新能源汽車之汽車輕量化的關(guān)鍵技術(shù).doc

本科生課程考核論文科 目： 新能源汽車 教 師： 舒紅宇 姓 名： Haze 學(xué) 號： 專 業(yè)：機械設(shè)計及其自動化實驗班 類 別： 上課時間： 考 生 成 績：卷面成績平時成績課程綜合成績閱卷評語： 閱卷教師 (簽名) 重慶大學(xué)研究生院制目錄一 前言1二 汽車輕量化的概念1三 作用與必要性23.1汽車輕量化的作用23.2汽車輕量化的必要性2四 關(guān)鍵技術(shù)34.1 集成化超輕新能源汽車34.2 集成化纖維增強熱塑性地板44.3 復(fù)合材料車身5五 發(fā)展趨勢與途徑5六 結(jié)束7新能源汽車之汽車輕量化的關(guān)鍵技術(shù)摘要：在新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)與研究動態(tài)這門課上，我了解到新能源汽車的四大關(guān)鍵技術(shù)分為：電池及管理技術(shù)、電機及其控制技術(shù)、整車控制技術(shù)、整車輕量化技術(shù)。其中新能源汽車輕量化的終極目標(biāo)是在汽車強度和安全性能的滿足使用要求的前提下，行之有效的降低車身整備質(zhì)量，達(dá)到提高汽車動力的整體利用效率，從而減少能源的消耗，降低環(huán)境的污染，因此，筆者認(rèn)為進(jìn)一步加強對汽車輕量化的研究是非常有必要。而本文從汽車輕量化的相關(guān)概念，其作用和必要性，分析了其關(guān)鍵技術(shù)和未來的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：新能源；汽車輕量化；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展途徑一 前言據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國汽車的產(chǎn)量和汽車的保有量每年都在不斷上升，同時汽車的能源消耗和有害物排放都在逐年遞增。因此在這種環(huán)境不斷惡化和能源短缺的大環(huán)境下，大力發(fā)展節(jié)能減排的汽車技術(shù)是減少能源消耗和減少環(huán)境污染的必經(jīng)之路。目前，從國際上的研究趨勢來看,汽車節(jié)能減排技術(shù)主要有以下幾個方向：一是大力發(fā)展新能源汽車，如電動汽車、混合動力汽車以及插電式混合動力汽車；二是開發(fā)并制造技術(shù)先進(jìn)的汽車發(fā)動機；三是實現(xiàn)汽車整車質(zhì)量的輕量化 。由于我國的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，汽車的發(fā)動機技術(shù)的專業(yè)大多掌握在外國人的手中因此發(fā)展較困難、緩慢，所以上三種主要措施相比，有效降低汽車整車的自身質(zhì)量，是實現(xiàn)汽車節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的最有效措施。對于新能源汽車來說，由于目新能源汽車常用的電池，如鋰離子電池和鉛酸電池，它們均存在比能量和比功率偏小的問題，這常常無法滿足車輛的加速性能和續(xù)航里程要求，而且新能源汽車對其內(nèi)部的系統(tǒng)和機構(gòu)的空間分布要求較高，它的空間分布方式對總布置影響較大，所以減輕整車質(zhì)量對新能源汽車就顯得十分重要二 汽車輕量化的概念什么是汽車輕量化？百度汽車輕量化，從百度百科的定義可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)汽車輕量化具有一個整的概念，具體的它是指汽車在滿足原有的行駛安全性、耐撞性、抗震性以及舒適性等性能的前提下，以及其汽車本身造價不被提高的基礎(chǔ)上，有目標(biāo)地減輕汽車自身的重量。一般汽車輕量化的基礎(chǔ)概念可以從一下三個方面來闡述：。1）第一個方面是：汽車輕量化是在滿足汽車已有功能的情況下，應(yīng)用各種現(xiàn)有技術(shù)與手段降低車身重量而保持原功能不變，因此其輕量化的效果是直接減重。