電動(dòng)汽車車身輕量化設(shè)計(jì)芻議

作者簡(jiǎn)介：孫飛豹（1959—），男，沈陽(yáng)工學(xué)院，副教授，高級(jí)工程師，研究方向；車輛工程。

摘 要：該文基于我國(guó)十二五發(fā)展新能源汽車科技發(fā)展規(guī)劃、對(duì)目前純電動(dòng)汽車車身輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述、主要針對(duì)對(duì)國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車應(yīng)用新材料，新工藝問(wèn)題進(jìn)行了對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞：車身輕量化；鎂合金；復(fù)合材料

一、汽車車身輕量化應(yīng)用新材料

1.鋁合金

與普通低碳鋼鋼板相比，鋁合金具有密度?。?.7g/cm3）、比強(qiáng)度高、耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形等優(yōu)點(diǎn)，而且由于所有的鋁合金都可以回收再生利用，深受環(huán)保人士的歡迎。

在工藝方面，根據(jù)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，可以采用激光束壓合成型，將不同厚度的鋁板或者用鋁板與鋼板復(fù)合成型，再在表面涂覆防腐蝕材料使其結(jié)構(gòu)輕量化且具有良好的耐腐蝕性。

鋁合金已成為僅次于鋼材的汽車用金屬材料，能夠?yàn)槠囂峁└鞣N鋁合金鑄件、沖壓結(jié)構(gòu)件和拉制的鋁型材。鋁合金主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、活塞、進(jìn)氣支管、氣缸蓋、變速器殼體、矯車的骨架、車身、座椅支架、車輪等部件。

輕質(zhì)的鋁合金車身使車體質(zhì)量大大減輕，與相同體積的鋼鐵相比，質(zhì)量可減輕30%-40%，這意味著更低的油耗和更佳的動(dòng)力性能。此外，框架結(jié)構(gòu)還可以提高車體的安全性，保護(hù)車內(nèi)設(shè)施。我國(guó)鋁資源豐厚，作為國(guó)家戰(zhàn)略，應(yīng)該全力研發(fā)并推廣輕質(zhì)鋁合金在電動(dòng)汽車車身及底盤(pán)上的應(yīng)用，降低對(duì)鐵礦石資源的依賴。

2.鎂合金

鎂的密度為1.8g/cm3，僅為鋼材密度的35%，鋁材密度的66%。此外它的比強(qiáng)度、比剛度高，阻尼性、導(dǎo)熱性好，電磁屏蔽能力強(qiáng)，尺寸穩(wěn)定性好，因此在航空工業(yè)和汽車工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。鎂的儲(chǔ)藏量十分豐富，鎂可從石棉、白云石、滑石中提取，特別是海水的鹽分中含3.7%的鎂。近年來(lái)鎂合金在世界范圍內(nèi)的增長(zhǎng)率高達(dá)20%。

鑄造鎂合金的車門由成型鋁材制成的門框和耐碰撞的鎂合金骨架、內(nèi)板組成。另一種鎂合金制成的車門，它由內(nèi)外車門板和中間蜂窩狀加強(qiáng)筋構(gòu)成，每扇門的凈質(zhì)量比傳統(tǒng)的鋼制車門輕10kg，且剛度極高。隨著壓鑄技術(shù)的進(jìn)步，已可以制造出形狀復(fù)雜的薄壁鎂合金車身零件，如前、后擋板、儀表盤(pán)、方向盤(pán)等。

3.高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料

復(fù)合材料是一種多相材料，是由有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)非金屬和金屬等原材料復(fù)合而成。目前玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料和碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料在汽車上已經(jīng)獲得成功的應(yīng)用。

玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料耐腐蝕、絕緣性好，特別是有良好的可塑性，對(duì)模具要求較低，對(duì)制造車身大型覆蓋件的模具加工工藝較簡(jiǎn)易，生產(chǎn)周期短，成本較低。在矯車和客車上，采用玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料制造的矯車車身覆蓋件、客車前后圍覆蓋件和貨車駕駛室等零部件。

高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料，特別是碳纖維復(fù)合材料（CFRP），因其質(zhì)量小，而且具有高強(qiáng)度、高剛性，有良好的耐蠕變與耐腐蝕性，因而是很有前途的汽車用輕量化材料。碳纖維車身比鋼質(zhì)車身可減輕50%的質(zhì)量，比鋁車身輕約30%。碳纖維作為汽車材料，質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，質(zhì)量?jī)H相當(dāng)于鋼材的20%-30%，硬度卻是鋼材的10倍以上。汽車制造采用碳纖維材料可以使汽車的輕量化取得突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)整車減重效果可以達(dá)到50%以上。

二、電動(dòng)汽車的整車輕量化關(guān)鍵技術(shù)工藝

電動(dòng)汽車車身輕量化的技術(shù)工藝重點(diǎn)應(yīng)該放在新材料的應(yīng)用及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和相應(yīng)的工藝制造技術(shù)。其中輕量化新材料的成型和焊接工藝尤為突出。

（1）片狀膜成型（SMC）、樹(shù)脂轉(zhuǎn)移成型（RTM）、擠壓、注射、液態(tài)或半固態(tài)等新型成型工藝取代傳統(tǒng)沖壓工藝。這種工藝特點(diǎn)是產(chǎn)品的一致性好、效率高，但需要非常昂貴的設(shè)備與模具投入，整車產(chǎn)品投資在1億元人民幣左右。在一定程度上制約了新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

（2）粘接、鉚接工藝取代傳統(tǒng)焊接工藝，它將汽車不同的沖壓件按要求精確定位在專用的的工裝夾具上，采用大功率的機(jī)器人焊接線拼焊成形，其一次性的設(shè)備、工裝投入僅次于涂裝工藝，在工廠面積、作業(yè)環(huán)境、操作安全方面都有規(guī)范要求。這種工藝特點(diǎn)是工藝復(fù)雜、投入大。電動(dòng)汽車在采用輕量化材料和工藝后，必將帶來(lái)汽車車身設(shè)計(jì)制造的革命。

三、尾聲

綜上所述，目前純電動(dòng)汽車汽車車身質(zhì)量的高起點(diǎn)和相對(duì)黑色金屬的高成本售價(jià)、在國(guó)家補(bǔ)貼政策的扶持下、已逐步被市場(chǎng)接受。如果采用上述輕質(zhì)材料必將推動(dòng)新能源汽車的發(fā)展，也將推動(dòng)電動(dòng)汽車的推廣和應(yīng)用。

在整車車身設(shè)計(jì)上立足以現(xiàn)有金屬材料為主，輔以輕質(zhì)復(fù)合材料過(guò)度。開(kāi)發(fā)推廣應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件，在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)等部位，部分采用輕質(zhì)復(fù)合材料、已達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。（作者單位：沈陽(yáng)工學(xué)院）

參考文獻(xiàn)：

[1] 電動(dòng)汽車科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃，中華人民共和國(guó)信息與工業(yè)化部，2012.3.4

[2] 新能源汽車人才走俏，汽車企業(yè)需求大，《職業(yè)經(jīng)理人周刊》，北京華美天驕國(guó)際投資管理顧問(wèn)有限公司，作者：許建英，2011-3-22