魏振洋
(中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司天津技術(shù)開(kāi)發(fā)分公司)
輕量化技術(shù)應(yīng)用新能源汽車(chē)性能提升是一種新型的科技,是將機(jī)械與計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及信息技術(shù)等相結(jié)合的技術(shù)形式。輕量化技術(shù)應(yīng)用新能源汽車(chē)性能提升是一種性能優(yōu)化、智能化的系統(tǒng),便于對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行操控,在汽車(chē)廠工業(yè)上創(chuàng)新應(yīng)用機(jī)械設(shè)備是非常重要的,可以推動(dòng)汽車(chē)廠工業(yè)的發(fā)展,并且讓汽車(chē)廠工業(yè)實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化以及智能化的發(fā)展,符合未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
目前,我國(guó)汽車(chē)制造行業(yè)通過(guò)充分利用新能源,緩解因汽車(chē)數(shù)量增加導(dǎo)致的生態(tài)氣候污染嚴(yán)重問(wèn)題,從根本上保障了地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)階段,國(guó)內(nèi)汽車(chē)制造尚未積累豐富經(jīng)驗(yàn),在汽車(chē)性能、續(xù)航能力以及能耗等方面依然存在較大的提升空間。而汽車(chē)輕量化技術(shù)的應(yīng)用,可以提高汽車(chē)的舒適性、轉(zhuǎn)向響應(yīng)、操控穩(wěn)定性及安全性,同時(shí)可以節(jié)省材料,降低制造成本。
圖1 鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)
鋁合金具有低密度的特點(diǎn),強(qiáng)度甚至可以媲美優(yōu)質(zhì)鋼。按不同的加工性能,可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金2 種,第1 種熔點(diǎn)低、流動(dòng)性能良好,通過(guò)重力鑄造與壓力鑄造等方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的成型,主要應(yīng)用于汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)(如圖1 所示)、傳動(dòng)以及行走系統(tǒng);而第2 種強(qiáng)度高、塑性好,主要有2XXX 系、5XXX系和6XXX 系,應(yīng)用于汽車(chē)結(jié)構(gòu)件、裝飾件和散熱系統(tǒng)。
高強(qiáng)度鋼吸能性好,強(qiáng)度高,在降低車(chē)身質(zhì)量的同時(shí),能夠提高碰撞安全性。目前廣泛應(yīng)用在汽車(chē)制造相關(guān)領(lǐng)域,其中汽車(chē)的結(jié)構(gòu)件、安全件和加強(qiáng)件是應(yīng)用的主要部分,例如:A/B/C 柱、車(chē)的前后保險(xiǎn)杠和常見(jiàn)的防撞梁等零部件。鋼種的延伸率通常隨強(qiáng)度增高而下降,由此可知AHSS(Advanced High Strength Steel,先進(jìn)高強(qiáng)度鋼)的延伸率較低,在其加工成型階段以及發(fā)生碰撞時(shí)易出現(xiàn)早期斷裂,限制了它在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
鎂合金較鋁合金來(lái)說(shuō),是更輕量化的材質(zhì),具有良好的抗振、降噪、抗電磁干擾和耐蝕性,且易回收,被譽(yù)為“綠色金屬結(jié)構(gòu)材料”。鎂合金由于其優(yōu)良的性能多用于汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)體系統(tǒng)、引擎系統(tǒng)和底盤(pán)系統(tǒng)等部位,如圖2 所示,不僅可以達(dá)到輕量化的目的,而且能實(shí)現(xiàn)降噪、吸振,并提高成型性、車(chē)身剛度及安全性。全球很多車(chē)企對(duì)鎂合金的研發(fā)和應(yīng)用技術(shù)已日漸增多。
圖2 鋁鎂合金獨(dú)立后懸掛
與一般沖壓成型不同,液壓成型是利用液態(tài)水或油的壓力,代替剛性的凹?;蛲鼓?,通過(guò)傳力介質(zhì)使板料貼合凸模或凹模,從而得到所需零件的形狀。液壓成型能實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化,主要是因?yàn)橐簤撼尚偷牧慵谫|(zhì)量控制方面比傳統(tǒng)沖壓成型的較高,進(jìn)而提高了零件的成型極限,同時(shí)該種成型方式減少了部分模具的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。目前液壓成型在汽車(chē)車(chē)身上的應(yīng)用主要集中在型面較復(fù)雜且對(duì)精度有較高要求的零件上,如汽車(chē)翼子板等。
