新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化關(guān)鍵工藝研究

摘要：在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，人們生活水平顯著提高，汽車逐步走進(jìn)千家萬(wàn)戶，成為人們?nèi)粘３鲂械闹匾煌üぞ?，給人們的生活帶來(lái)了諸多的便捷，同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)峻的大氣污染問(wèn)題，對(duì)我國(guó)提倡的低碳、綠色、可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)提出了考驗(yàn)。因此，節(jié)能輕便的新能源汽車逐漸受到人們的廣泛關(guān)注。在此背景下，以新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化為出發(fā)點(diǎn)，分析了新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化的關(guān)鍵工藝技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；結(jié)構(gòu)輕量化；關(guān)鍵工藝

中圖分類號(hào)：U469.7? 收稿日期：2023-03-23

DOI：1019999/jcnki1004-0226202308013

1 新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化概述

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

所謂結(jié)構(gòu)輕量化，指的是對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)和優(yōu)化，即借助于先進(jìn)的CAE軟件技術(shù)對(duì)整個(gè)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以分析結(jié)果為依據(jù)來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化汽車各零部件，使之可以滿足剛度、強(qiáng)度、成本、疲勞壽命以及碰撞安全性等使用性能需求。其中結(jié)構(gòu)性分析必須嚴(yán)格按照國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)，合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)性參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)材料的高效利用。在去除多余組成部分的同時(shí)，促進(jìn)零部件的復(fù)合化、小型化、薄壁化以及中空化的利用，最終滿足結(jié)構(gòu)輕量化需求[1]。

拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)中最為常見(jiàn)的應(yīng)用形式之一，其能夠在既定負(fù)荷狀況、限制條件和性能指標(biāo)的狀況下對(duì)制定區(qū)域材料進(jìn)行優(yōu)化，具有很高的精確性。對(duì)于汽車制造而言，拓?fù)鋬?yōu)化的運(yùn)用能夠在均勻分布的材料設(shè)計(jì)空間篩選出最佳的分布方案。另外，在汽車輪轂輕量化技術(shù)中，主要是借助于材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對(duì)輪轂進(jìn)行分析，結(jié)合材料功能進(jìn)行搭配，并利用尺寸優(yōu)化的方法對(duì)最大力位置進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在最大程度上減輕輪轂質(zhì)量。

1.2 底盤(pán)輕量化

底盤(pán)是汽車中非常重要的零件之一，其主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)四個(gè)部分組成，故而可以從這四個(gè)部分出發(fā)進(jìn)行底盤(pán)的輕量化設(shè)計(jì)：a.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)可以從懸架入手，即合理優(yōu)化懸架彈簧上的材料，選用碳纖維復(fù)合材料螺旋彈簧或是高強(qiáng)度鋼空心螺旋彈簧；合理優(yōu)化控制臂上的材料，選用鍛鋁、鑄鋁或是碳纖維復(fù)合材料；合理優(yōu)化橫向穩(wěn)定桿上的材料，選用空心復(fù)合材料或碳纖維復(fù)合材料。b.傳動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)可以從輪子入手，選用鋁合金鍛造車輪、鋁合金鑄旋車輪、鎂合金鍛造車輪，也可選擇碳纖維復(fù)合材料車輪。c.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)可以從電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用入手。d.制動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)需要優(yōu)化和改進(jìn)整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)，即通過(guò)選用組合式的制動(dòng)盤(pán)、鋁合金等材料制成的制動(dòng)鉗，來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的輕量化。

可以說(shuō)，要想實(shí)現(xiàn)新能源汽車底盤(pán)輕量化，必須注重新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)、新材料的有效利用，其中通過(guò)選用密度低、強(qiáng)度高的新材料，可以在極大程度上減少零部件的重量[2]。如：選擇鋁合金替代鋼板材料的焊接，至少能夠減輕50%的結(jié)構(gòu)質(zhì)量；采用先進(jìn)鑄造技術(shù)來(lái)加工汽車零部件，能夠讓汽車的質(zhì)量減少原來(lái)的50%。

