低速電動車車身輕量化的技術途徑分析

1、低速電動車車身輕量化的技術途徑分析低速電動車需要研究輕量化有兩大原因：一是在低速電動車的標準草案中，提出了“小尺寸”和“輕型化”的標準引導方向；二是減輕整車質(zhì)量能夠更有效地提升電源利用效率，并提高駕乘體驗。低速電動車的輕量化目標，主要包括車身輕量化、電池輕量化、電驅(qū)傳動總成輕量化和零部件輕量化四個方面。如下圖所示。本期周報將著重介紹實現(xiàn)車身輕量化目標的三大技術途徑，并對低速電動車的輕量化車身結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢進行探討。低速電動車車身輕量化主要通過選用輕量化材料，采用輕量化設計方法，結(jié)合輕量化制造工藝三方面來實現(xiàn)。如下圖所示。一、輕量化材料的應用輕量化材料主要有高強度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料、復合

2、材料等等。(1)輕質(zhì)合金材料：鋁、鎂、鈦合金材料是目前金屬材料中體積質(zhì)量較小的輕質(zhì)合金材料，將其應用于低速電動車車身能夠有效減輕車身質(zhì)量，降低能耗并提升動力性能。鋁合金車身具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、耐磨性好、比強度高及可回收等優(yōu)點，相比于傳統(tǒng)的鋼板車身，輕質(zhì)鋁合金車身可以顯著減輕車身質(zhì)量30%40%。典型如北汽的ARCFOX-1，車身使用籠式設計的鋁合金框架，單車用鋁量超過160kg，占車身重量的 54%，使得車身的重量比鋼制車身輕30%。鎂的體積質(zhì)量是鋁的2/3，鐵的1/4，在實用構(gòu)造金屬材料中最輕。鎂合金車身質(zhì)量輕、比強度高、比剛度高、抗沖擊性好及阻尼減振性好，可以極大降低車身的質(zhì)量。鎂制車

3、身板件與傳統(tǒng)鋼材制品相比最多可減重75%。但鎂合金車身研制目前仍存在很多的困難，沖壓成型工藝不成熟，即使相比于鋁制板材件，其成本也要高出34倍。鈦合金同樣是一種綜合性能十分優(yōu)異的輕質(zhì)合金材料，具有體積質(zhì)量小、比強度和比斷裂韌性高、疲勞強度和抗裂紋擴展能力好、低溫韌性良好、抗腐蝕性能優(yōu)異、抗阻尼性能強、耐熱性能好及吸氣性能好等優(yōu)點。目前制約其發(fā)展的主要因素也是價格高昂。(2)高強度鋼：高強度鋼是指屈服強度介于210550 MPa的鋼材，而屈服強度超過550 MPa的鋼材則稱為超高強度鋼。目前高強度鋼主要應用在汽車安全件、底盤及車身等方面，特別是車身座艙的A、B柱，門檻，車頂邊梁以及底盤中央通道等

4、關鍵部位上，可以大幅度提高車輛保護車內(nèi)人員安全的能力。與普通鋼相比，高強度鋼能夠大幅增加構(gòu)件的變形抗力，提高能量吸收能力和擴大彈性應變區(qū)。在同等強度等級下，高強度鋼可以通過減薄零件來達到減輕車身質(zhì)量的目的。比如，北汽新推出的EC180，據(jù)說其車身采用了54%的高強度鋼。(3)復合材料：復合材料是指由2種或2種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法，組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，提高材料的綜合性能。復合材料具有體積質(zhì)量小、比強度和比模量大、耐磨耐蝕性好及加工成型方便等優(yōu)點，正逐步取代金屬材料，在汽車工業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。目前復合材料在車身中的應用主要

5、有玻璃纖維增強塑料(GFRP)和碳纖維增強塑料(CFRP)。CFRP作為車身材料，具有質(zhì)量輕和強度大的特點。與鋼材相比，CFRP的體積質(zhì)量只有鋼材的20%?30%,而硬度卻是鋼材的10倍以上，這使得CFRP車身比鋼質(zhì)車身減輕50%以上，比鋁質(zhì)車身減輕約30%。除此之外，CFRP還具有良好的抗疲勞性、碰撞吸能性及制造工藝性，這些優(yōu)點都適應輕量化車身材料的需求。比如，寶馬i3就采用了碳纖維增強復合材料(CFRP)車身，主要以聚丙烯腈的熱塑性紡織纖維為原材料，在一定的壓力和溫度下，轉(zhuǎn)化成極其細長的碳纖維絲線，最后再經(jīng)過相應的氧化和碳化處理，形成車身材料。(4)工程塑料：目前已經(jīng)使用工程塑料制造的有車