除了一般的液壓成型方法外,國(guó)內(nèi)外研究人員還對(duì)帶周向液壓的充液拉深法、外周帶液壓的充液反拉深法、超聲波振動(dòng)充液拉深法、差溫充液拉深技術(shù)、成對(duì)液壓成型新工藝、充液變薄拉深新工藝以及微溫充液拉深等有深入的研究。
激光焊接技術(shù)憑借著能量密度高、焊接速度快、效率高、精度可靠性高、焊接變形小以及容易達(dá)到較廣泛的自動(dòng)化程度等優(yōu)勢(shì),成為汽車(chē)零部件、變速箱齒輪、濾清器、排氣管和車(chē)身等制造生產(chǎn)過(guò)程的重要焊接方法之一,例如:激光拼焊、車(chē)身框架焊接以及三維塑料激光焊接,如圖3 所示。
圖3 車(chē)身激光焊接
熱沖壓成型技術(shù)是利用金屬塑性成型的原理,將板料加熱至一定溫度(奧氏體狀態(tài)),然后進(jìn)行沖壓處理,在沖壓成型過(guò)程中實(shí)現(xiàn)板料淬火處理的成型方式,最后獲得具有超高強(qiáng)度的零件。熱沖壓成型技術(shù)具有零件尺寸精度高、零件成型性能好、車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和零件表面硬度及耐磨性高的優(yōu)點(diǎn)。
目前在汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)中,拓?fù)鋬?yōu)化方法是最有潛力,也是近年來(lái)研究進(jìn)展較大、使用較廣的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中應(yīng)用居多。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)分為2 種,分別為連續(xù)型結(jié)構(gòu)和離散型結(jié)構(gòu),先根據(jù)待優(yōu)化結(jié)構(gòu)件與其旁邊構(gòu)件的方位關(guān)系來(lái)劃分設(shè)計(jì)區(qū)域,進(jìn)而保證不對(duì)其他零件產(chǎn)生干涉以免妨礙其正常工作;再在劃分好的設(shè)計(jì)區(qū)域中根據(jù)材料的力學(xué)性能參數(shù)建立符合約束條件的目標(biāo)函數(shù);最后求得材料的最優(yōu)分布狀況和傳力最佳途徑使得結(jié)構(gòu)的某些性能指標(biāo)達(dá)到最佳。因此它相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化有一定的優(yōu)勢(shì),可以大大提高設(shè)計(jì)的效率、減少開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證時(shí)間、提高成產(chǎn)效率、降低成本。
汽車(chē)輕量化技術(shù)從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面而言,其中尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化應(yīng)用相對(duì)較早。尺寸優(yōu)化指在保證結(jié)構(gòu)件的整體性能的同時(shí),對(duì)該結(jié)構(gòu)件的截面面積和厚度等進(jìn)行優(yōu)化,即在設(shè)計(jì)區(qū)域,在設(shè)計(jì)變量保持原狀的狀態(tài)下,建立起以質(zhì)量或體積等為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型,達(dá)到推進(jìn)輕量化的目的。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅速發(fā)展,通過(guò)把尺寸優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)有限元軟件的應(yīng)用相結(jié)合進(jìn)而得出最優(yōu)結(jié)果集,使得尺寸優(yōu)化方法的實(shí)現(xiàn)變得更加迅速、便捷以及精確和可靠。
輕量化技術(shù)應(yīng)用新能源汽車(chē)性能提升對(duì)汽車(chē)廠工業(yè)具有優(yōu)勢(shì),推動(dòng)了汽車(chē)廠工業(yè)的發(fā)展,并且通過(guò)輕量化技術(shù)應(yīng)用新能源汽車(chē)性能提升可以提高汽車(chē)廠工業(yè)的運(yùn)作效率和質(zhì)量,減少人力資源的投入,節(jié)約成本,有利于汽車(chē)工業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。輕量化技術(shù)應(yīng)用新能源汽車(chē)性能提升裝置在設(shè)備上可以改善運(yùn)行模式。但是對(duì)輕量化技術(shù)應(yīng)用新能源汽車(chē)性能提升在汽車(chē)廠工業(yè)中的創(chuàng)新應(yīng)用仍然需要加大研發(fā)力度,不斷改善存在的問(wèn)題,改變工業(yè)制造的模式和結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)由勞動(dòng)密集型向智力密集型方向的轉(zhuǎn)化,提高科技水平。