车距离。新能源汽车车身在轻量化方面有着巨大的优势,因为减少了传统的发动机、变速器等大部件,车身结构比较好布置,在保证车身强度、刚度的前提下,车身结构可更加合理布置。

新能源汽车车身结构轻量化的途径:

(1)新材料的应用

使用新材料是实现汽车轻量化的重要手段。以铝合金材料、高强度钢材、碳纤维为代表的新材料已经在大量使用。新材料的使用不仅仅是对传统材料的替代,它还涉及多种学科及技术的支持,比如物理、化学学科,材料试验检查技术、零部件设计制造技术、新材料回收技术等等。

车身轻量化在新材料使用中,高强度钢材最为普遍,目前车身制造,已经普及使用高强度的汽车专用钢材。铝合金车身的使用在材料轻量化中效果是最好的一个,汽车品牌中捷豹、奥迪、特斯拉都有铝合金车身的产品问世。其减重效果优于高强度钢,但铝合金车身价格是钢车身的3倍左右,所以只有在高端品牌中铝合金车身才有市场。

轻量化就是在质量、性能和价格三者之间找平衡。与高强度钢、铝合金相比,碳纤维有密度优势,有比较高的比强度和比刚度,还有比较好的耐腐蚀性,这是非金属材料比较典型的特点。但价格是比较大的劣势,碳纤维的综合成本是铝的综合成本的2~2.5倍[3]。现阶段,在轻量化中碳纤维可以和铝合金搭配,作为补充材料使用,也可以只在关键材料上使用。长远上看,通过降低成本等途径,也有作为汽车轻量化应用主要材料。

(2)结构优化设计

结构优化设计是车身轻量化的基础,车身骨架和承载部件结构复杂,集合了各种材料、各种工艺。车身结构对车辆被动安全性,结构刚度、强度和车辆的振动性能有着巨大影响。目前车身结构优化设计减重,就是利用CAE等分析技术,在保证车身结构性能的前提下使零件质量更小。结构优化设计包含三个层次:尺寸优化、形状优化及拓扑优化[1]。车身结构优化涉及的指标很多,指标之间多是相互矛盾的,比如刚度、模态、碰撞安全及产品性能方面,只能做到相对统一。在实际生产中,结构优化设计减重的途径为零部件空心结构、零部件薄壁结构、零部件复合结构等方法,这些优化设计使车辆覆盖件、结构件达到轻量化的目的。

(3)制造技术轻量化

通过对材料性能的研究,利用不同的制造工艺可以在零部件制造过程中减轻重量。常用的制造技术有:激光拼焊接技术、液压成形技术、电磁成形技术、先进连接技术等等[4]。

激光拼焊接技术可以将材质不同、厚度不同、表面处理要求不同的工件通过激光拼接在一起,组成一个新的毛坯件,然后再通过冲压成零件。例如乘用车侧围总成是一个典型的激光品焊接件,激光拼焊接技术可以有效减少零件质量,减少焊点,提高强度。通过先进的制造技术,主要解决的是产品的性能问题,进而解决了轻量化的问题。

液压成形技术是指把毛坯件放在封闭的模具里,通过管道把液体介质(油、水等)引入毛坯件内部及模具内腔,对液体介质进行加压,毛坯件在特定空间里被高压的流体介质膨胀、压缩、成形。液压成形技术可以减少模具数量和零件数量,多个零件由一个统一的液压成形件代替,即增加结构刚度,又减轻重量。

电磁成形技术就是指在磁力作用下,使材料产生变形。电磁成形技术优点很多,可以实现无接触加工,不需要润滑及后面的清理,易于实现加工过程自动化。电磁成形不仅适用常规的钢铁材料,还适用于铝、镁等轻质材料,是实现车身轻量化的一种技术支持。

对于车身制造过程中的连接,传统的连接方式是电阻点焊和气体保护焊(包括惰性气体保护焊和活性气体保护焊)。由于轻量化车身制造的要求,多种材料使用在车身制造中,新的连接技术就出现了,归为2大类:机械连接技术、复合连接技术。机械连接技术如压焊、折叠等代替电阻点焊,可实现多种材料或者夹层材料的连接,材料表面涂层不被破坏,连接前不需要预处理。复合连接就是将两种连接方式结合起来使用,优势互补,比如点焊+黏结等。

4 结束语

对于传统的汽车车身结构,研究人员从安全、轻量化、振动等方面都提出了很多的要求。对新能源汽车车身结构,因为高压电的存在,所以对其安全性要求更高,更苛刻。主要体现在绝缘、密封、高压电可维修性能等方面,这对车身结构提出了新的要求。由于电池本身比较重,怎么布置电池也对车身结构提出要求,需要针对车身的耐久性能做特殊的设计。



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