江鈴新能源EV車輕量化設(shè)計(jì)

聶小勇 袁優(yōu)勇 余永霞

摘 要：人類賴以生存的地球空間，厄爾尼諾現(xiàn)象頻發(fā)，人們已經(jīng)意識(shí)到，我們需要一個(gè)綠色、環(huán)保的世界，于是各國(guó)加大了對(duì)大氣污染的整治，而傳統(tǒng)燃油車的尾氣排放作為大氣污染的罪魁禍?zhǔn)字?，各?guó)除了不斷提升加大排放標(biāo)準(zhǔn)以外，新能源汽車的發(fā)展已成為世界各國(guó)從國(guó)家層面予以支持的交通工具。新能源汽車主要向電動(dòng)化、智能化和輕量化發(fā)展，其中輕量化的研究開發(fā)，在新能源汽車上為提高行駛里程，加大整車能量密度上，不斷得到應(yīng)用和提升。江鈴集團(tuán)新能源開發(fā)的EV車型，在輕量化上做了比較系統(tǒng)的分析開發(fā)，主要針對(duì)車身、裝飾件部分做了較多的輕量化開發(fā)，從材料選用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新工藝?yán)煤拖到y(tǒng)集成化開發(fā)等方面進(jìn)行系統(tǒng)零部件減重，從而實(shí)現(xiàn)降低整車重量，提高整車能量密度，增加行車?yán)锍蹋瑫r(shí)通過CAE分析，能夠滿足整車的NHV性能、C-NCAP星級(jí)碰撞、以及車身飾件整車剛強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：輕量化;材料;結(jié)構(gòu);性能;能量密度

一輛整車的開發(fā)，經(jīng)由各系統(tǒng)集成整合而成，必須滿足整車NVH性能、C-NCAP碰撞以及車身飾件的彎曲扭轉(zhuǎn)剛度等的要求，為了保證有限電量的前提條件下，車輛行駛里程更長(zhǎng)，需對(duì)整車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，提高整車能量密度。輕量化設(shè)計(jì)路徑主要從輕質(zhì)材料的選用、結(jié)構(gòu)斷面的優(yōu)化、新工藝應(yīng)用以及集成模塊化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行綜合考量，使得整車即滿足各種工況下的性能要求，又能續(xù)航更長(zhǎng)的行駛里程。這里主要對(duì)江鈴新能源EV車型的車身鈑金、內(nèi)外裝飾件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)用分析。

1 車身輕量化設(shè)計(jì)

車身設(shè)計(jì)包含了如下所示的七大要素-安全、耐久、NVH、功能、工藝、成本及重量。其中，安全、NVH、耐久代表了車身性能表現(xiàn);車身設(shè)計(jì)質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)取決于這七大要素之間的平衡程度。用最小的成本、重量和工藝投入換來最優(yōu)的安全性、NVH表現(xiàn)、耐久性并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的車身功能，見圖1。

汽車輕量化技術(shù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、工藝的集成應(yīng)用，主要途徑有：

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)（如先進(jìn)的框架結(jié)構(gòu)車身設(shè)計(jì)）

（2）高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料（如高強(qiáng)鋼、鋁合金）

（3）先進(jìn)的制造工藝（如板材/管材液壓成形技術(shù)）其中輕量化材料及其連接技術(shù)是關(guān)鍵問題，見圖2。

江鈴集團(tuán)新能源車型的車身設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)輕量化，在材料應(yīng)用上有全鋁車身和鋼鋁混合車身，鋼鋁混合白車身下車身零件材料主要采用沖壓鋁和高強(qiáng)度鋼的方式實(shí)現(xiàn)輕量化，鋼、鋁連接時(shí)，為防止電腐蝕，需在鋼與鋁連接部位涂隔離層。同時(shí)，為保證鋼、鋁連接強(qiáng)度，需先涂粘接膠，然后使用鉚釘SPR連接;門檻邊梁、側(cè)圍板加強(qiáng)板等采用熱成型鋼;翼子板總成根據(jù)造型全新設(shè)計(jì)，材料為鋁合金（材料：6016-T4）;前端框架將水箱上橫梁總成、水箱下橫梁總成、左/右前立柱總成集成，一次性注塑成型，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模具、裝焊、材料、重量等成本降低;充電口蓋總成材料為復(fù)合材料;前防撞梁總成采用鋁合金材料。