2）第二個方面是：目前，市面上存在著許多功能尚不能全部滿足要求或需要提升的汽車，對于這些汽車，汽車輕量化就是考慮如何在完善其功能而保持其質(zhì)量不變的前提下，達(dá)到改進(jìn)汽車的動力學(xué)性能、操縱穩(wěn)定性、降低各部分噪聲以及提高汽車的剛度和安全性的目的。3）第三個方面是：新能源汽車的輕量化既要提高和改進(jìn)汽車的性能，同時還要使汽車減重。基于以上三個方面，新能源汽車的輕量化設(shè)計，在實際上就是對汽車進(jìn)行功改進(jìn)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而使其整備質(zhì)量降低，以提高其性價比。三 作用與必要性3.1汽車輕量化的作用汽車輕量化是目前實現(xiàn)節(jié)能減排的最行之有效的措施，也是汽車工業(yè)追求的一種健康和持續(xù)發(fā)展的方式。數(shù)據(jù)顯示，汽車的整體質(zhì)量每降低10%，其燃油的消耗可降低，與此同時，汽車減重不見減少油耗，也減少了大氣中的排放量，車重每減少 50%，的排放量就會減少 13%，同時也減少了其他有害物質(zhì)的排放，如，氮化物、硫化物等，對提高環(huán)境的質(zhì)量也起到了很大的作用。在傳統(tǒng)燃油車輕量化技術(shù)研究與發(fā)展的基礎(chǔ)上，新能源汽車的輕量化可以提高動力性，能夠有效決續(xù)航能力不足，更能平衡輕量化材料導(dǎo)致的成本上升，帶動輕量化的規(guī)模，從而推動新能源汽車消費市場的持續(xù)擴大。3.2汽車輕量化的必要性隨著汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，目前大量的研究和實驗表明，汽車輕量化能夠改善燃油的經(jīng)濟性、減少空氣中的污染物和減少汽車廢氣的排放。如表1所示，這是新能源汽車中常用的電池類型，可以從表中發(fā)現(xiàn)不管是鉛酸電池，還是鋰離子電池，它們的比能量均遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)汽車使用液體燃料的單位比能量，然而電動車的動力系統(tǒng)（這里主要指電池）通常占整車總質(zhì)量的。這表明在同等排放量下的單位能耗（電耗量/100km）下，新能源汽車比傳統(tǒng)汽車的要輸出的能量更多，因此新能源汽車不能在像傳統(tǒng)汽車那樣靠一次的充能來實現(xiàn)長距離的行駛。于是這就要求電動汽車必須在實現(xiàn)電氣化的同時采用比傳統(tǒng)意義上的輕量化技術(shù)更有效的方法和措施。對于汽車輕量化，張小虞，中國機械工業(yè)聯(lián)合會的副會長曾就這個問題在2010年指出，汽車輕量化涉及傳統(tǒng)汽車和新能源汽，因此這個問題已經(jīng)成了汽車發(fā)展過程中的鴻溝和大課題。分析其中的含義，可以總結(jié)出以下三點：1）目前，不管是哪一款新能源汽車，它的續(xù)航里程受電池水平影響都很大，因此在電池技術(shù)發(fā)展緩慢的情況下，應(yīng)該選著發(fā)展汽車輕量化技術(shù)；2）當(dāng)今節(jié)約型社會的大環(huán)境下，公民節(jié)能減排意識逐步加強，沒有相當(dāng)輕量化水平的電動汽車其競爭力較低，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化將變得十分困難；3）新能源汽車中除了、電機、電控系統(tǒng)等成本居高難下以外，汽車輕量化還面臨著成本難以控制的巨大壓力。新能源汽車在汽車輕量化技術(shù)的引導(dǎo)下應(yīng)當(dāng)是具有一定輕量化水平的汽車，而不再是依靠電池或混合動力驅(qū)動的汽車，在設(shè)計時它們應(yīng)當(dāng)有輕量化的設(shè)計要求和目標(biāo)，我個人認(rèn)為，對于國內(nèi)一些達(dá)不到要求的新能源汽車應(yīng)當(dāng)暫停其開發(fā)和暫停發(fā)放補貼，轉(zhuǎn)而大力開發(fā)一些較有前景的汽車。同時人們應(yīng)當(dāng)知道，汽車輕量化技術(shù)應(yīng)該是一種共性的基礎(chǔ)應(yīng)用技術(shù)，是各種汽車都必須具備的一種技術(shù)。因此，新能源汽車的輕量化對我們國家具有重要的意義但同時又面臨巨大的挑戰(zhàn)。