研究周报 | 低速电动车车身轻量化的技术途径

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【特约研究员 柏俊波】低速电动车需要研究轻量化有两大原因:一是在低速电动车的标准草案中,提出了“小尺寸”和“轻型化”的标准引导方向;二是减轻整车质量能够更有效地提升电源利用效率,并提高驾乘体验。

低速电动车的轻量化目标,主要包括车身轻量化、电池轻量化、电驱传动总成轻量化和零部件轻量化四个方面。如下图所示。

研究周报 | 低速电动车车身轻量化的技术途径

本期周报将着重介绍实现车身轻量化目标的三大技术途径,并对低速电动车的轻量化车身结构发展趋势进行探讨。低速电动车车身轻量化主要通过选用轻量化材料,采用轻量化设计方法,结合轻量化制造工艺三方面来实现。如下图所示。

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一、轻量化材料的应用

轻量化材料主要有高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料等等。

(1)轻质合金材料:铝、镁、钛合金材料是目前金属材料中体积质量较小的轻质合金材料,将其应用于低速电动车车身能够有效减轻车身质量,降低能耗并提升动力性能。铝合金车身具有质量轻、耐腐蚀性好、耐磨性好、比强度高及可回收等优点,相比于传统的钢板车身,轻质铝合金车身可以显著减轻车身质量30%~40%。

典型如北汽的ARCFOX-1,车身使用笼式设计的铝合金框架,单车用铝量超过160kg,占车身重量的 54%,使得车身的重量比钢制车身轻30%。

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镁的体积质量是铝的2/3,铁的1/4,在实用构造金属材料中最轻。镁合金车身质量轻、比强度高、比刚度高、抗冲击性好及阻尼减振性好,可以极大降低车身的质量。镁制车身板件与传统钢材制品相比最多可减重75%。但镁合金车身研制目前仍存在很多的困难,冲压成型工艺不成熟,即使相比于铝制板材件,其成本也要高出3~4倍。

钛合金同样是一种综合性能十分优异的轻质合金材料,具有体积质量小、比强度和比断裂韧性高、疲劳强度和抗裂纹扩展能力好、低温韧性良好、抗腐蚀性能优异、抗阻尼性能强、耐热性能好及吸气性能好等优点。目前制约其发展的主要因素也是价格高昂。

(2)高强度钢:高强度钢是指屈服强度介于210~550 MPa的钢材,而屈服强度超过550 MPa的钢材则称为超高强度钢。

目前高强度钢主要应用在汽车安全件、底盘及车身等方面,特别是车身座舱的A、B柱,门槛,车顶边梁以及底盘中央通道等关键部位上,可以大幅度提高车辆保护车内人员安全的能力。

与普通钢相比,高强度钢能够大幅增加构件的变形抗力,提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。在同等强度等级下,高强度钢可以通过减薄零件来达到减轻车身质量的目的。比如,北汽新推出的EC180,据说其车身采用了54%的高强度钢。

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(3)复合材料:复合材料是指由2种或2种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,提高材料的综合性能。

复合材料具有体积质量小、比强度和比模量大、耐磨耐蚀性好及加工成型方便等优点,正逐步取代金属材料,在汽车工业中发挥着越来越重要的作用。目前复合材料在车身中的应用主要有玻璃纤维增强塑料(GFRP)和碳纤维增强塑料(CFRP)。

CFRP作为车身材料,具有质量轻和强度大的特点。与钢材相比,CFRP的体积质量只有钢材的20%〜30%,而硬度却是钢材的10倍以上,这使得CFRP车身比钢质车身减轻50%以上,比铝质车身减轻约30%。除此之外,CFRP还具有良好的抗疲劳性、碰撞吸能性及制造工艺性,这些优点都适应轻量化车身材料的需求。

比如,宝马i3就采用了碳纤维增强复合材料(CFRP)车身,主要以聚丙烯腈的热塑性纺织纤维为原材料,在一定的压力和温度下,转化成极其细长的碳纤维丝线,最后再经过相应的氧化和碳化处理,形成车身材料。

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(4)工程塑料:目前已经使用工程塑料制造的有车身、车身翼子板、车身前后保险杠、车门内板、挡泥板等,与相同结构性能的金属材料相比实现减重40%,且其耐腐蚀性良好,吸能性能好,可以有效缓冲吸收低速状况下的轻微碰撞而无需维修或者更换部件,设计与制造工艺上比金属材料在造型上的自由程度更大,从制造性、成本、安全性方面考虑,它都是轻量化设计理想的材料。