熱成型材料重量占比29%，高強(qiáng)度鋼重量占比38%，普通鋼占比26%，鋁材料重量占比5%，其它材料重量占比2%。

開閉件設(shè)計(jì)前艙蓋總成采用全鋁前艙蓋，滿足CNCAP行人保護(hù)五星級(jí)要求;后行李箱蓋外板采用上、下分件形式，內(nèi)板后組合燈處進(jìn)行分件處理，外板下板采用復(fù)合材料;前后門總成為整體沖壓式結(jié)構(gòu)車門，窗框結(jié)構(gòu)形式采用半包式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)板及加強(qiáng)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)匹配，并需滿足側(cè)碰、NVH及扭轉(zhuǎn)折彎剛強(qiáng)度性能要求，見下圖。

2 裝飾件輕量化設(shè)計(jì)

內(nèi)外飾輕量化四大基本方案為減料厚薄壁化、輕質(zhì)材料的選用、以塑代鋼和模塊化設(shè)計(jì)。

（1）汽車內(nèi)外飾的薄壁化設(shè)計(jì)與車身采用高強(qiáng)度鋼提高模態(tài)達(dá)到車身減重目的相類似，汽車內(nèi)外飾使用材料大多為非金屬?gòu)?fù)合材料，通過提高材料的彎曲模量和拉伸強(qiáng)度就能在保證產(chǎn)品性能基礎(chǔ)上降低壁厚，從而減輕零部件的重量。如生產(chǎn)汽車塑料保險(xiǎn)杠，所選用的材料如果能夠?qū)澢Ａ坑?300MP提高到2000MP，則產(chǎn)品壁厚就能由3mm降到到2.5mm，減重15%以上。

（2）輕質(zhì)材料的使用能帶來非常直接的輕量化效果。在當(dāng)前的主流設(shè)計(jì)中，輕質(zhì)合金、復(fù)合材料的使用越來越廣泛。內(nèi)外飾材料中，PP改性材料由于來源廣泛、價(jià)格低廉，其使用量最大。內(nèi)飾產(chǎn)品中，低密度的PP材料內(nèi)飾板比傳統(tǒng)的內(nèi)飾板能減重8-15%。采用EIPP化學(xué)發(fā)泡技術(shù)的零件相比傳統(tǒng)注塑件減重20%左右，并且生產(chǎn)效率更高，外觀尺寸更穩(wěn)定。比如在門護(hù)板上的應(yīng)用，實(shí)體注塑1.5mm，發(fā)泡后壁厚2.8mm，不僅實(shí)現(xiàn)了較大程度的減重，并且比同重量的實(shí)體注塑有更高的強(qiáng)度。天然纖維填充PP能比傳統(tǒng)的礦物填充PP減重10%;PHC紙質(zhì)蜂窩做行李艙隔板比傳統(tǒng)的PP木粉板減重30%，并且無異味，無VOC;用PHC制造的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋比傳統(tǒng)的金屬?zèng)_壓件能減輕50%的重量。

（3）由于塑料的密度只有鋼的1/4—1/7，在滿足同等強(qiáng)度和剛度情況下能實(shí)現(xiàn)減重30-50%。其中長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料不僅具有高強(qiáng)度、高剛性、好的沖擊強(qiáng)度、抗蠕變性能和高尺寸穩(wěn)定性，而且資源豐富，成本較低，同時(shí)還具有良好的流動(dòng)性可以做出形狀復(fù)雜的汽車部件，已得到汽車行業(yè)的認(rèn)可。內(nèi)外飾的“以塑代鋼”應(yīng)用中比較有代表性的就是全塑尾門的應(yīng)用。目前市場(chǎng)上銷售的汽車絕大部分的汽車背門都是金屬?zèng)_壓成型的，包含外板、內(nèi)板、加強(qiáng)板以及內(nèi)飾板等，零件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。全塑汽車后背門采用SMC或長(zhǎng)玻纖PP復(fù)合材料做內(nèi)板、PP礦粉填充材料做外板，通過粘結(jié)方式將內(nèi)、外板粘結(jié)到一起。塑料后背門與金屬門相比有更高的集成度和設(shè)計(jì)自由度，零件數(shù)量減少60%，模具費(fèi)用節(jié)省一半，實(shí)現(xiàn)減重30-40%。

（4）汽車配件設(shè)計(jì)的模塊化是汽車設(shè)計(jì)開發(fā)的趨勢(shì)，目前主要有駕駛艙模塊、頂棚系統(tǒng)，車門模塊、前端模塊、地毯與減震墊集成、防火墻模塊等。未來十年，模塊化設(shè)計(jì)將會(huì)得到快速的發(fā)展。如將儀表板、儀表板橫梁、空調(diào)系統(tǒng)等零件集成到一個(gè)模塊上，通過機(jī)械手安裝到車身上，既能實(shí)現(xiàn)減重又能提高裝配效率。

