新能源汽車車身結構研究

苑春迎

摘 要：新能源汽車車身結構與常規(guī)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(fā)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(nèi)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(fā)展現(xiàn)狀

新能源汽車是相對于常規(guī)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(jié)能、環(huán)保、安全方向發(fā)展，新能源汽車在節(jié)能、環(huán)保上有著常規(guī)能源汽車所不具備的優(yōu)勢。目前全球各大傳統(tǒng)汽車廠商都在全力布局新能源汽車，多個產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)上市，新能源汽車時代已經(jīng)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(jīng)成為影響整車性能的最大系統(tǒng)之一。特別是人們對汽車安全性能要求越來越高。和常規(guī)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(jù)，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(chǎn)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(chǎn)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(fā)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(fā)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(jù)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(fā)生比例高，但是人員死亡的相對較低。

安全也可以延伸的到車輛財產(chǎn)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(yè)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(zhì)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(fā)動機和汽車電子。對于乘用車來說，車身占整車質(zhì)量的40%～60%，約70%的油耗是用在車身質(zhì)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(nèi)外也大多以車身結構優(yōu)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(xù)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(zhì)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(yōu)勢，因為減少了傳統(tǒng)的發(fā)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(xiàn)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(jīng)在大量使用。新材料的使用不僅僅是對傳統(tǒng)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(jīng)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(chǎn)品問世。其減重效果優(yōu)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(zhì)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(yōu)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]。現(xiàn)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(yōu)化設計

結構優(yōu)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(yōu)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(zhì)量更小。結構優(yōu)化設計包含三個層次：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化及拓撲優(yōu)化[1]。車身結構優(yōu)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(tài)、碰撞安全及產(chǎn)品性能方面，只能做到相對統(tǒng)一。在實際生產(chǎn)中，結構優(yōu)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(yōu)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)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(zhì)（油、水等）引入毛坯件內(nèi)部及模具內(nèi)腔，對液體介質(zhì)進行加壓，毛坯件在特定空間里被高壓的流體介質(zhì)膨脹、壓縮、成形。液壓成形技術可以減少模具數(shù)量和零件數(shù)量，多個零件由一個統(tǒng)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(chǎn)生變形。電磁成形技術優(yōu)點很多，可以實現(xiàn)無接觸加工，不需要潤滑及后面的清理，易于實現(xiàn)加工過程自動化。電磁成形不僅適用常規(guī)的鋼鐵材料，還適用于鋁、鎂等輕質(zhì)材料，是實現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(yōu)勢互補，比如點焊+黏結等。

4 結束語

對于傳統(tǒng)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(xiàn)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。

本文由貴州工業(yè)職業(yè)技術學院科研項目《新能源車輛車身結構研究》資助，項目編號：2017ZK06

參考文獻：

[1]林程，王文偉，陳瀟凱 .汽車車身結構與設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2018.

[2]朱新春.電動汽車電池倉結構輕量化優(yōu)化設計[D][碩士論文]長春：吉林大學，2018.

[3]第一電動網(wǎng).提升新能源汽車續(xù)航，這三種車身材料你應該知道[EB/OL].https：//www.toutiao.com/i6424202405105107457/.

[4]王德雨.家用轎車白車身的輕量化研究[D]：[碩士論文]西安：陜西科技大學，2018.