比如,大家很熟悉的smart车型就大量使用了工程塑料,如下图所示。

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二、轻量化结构设计

轻量化设计方法贯穿了汽车从概念设计、初始车身结构设计到产品工程设计、样车试制过程等几乎整个设计过程。

(1)车身结构优化设计

车身结构的轻量化优化设计主要从两个方面着手:一是研究开发新的设计方法,从设计概念与理论上着手进行创新,以开发出先进的材料技术或者车身造型和制造技术;二是设计车身轻量化结构形状,以按实际工况为先导来对车身结构的形状进行优化设计,优化车身的空间结构,优化车内的空间布置,减少车身的零部件数量,同时对各个零部件进行轻量化优化,减小汽车零部件的结构尺寸和厚度。

(2)优化设计

优化设计是将数学中的最优化理论与工程设计相结合,将实际设计问题转化为最优化问题,根据设计对象不同,结构优化设计按设计变量的类型可以分为结构尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化4个层次。拓扑优化设计具备以下作用:

a. 避免零件设计的盲目性,改善模仿其他产品设计所带来的缺陷;

b. 提髙材料的利用率,减薄零部件的厚度,改善零部件的结构设计,减少材料的浪费,减轻零部件的质量;

c. 得到最优的模态、静动态力学性能,提升零部件的品质;

d. 减少或者简化了车身上不必要的复杂结构使其制造上得以简化。

三、轻量化制造工艺

轻量化制造工艺主要指轻量化车身材料制造和连接的新工艺。车身材料制造方面包括复合材料的片状模压成型(SMC)、树脂转移成型(RTM)等成型工艺及金属合金材料的液压成型、内高压成型、热成型及铝合金半固态成型等新型成型工艺。

例如液压成形就是一种柔性的成形技术,它是把流体介质作为冲压时的传力介质,取代了刚性冲压中的凸模与凹模,流体介质以髙压形式冲入需要成形的管件或板料的模具中,使管件或板料在模具内由液体压力变形成模具的造型,最终成为所需的汽车零部件形状。比如新奥迪A8的拱形车顶、车身框架、车身的覆盖件、车门等均采用液压成形技术加工制造,其车身实现了高度轻量化。

另外,激光拼焊技术可以在提升车身各种力学性能的同时,减少车身的材料消耗,减少零件数量,特别是一些加强支撑类的零件。

四、轻量化车身的发展趋势

依据车身应用的材料构成,可以分类为钢车身、以钢为主的多种材料混合车身、铝车身及复合材料车身。如何选择材料与相关的制造技术,取决于车辆的技术目标及成本结构。

钢车身:通过应用更多的高强度钢及先进制造技术减重,与软钢相比高强度钢一般减重10%到25%。

多种材料混合车身:车身材料以钢为主,其次是铝合金、复合材料及镁合金。多种材料混合车身充分挖掘了各种材料的潜力,如用铝保险杠梁改善低速碰撞性能,尾门外板用热固性复合材料SMC或者工程塑料等。

铝车身:铝车身包含全铝车身及以铝为主的车身。如果对零件简单地以铝代钢,减重可达40%-50%,比使用高强度钢代替普通软钢减重更多。但由于铝材价格高,铝车身一般用于高级轿车。对于低速电动车来说,可以考虑采用铝合金来制作模块化的底盘车架结构,如下图所示。

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复合材料车身:以复合材料为主的车身。复合材料也是轻质材料,减重效果明显。

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从轻量化车身材料上看,镁合金、钛合金及碳纤维复合材料的工艺要求和制造成本都非常高,尚有许多关键技术没有突破,目前还不太适合低速电动车轻量化车身制造。

在相当长的时间里,钢作为车身主体材料的地位会继续保持;多种材料混合车身则是发展趋势,钢的用量会逐渐减少;高价格车及小众车型的车身更多应用铝、复合材料等材料也是发展趋势。

编者按:为凝聚新能源汽车行业的研究力量,发挥协作效应,第一电动网建立特约研究员机制,邀请行业知名专家、大牛作者作为特约研究员,集中多方智慧,深入探索新能源汽车政策、资本、技术、市场等领域,并定期推出【研究周报】,解析行业热点问题。

来源:第一电动网

作者:冰封之城

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