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    1. 新材料與工藝手冊

      新能源汽車車身結構研究

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      樓主
      發表于 2021-8-2 15:24:59 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式

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      新能源汽車車身結構研究
      苑春迎
      貴州工業職業技術學院 貴州省貴陽市 550008
      摘 要: 新能源汽車車身結構與常規能源汽車車身結構相比,有很多相似之處,也有其自身的特點,本文以新能源汽車對車身結構的要求為出發點,介紹了新能源汽車安全性要求,輕量化的途徑,并對新能源汽車車身結構重點研究的內容作了探討。
      關鍵詞:新能源 車身結構 安全 輕量化
      1 新能源汽車的發展現狀

      新能源汽車是相對于常規能源(化石燃料)汽車而言,新能源汽車包含四大類:混合動力汽車、純電動汽車、氫燃料電池電動汽車和其他新能源汽車。目前汽車朝著節能、環保、安全方向發展,新能源汽車在節能、環保上有著常規能源汽車所不具備的優勢。目前全球各大傳統汽車廠商都在全力布局新能源汽車,多個產品已經量產上市,新能源汽車時代已經到來。

      2 新能源汽車車身結構的安全要求

      汽車車身,特別是乘用車車身,已經成為影響整車性能的最大系統之一。特別是人們對汽車安全性能要求越來越高。和常規能源汽車一樣,新能源汽車車輛的安全落腳點也在車身,車身的安全性能評價以車身碰撞測試為主要參考依據,目前全球汽車碰撞測試認可度比較高是歐洲的NCAP,5星是最高標準。具有堅硬的中段車身,具有吸能結構的前部和后部車身是一個安全的車身的基本要求。堅硬的中段車身,是駕駛員、乘員所處的位置,中段車身在碰撞中以堅硬的框架抵抗變形,給駕駛員、乘員提供生存空間。前段、后段車身也需要高的強度,低速碰撞時保證車身不產生變形;而在高速碰撞時,前后段車身特殊的材料和結構設計使前后段車身能在碰撞中產生彎曲變形或者被壓潰,從而在碰撞中吸收車輛高速運動的動能,減少能力對中段車身的沖擊,以保證人員的安全。

      車輛發生碰撞有幾種情況:正面碰撞、側面碰撞、后面碰撞以及翻滾、撞人等,各種碰撞形式的發生以及造成的死亡比例是不同的[1]。圖1和圖2顯示,正面碰撞事故占比最高占67%,死亡率占31%,側面碰撞事故占比28%,但死亡占比較高34%[1]。主動安全研究的側重點是根據各種碰撞形式,模擬車輛在各種事故中對人員的傷害,從而有針對性的設計車身結構,提升駕乘人員在事故中生存的幾率。所以正面碰撞發生比例高,但是人員死亡的相對較低。

      圖1 不同碰撞形式發生比例

      圖2 不同形式碰撞人員死亡占比

      安全也可以延伸的到車輛財產的安全。在事故中人的生命是第一位的,但汽車也是一個商品,也有價值。在保證人員安全的前提系車輛本身的安全也要考慮。在事故中,我們對于安全的評價由高到低依次為:1、人車安全;2、車毀,人安全;3、車輛安全,人亡;4、車毀人亡。全球知名汽車制造企業沃爾沃將人的安全放在了最重要的位置,這樣的造車理念引領了安全潮流。

      3 新能源汽車車身結構的輕量化要求

      汽車行駛過程中的阻力有:空氣阻力、滾動阻力、爬坡阻力和加速阻力,其中滾動阻力、爬坡阻力和加速阻力都與正常的質量成正比,有資料研究表明:汽車自重每減少10%,燃油消耗可降低6%~8%,排放可降低4%左右[1]。

      汽車整車有四個部分組成,分別是:車身、底盤、發動機和汽車電子。對于乘用車來說,車身占整車質量的40%~60%,約70%的油耗是用在車身質量上的,因此,汽車車身特別是白車身的輕量化是車輛輕量化的重要部分,國內外也大多以車身結構優化作為整車輕量化的重點[1]。

      對于新能源汽車,輕量化更加擺在凸出的位置。研究表明:對于電動汽車而言,一百公斤的減重可以增加續航距離的10%左右[2]。車身輕帶來的好處是多方面的,一是可以降低能量消耗,二是增加了承載能力,三是因為質量輕,還可以減小剎車距離。新能源汽車車身在輕量化方面有著巨大的優勢,因為減少了傳統的發動機、變速器等大部件,車身結構比較好布置,在保證車身強度、剛度的前提下,車身結構可更加合理布置。

      新能源汽車車身結構輕量化的途徑:

      (1)新材料的應用

      使用新材料是實現汽車輕量化的重要手段。以鋁合金材料、高強度鋼材、碳纖維為代表的新材料已經在大量使用。新材料的使用不僅僅是對傳統材料的替代,它還涉及多種學科及技術的支持,比如物理、化學學科,材料試驗檢查技術、零部件設計制造技術、新材料回收技術等等。

      車身輕量化在新材料使用中,高強度鋼材最為普遍,目前車身制造,已經普及使用高強度的汽車專用鋼材。鋁合金車身的使用在材料輕量化中效果是最好的一個,汽車品牌中捷豹、奧迪、特斯拉都有鋁合金車身的產品問世。其減重效果優于高強度鋼,但鋁合金車身價格是鋼車身的3倍左右,所以只有在高端品牌中鋁合金車身才有市場。

      輕量化就是在質量、性能和價格三者之間找平衡。與高強度鋼、鋁合金相比,碳纖維有密度優勢,有比較高的比強度和比剛度,還有比較好的耐腐蝕性,這是非金屬材料比較典型的特點。但價格是比較大的劣勢,碳纖維的綜合成本是鋁的綜合成本的2~2.5倍[3],F階段,在輕量化中碳纖維可以和鋁合金搭配,作為補充材料使用,也可以只在關鍵材料上使用。長遠上看,通過降低成本等途徑,也有作為汽車輕量化應用主要材料。

      (2)結構優化設計

      結構優化設計是車身輕量化的基礎,車身骨架和承載部件結構復雜,集合了各種材料、各種工藝。車身結構對車輛被動安全性,結構剛度、強度和車輛的振動性能有著巨大影響。目前車身結構優化設計減重,就是利用CAE等分析技術,在保證車身結構性能的前提下使零件質量更小。結構優化設計包含三個層次:尺寸優化、形狀優化及拓撲優化[1]。車身結構優化涉及的指標很多,指標之間多是相互矛盾的,比如剛度、模態、碰撞安全及產品性能方面,只能做到相對統一。在實際生產中,結構優化設計減重的途徑為零部件空心結構、零部件薄壁結構、零部件復合結構等方法,這些優化設計使車輛覆蓋件、結構件達到輕量化的目的。

      (3)制造技術輕量化

      通過對材料性能的研究,利用不同的制造工藝可以在零部件制造過程中減輕重量。常用的制造技術有:激光拼焊接技術、液壓成形技術、電磁成形技術、先進連接技術等等[4]。

      激光拼焊接技術可以將材質不同、厚度不同、表面處理要求不同的工件通過激光拼接在一起,組成一個新的毛坯件,然后再通過沖壓成零件。例如乘用車側圍總成是一個典型的激光品焊接件,激光拼焊接技術可以有效減少零件質量,減少焊點,提高強度。通過先進的制造技術,主要解決的是產品的性能問題,進而解決了輕量化的問題。

      液壓成形技術是指把毛坯件放在封閉的模具里,通過管道把液體介質(油、水等)引入毛坯件內部及模具內腔,對液體介質進行加壓,毛坯件在特定空間里被高壓的流體介質膨脹、壓縮、成形。液壓成形技術可以減少模具數量和零件數量,多個零件由一個統一的液壓成形件代替,即增加結構剛度,又減輕重量。

      電磁成形技術就是指在磁力作用下,使材料產生變形。電磁成形技術優點很多,可以實現無接觸加工,不需要潤滑及后面的清理,易于實現加工過程自動化。電磁成形不僅適用常規的鋼鐵材料,還適用于鋁、鎂等輕質材料,是實現車身輕量化的一種技術支持。

      對于車身制造過程中的連接,傳統的連接方式是電阻點焊和氣體保護焊(包括惰性氣體保護焊和活性氣體保護焊)。由于輕量化車身制造的要求,多種材料使用在車身制造中,新的連接技術就出現了,歸為2大類:機械連接技術、復合連接技術。機械連接技術如壓焊、折疊等代替電阻點焊,可實現多種材料或者夾層材料的連接,材料表面涂層不被破壞,連接前不需要預處理。復合連接就是將兩種連接方式結合起來使用,優勢互補,比如點焊+黏結等。

      4 結束語

      對于傳統的汽車車身結構,研究人員從安全、輕量化、振動等方面都提出了很多的要求。對新能源汽車車身結構,因為高壓電的存在,所以對其安全性要求更高,更苛刻。主要體現在絕緣、密封、高壓電可維修性能等方面,這對車身結構提出了新的要求。由于電池本身比較重,怎么布置電池也對車身結構提出要求,需要針對車身的耐久性能做特殊的設計。



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