1.3 車身輕量化

就新能源汽車車身來(lái)說(shuō)，輕量化設(shè)計(jì)可以從三個(gè)方面入手：a.改進(jìn)整個(gè)汽車車身的布局形式；b.在鋁材中添加一定數(shù)量的鋼材，制成鋼鋁復(fù)合動(dòng)力汽車；c.汽車車身制造材料以碳纖維為主，輔以多材質(zhì)復(fù)合材料。但上述三個(gè)方面在具體實(shí)踐中依然存在一些不足之處，即材料生產(chǎn)技術(shù)、成形工藝生產(chǎn)技術(shù)、材料之間的聯(lián)接技術(shù)、模擬材料制備工藝等仍需不斷優(yōu)化和完善。

2 新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化存在的問(wèn)題

2.1 缺少明確的輕量化材料使用方式

在綠色低碳發(fā)展背景下，輕量化材料在汽車制造行業(yè)中得到普及，盡管汽車研發(fā)人員已經(jīng)認(rèn)識(shí)到輕量化材料在汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值，然而在輕量化材料使用方面，我國(guó)依然缺乏成熟的技術(shù)支撐，所以并未實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因在于：相關(guān)技術(shù)人員沒(méi)有準(zhǔn)確評(píng)估各種輕量化材料，無(wú)法明確哪種材料更適合生產(chǎn)新能源汽車零部件。

2.2 輕量化汽車生產(chǎn)過(guò)程比較復(fù)雜

新能源汽車的車身、底盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)等方面的生產(chǎn)制造均需要使用大量的材料，然而隨著汽車使用時(shí)間的延長(zhǎng)，將會(huì)逐漸降低各種零部件的性能，在很大程度上影響到汽車的使用性能，從而導(dǎo)致汽車無(wú)法安全可靠運(yùn)行[3]。與此同時(shí)，現(xiàn)階段我國(guó)尚未提出明確的汽車零部件性能標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致在汽車制造中難以保證零部件性能，最終很難實(shí)現(xiàn)新能源汽車的節(jié)能減排目標(biāo)。

2.3 缺乏可行的汽車輕量化規(guī)范體系

當(dāng)前我國(guó)相關(guān)文件中已經(jīng)明確指出汽車輕量化是汽車工業(yè)的發(fā)展方向，然而尚未提出一套完善、可行的汽車輕量化標(biāo)準(zhǔn)體系，這就在很大程度上制約了我國(guó)汽車輕量化發(fā)展。

3 新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化關(guān)鍵工藝分析

3.1 輕量化材料

a.高強(qiáng)度鋼。按不同的鋼屈服強(qiáng)度，可將高強(qiáng)度鋼劃分成一般鋼強(qiáng)度鋼與先進(jìn)高強(qiáng)度鋼。對(duì)于新能源汽車的制造而言，應(yīng)當(dāng)結(jié)合車身部位不同采用合適的高強(qiáng)度鋼，從而實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼的高效率使用，這樣做能夠減少車身制造中零部件的使用數(shù)量，還可以減輕車身自重。高強(qiáng)度鋼之所有具備上述使用功能，是由于其本身具備減薄鋼板作用，能夠在減輕汽車質(zhì)量的同時(shí)，保證汽車的安全性。

b.鋁合金。在目前的工業(yè)領(lǐng)域中，鋁合金是最為常用的有色金屬結(jié)構(gòu)材料，該材料的抗腐蝕性、導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性優(yōu)異，具備延展性優(yōu)、強(qiáng)度高和密度低的優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)不同的加工方法，可將鋁合金分成變形鋁合金與鑄造鋁合金兩種，其中前者可以承受高壓，目前主要在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱器、汽車零部件、壓縮機(jī)零部件的制造中得到有效應(yīng)用，后者主要用于特種、低壓以及重力鑄造[4]。