江鈴集團(tuán)新能源新開發(fā)車型在內(nèi)外飾設(shè)計(jì)方面也從多方面進(jìn)行了輕量化解決方案，前后保在滿足低速碰撞行人保護(hù)等前提條件下薄壁化處理，由一貫保守的壁厚3.5mm減薄為2.6mm;主副儀表臺(tái)本體及門護(hù)板本體選用微發(fā)泡材料（PBT+ABS），可降重10%;后備箱裝飾件均選用熱壓成型軟內(nèi)飾材料;輪罩擋泥板裝飾件采用PET/PP無紡棉輕質(zhì)材料。以上為通過薄壁化、輕質(zhì)化材料選用和模塊化設(shè)計(jì)路徑實(shí)現(xiàn)內(nèi)外飾材料的輕量化，見圖4。

內(nèi)外飾輕量化目前還存在著幾方面的風(fēng)險(xiǎn)問題，材料環(huán)保問題、計(jì)算分析問題和成本問題，內(nèi)外飾輕量化設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)能力、材料的性能和供應(yīng)商的制造能力都有較高要求，這對(duì)于江鈴集團(tuán)新能源乃至國(guó)內(nèi)大多數(shù)的主機(jī)廠和供應(yīng)商都是個(gè)很大的挑戰(zhàn)，但是隨著國(guó)外一些新材料、新技術(shù)、新工藝的引進(jìn)，必然會(huì)對(duì)主機(jī)廠和供應(yīng)商的能力提升產(chǎn)生很大的促進(jìn)作用，使得國(guó)內(nèi)內(nèi)外飾產(chǎn)業(yè)鏈整體能力得到大幅提升。

3 輕量化設(shè)計(jì)CAE碰撞及剛強(qiáng)度分析

江鈴集團(tuán)新車型車身和內(nèi)外飾輕量化的設(shè)計(jì)方案，通過CAE分析材料的選用以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，碰撞分析和剛強(qiáng)度分析均基本能夠滿足目標(biāo)要求。

根據(jù)數(shù)據(jù)模型正碰和側(cè)碰仿真分析，CAE仿真分析優(yōu)化，正碰中B柱加速度峰值得到明顯改善，其峰值脈寬基本能滿足要求，縱梁變形模式較為正常，前圍入侵降低明顯;偏置碰中B柱加速度峰值及前圍板入侵量得到少量改善，縱梁前中段壓潰變形模式較好，其中前圍及關(guān)聯(lián)區(qū)域入侵還需進(jìn)一步優(yōu)化;B柱及前門入侵量均有明顯降低，所有考查項(xiàng)滿足目標(biāo)要求;B柱下段及門檻內(nèi)板區(qū)域強(qiáng)度得到提升，整體側(cè)面入侵變形均有改善，見圖5。

基于白車身三維數(shù)據(jù)模型，采用慣性釋放，模型無約束，根據(jù)輸入狀態(tài)，ADAMAS計(jì)算輸出硬點(diǎn)載荷，工況分析均滿足目標(biāo)要求。

基于儀表臺(tái)三維數(shù)據(jù)模型，儀表板與車身連接處全約束，空調(diào)與車身連接處約束（X，Y，Z）平動(dòng)方向，施加1G重力，目標(biāo)值最大位移小于2mm，分析均滿足目標(biāo)要求，見圖6。

能源與環(huán)境危機(jī)，加上碳排放也更為嚴(yán)格（國(guó)內(nèi)在2020將采用國(guó)Ⅵ的排放標(biāo)準(zhǔn)），迫使新能源汽車把汽車輕量化設(shè)計(jì)成為目前改善能耗問題的必要途徑之一。江鈴新能源也已把輕量化技術(shù)作為三大技術(shù)平臺(tái)方向之一做了大力投入，從結(jié)構(gòu)上優(yōu)化設(shè)計(jì)同時(shí)，在控制成本的前提下，從輕質(zhì)材料和新工藝上提升應(yīng)用比例，設(shè)備工裝上做先期規(guī)劃改造，在新車型開發(fā)過程中，輕量化作為重要指標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)管控，對(duì)提高整車能量密度、車輛控制穩(wěn)定性、碰撞安全性都大有裨益，從而實(shí)現(xiàn)等同電量的條件下，進(jìn)一步加大行車?yán)锍獭?/p>