四 關(guān)鍵技術(shù)4.1 集成化超輕新能源汽車目前的研究成果中有一種名叫集成化超輕型新能源汽車的說法，它采用了相比一般電池更為成熟的電池技術(shù)以及電機驅(qū)動技術(shù)，而其實現(xiàn)輕量化的關(guān)鍵點則主要體現(xiàn)在其半承載式全塑車身以及其車身成型設(shè)備的開發(fā)。在新能源汽車設(shè)計中全塑車身的設(shè)計是輕量化設(shè)計的重要組成部分，全塑車身設(shè)計的設(shè)計思路體現(xiàn)在：車身一體化、組件模塊化、整體化，其實目的是實現(xiàn)細(xì)小零部件的高度集成，從而減少零部件的數(shù)量，降低生產(chǎn)的成本，從而達(dá)成車身輕量化的目標(biāo)。而目前車身整備質(zhì)量最輕的新能源汽車其質(zhì)量能達(dá)到 850kg(包括電池)。如圖 1所示，這種超輕新能源汽車具體結(jié)構(gòu)可以分成一下幾個部分：驅(qū)動電池單元、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、鋁制車身框架、復(fù)合材料車身、塑化地板等， 4.2 集成化纖維增強熱塑性地板新能源汽車的另一種關(guān)鍵技術(shù)是發(fā)展集成化纖維增強熱塑性地板。這種技術(shù)主要通過使用熱塑性材料制成的地板、高強度的塑料車身與鋁制框架，然后通過車聲上的通孔、孔槽和成型預(yù)埋金屬件實現(xiàn)高強度材料車身與熱塑性材料地板以及鋁制框架的連接，而這種車身結(jié)構(gòu)便是一種封閉式的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能使車身及其部件共同傳遞工作載荷，并吸收和傳遞部分碰撞能量。裝有熱塑性材料地板的超輕新能源汽車的總成圖如圖2所示。它在滿足使用要求的前提下，極大的減輕了汽車的整備質(zhì)量。目前，制造這種熱塑性地板的方法主要是在制造汽車的常用材料中加入纖維增強微分發(fā)泡材料，并且在加熱時，利用縱向軸和橫向軸同時帶動模具旋轉(zhuǎn)加熱，從而使材料逐漸加熱熔融并均勻涂覆于模具表面，通過空冷或水冷工藝?yán)鋮s模具，最后開模實現(xiàn)集成化地板。從工程材料的知識中可以知道，這種方法得到的材料其晶體更加細(xì)小均勻，因而能獲得強度更大，質(zhì)量更輕的車身。4.3 復(fù)合材料車身還有一種新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)是發(fā)展復(fù)合材料車身。與熱塑性地板一樣，復(fù)合材料車身的成型也是采用的旋塑成型工藝，就是在制造車身時采用多次加料的工藝，從而實現(xiàn)車身“實心再發(fā)泡再實心”的三明治強化效果。而這是一種一次整體成型的車身，采用了融入纖維增強微分發(fā)泡材料的方法，其優(yōu)勢在于:1)高分子復(fù)合材料相比與一般的金屬材料，在設(shè)計產(chǎn)品時具有更大選擇空間，能實現(xiàn)更加復(fù)雜的車身設(shè)計；2)一體化的車聲減少了在生產(chǎn)過程的各零部件數(shù)量和額外加裝的工序，從而減少了在安裝是的誤差和車身整體公差，大幅度的節(jié)省了汽車的組裝時間。五 發(fā)展趨勢與途徑目前有很多種實現(xiàn)汽車輕量化的方法，在前面的介紹中也提到了汽車輕量化的概念。結(jié)合新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)，目前，其輕量化主要有以下兩種發(fā)展趨勢：1）汽車輕量化目的是要實現(xiàn)整車以上的車身減重，從而抵消安裝動力系統(tǒng)凈增加的質(zhì)量；2）除了車身輕量化以外還可以從實現(xiàn)動力能源的輕量化的方向入手，如通過提高現(xiàn)有的新能源的比能量或開發(fā)新的動力電源等方法。只有通過這樣的方法去解決新能源汽車自身重量大、續(xù)駛里程短等問題，才能是汽車產(chǎn)業(yè)更加綠色和健康。