6、身、車身翼子板、車身前后保險杠、車門內(nèi)板、擋泥板等，與相同結(jié)構(gòu)性能的金屬材料相比實現(xiàn)減重40%，且其耐腐蝕性良好，吸能性能好，可以有效緩沖吸收低速狀況下的輕微碰撞而無需維修或者更換部件，設計與制造工藝上比金屬材料在造型上的自由程度更大，從制造性、成本、安全性方面考慮，它都是輕量化設計理想的材料。比如，大家很熟悉的smart車型就大量使用了工程塑料，如下圖所示。二、輕量化結(jié)構(gòu)設計輕量化設計方法貫穿了汽車從概念設計、初始車身結(jié)構(gòu)設計到產(chǎn)品工程設計、樣車試制過程等幾乎整個設計過程。(1)車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計車身結(jié)構(gòu)的輕量化優(yōu)化設計主要從兩個方面著手：一是研究開發(fā)新的設計方法，從設計概念與理論上著手進行創(chuàng)

7、新，以開發(fā)出先進的材料技術或者車身造型和制造技術；二是設計車身輕量化結(jié)構(gòu)形狀，以按實際工況為先導來對車身結(jié)構(gòu)的形狀進行優(yōu)化設計，優(yōu)化車身的空間結(jié)構(gòu)，優(yōu)化車內(nèi)的空間布置，減少車身的零部件數(shù)量，同時對各個零部件進行輕量化優(yōu)化，減小汽車零部件的結(jié)構(gòu)尺寸和厚度。(2)優(yōu)化設計優(yōu)化設計是將數(shù)學中的最優(yōu)化理論與工程設計相結(jié)合，將實際設計問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題，根據(jù)設計對象不同，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計按設計變量的類型可以分為結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓撲優(yōu)化4個層次。拓撲優(yōu)化設計具備以下作用：a. 避免零件設計的盲目性，改善模仿其他產(chǎn)品設計所帶來的缺陷；b. 提髙材料的利用率，減薄零部件的厚度，改善零部件的結(jié)構(gòu)

8、設計，減少材料的浪費，減輕零部件的質(zhì)量；c. 得到最優(yōu)的模態(tài)、靜動態(tài)力學性能，提升零部件的品質(zhì)；d. 減少或者簡化了車身上不必要的復雜結(jié)構(gòu)使其制造上得以簡化。三、輕量化制造工藝輕量化制造工藝主要指輕量化車身材料制造和連接的新工藝。車身材料制造方面包括復合材料的片狀模壓成型(SMC)、樹脂轉(zhuǎn)移成型(RTM)等成型工藝及金屬合金材料的液壓成型、內(nèi)高壓成型、熱成型及鋁合金半固態(tài)成型等新型成型工藝。例如液壓成形就是一種柔性的成形技術，它是把流體介質(zhì)作為沖壓時的傳力介質(zhì)，取代了剛性沖壓中的凸模與凹模，流體介質(zhì)以髙壓形式?jīng)_入需要成形的管件或板料的模具中，使管件或板料在模具內(nèi)由液體壓力變形成模具的造型，最終

9、成為所需的汽車零部件形狀。比如新奧迪A8的拱形車頂、車身框架、車身的覆蓋件、車門等均采用液壓成形技術加工制造，其車身實現(xiàn)了高度輕量化。另外，激光拼焊技術可以在提升車身各種力學性能的同時，減少車身的材料消耗，減少零件數(shù)量，特別是一些加強支撐類的零件。四、輕量化車身的發(fā)展趨勢依據(jù)車身應用的材料構(gòu)成，可以分類為鋼車身、以鋼為主的多種材料混合車身、鋁車身及復合材料車身。如何選擇材料與相關的制造技術，取決于車輛的技術目標及成本結(jié)構(gòu)。鋼車身：通過應用更多的高強度鋼及先進制造技術減重，與軟鋼相比高強度鋼一般減重10%到25%。多種材料混合車身：車身材料以鋼為主，其次是鋁合金、復合材料及鎂合金。多種材料混合車身充分挖掘了各種材料的潛力，如用鋁保險杠梁改善低速碰撞性能，尾門外板用熱固性復合材料SMC或者工程塑料等。鋁車身：鋁車身包含全鋁車身及以鋁為主的車身。如果對零件簡單地以鋁代鋼，減重可達40%-50%，比使用高強度鋼代替普通軟鋼減重更多。但由于鋁材價格高，鋁車身一般用于高級轎車。對于低速電動車來說，可以考慮采用鋁合金來制作模塊化的底盤車架結(jié)構(gòu)，如下圖所示。復合材料車身：以復合材料為主的車身。復合材料也是輕質(zhì)材料，減重效果明顯。從輕量化車