圖 4 新能源汽車輕量化技術(shù)途徑綜上，如圖4所示，汽車輕量化的途經(jīng)可以分為：輕量的化材料、車輛結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和設(shè)計以及大力發(fā)展新型加工制造工藝，而實現(xiàn)以上途徑的方法分別為：1） 使用高強度材料和輕質(zhì)材料目前，有兩大類新型材料可用來減輕汽車自身的質(zhì)量：其中第一類是，通過使用高強度的材料，如高強度鋼、高強度不銹鋼、結(jié)構(gòu)鋼、高強度鑄鐵和粉末冶金等；另一類是使用新型輕質(zhì)材料，如鎂合金、鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料和塑料、金屬基復(fù)合材料、精細(xì)陶瓷、非金屬基復(fù)合材料等，這些材料都具有質(zhì)量輕、體積小、強度高等特點。2） 優(yōu)化設(shè)計、虛擬仿真、和有限元分析根據(jù)車聲輕量化的概念，車身輕量化不是一味的追求減輕車身質(zhì)量，因為車身在輕量化過程需要權(quán)衡考慮多個方面。整車結(jié)構(gòu)的安全性因素便是其中最重要的一點。由于目前國內(nèi)外還未能夠制定統(tǒng)一的新能源汽車碰撞標(biāo)準(zhǔn)及其他的安全指標(biāo)，這便導(dǎo)致車企在進(jìn)行輕量化的過程中需要使用大量的模擬仿真 ，最為常用的汽車設(shè)計仿真軟件有：ANSYS、CATIA、UG等，這些軟件能夠?qū)嚿磉M(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度、強度、疲勞性以及碰撞等進(jìn)行仿真分析，研究人員通過對這些結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)行車身的優(yōu)化設(shè)計從而提高了新能源汽車的可靠性和安全性。3） 采用激光拼接技術(shù)、熱壓成型技術(shù)與連接技術(shù)在對汽車進(jìn)行組裝和特別是對車身進(jìn)行拼接的時候，可以采用激光拼焊板技術(shù)，這種技術(shù)是基于成熟的激光焊接技術(shù)發(fā)展起來的現(xiàn)代加工工藝技術(shù)，其主要是它能把一些厚度、材料各不相同的鋼材焊接成一塊整板再使用沖壓生產(chǎn)，它的特點是能夠滿足零部件不同部位對材料不同性能的要求。研究和實驗表明，通過采用激光拼焊技術(shù)這種現(xiàn)代加工方法，可使汽車的總體零件數(shù)量減少約25%，從而使車身質(zhì)量減輕大約20%，提高抗扭剛度和振動特性約35%，同時還有極大的增強了彎曲剛度。六 結(jié)束通過對新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)與研究動態(tài)這么課程的學(xué)習(xí)，我們知道了什么是新能源汽車，它的關(guān)鍵技術(shù)有哪些，也對其中之一的關(guān)鍵技術(shù)汽車輕量化的關(guān)鍵技術(shù)展開了學(xué)習(xí)，通過了解并結(jié)合國內(nèi)外的現(xiàn)狀，我認(rèn)為新能源汽車的發(fā)展將繼續(xù)延續(xù)下去，并將成為主流，汽車也將擺脫內(nèi)燃機的驅(qū)動，由電動機代替。但目前電動車使用環(huán)境尚顯羞澀，個人消費市場的開拓始終嚴(yán)峻。其二，電動車技術(shù)看似吸引人，但在整體技術(shù)水平還參差不齊的環(huán)境下，未必是節(jié)能環(huán)保的最佳選擇。因此無論是成本問題還是技術(shù)攻關(guān)方面，電動車技術(shù)還是有一段路要走，混合動力始終繞不過，而天然氣車僅作為一種減少污染排放的選擇，燃料電池也難以成為市場主流，因此新能源汽車的輕量化就尤顯重要。綜上，要實現(xiàn)新能源汽車的輕量化，不能單方面考慮如何減重，要從慮材料、設(shè)計及制造技術(shù)等方面全面考慮；而新型材料的應(yīng)用則離不開新型加工制造成形技術(shù)的發(fā)展，新的設(shè)計思路必定伴隨著新型材料和新型加工工藝技術(shù)的發(fā)展與興起，汽車輕量化與材料、加工工藝、設(shè)計思路這三者關(guān)系密切，相輔相成，誰也離不開誰。 參考文獻(xiàn)：1 馮奇,范軍鋒,王斌,凌天鈞.汽車的輕量化技術(shù)與節(jié)能環(huán)保J.汽車工藝與材料,2010,02:4112 廖君,王馮良,