c.熱塑性材料。該輕量化材料可以實(shí)現(xiàn)加熱軟化與冷卻硬化，主要作為汽車排氣管的制造材料?，F(xiàn)階段，很多大型汽車放置行李箱門的制造材料就選擇熱塑性材料。相較于其他材料，熱塑性材料的價(jià)格較低，質(zhì)量較輕，且操作工藝較為簡(jiǎn)單。

d.復(fù)合材料。在汽車生產(chǎn)制造中，需要結(jié)合不同部位性能選用多種材料，這就是復(fù)合材料。在復(fù)合材料中碳纖維復(fù)合具有良好的物理特性，即操作工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、耐熱性好等，該材料是較為理想的汽車制造材料。據(jù)相關(guān)資料表明：碳纖維復(fù)合材料在汽車制造中的應(yīng)用，能夠減輕車身整體質(zhì)量40%～60%；同時(shí)，選擇碳纖維復(fù)合材料制作汽車零部件，能夠減輕鋼材料零件50%以上。然而該輕量化材料屬于一種高性能新型材料，生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，使用成本較高，所以應(yīng)用有限。

e.新能源阻燃材料。該輕量化材料具有加工操作簡(jiǎn)單、絕緣等方面的優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的首選材料。如在動(dòng)力電池外殼制造中，可選擇玻纖阻燃尼龍和鋁嵌注相結(jié)合的方式，即塑包鋁方式，能夠有效減小制件壁厚，并減輕殼體重量，獲得較佳的散熱效果。在實(shí)際操作中能夠一次注塑成形，具備良好的沖擊性能，可達(dá)到V-0級(jí)別阻燃。

3.2 新焊接工藝

a.激光拼焊。該工藝技術(shù)是以裁剪制衣的相關(guān)原理為基礎(chǔ)，對(duì)不同涂層、不同材質(zhì)和不同厚度的鋼板加以激光焊接，形成一個(gè)完整的拼焊板，然后進(jìn)行沖壓制造，使之與其他零部件進(jìn)行總裝。激光拼焊工藝能夠滿足汽車零部件對(duì)材料性能的多樣化需求，既能夠有效提升材料的使用效率，還能夠更好地把控零部件質(zhì)量。據(jù)相關(guān)實(shí)踐證明：在汽車車身結(jié)構(gòu)中采用激光拼焊板，能夠減少汽車質(zhì)量20%～40%。激光拼焊在促進(jìn)新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化發(fā)展中發(fā)揮著非常重要的作用。與此同時(shí)，激光拼焊工藝也具有一些缺陷和不足：拼接焊縫會(huì)在很大程度上影響到?jīng)_壓零部件材料的表面質(zhì)量與力學(xué)性能；制成的激光拼焊板可能發(fā)生厚度突變現(xiàn)象，很難實(shí)現(xiàn)薄厚板之間的光滑連接，不可用于制造汽車車身面板。

b.鋁合金拼焊。在同一汽車零件制造中，相較于鋼材拼焊板，鋁合金拼焊板能夠減重50%左右，且相較于鋁合金板，鋁合金拼焊板能夠減重5%～10%?，F(xiàn)階段，鋁合金拼焊板可選擇激光焊、氣體鎢極電弧焊、非真空電子束焊等多種焊接方法，然而因?yàn)殇X合金本身缺乏良好的焊接性質(zhì)，在焊接過(guò)程中很可能出現(xiàn)強(qiáng)度下降、合金元素?fù)p失等問(wèn)題，還會(huì)導(dǎo)致焊縫區(qū)域出現(xiàn)熱裂、焊縫位置產(chǎn)生孔隙。攪拌摩擦焊作為一種新的鋁合金拼焊板制備工藝，主要是采用由攪拌針與軸肩構(gòu)成的攪拌頭，將其旋轉(zhuǎn)插入到需要焊接的零件當(dāng)中，再沿著焊接方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得軸肩和焊接表面、攪拌針和四周母材產(chǎn)生摩擦作用，從而迅速提高焊縫位置金屬材料的溫度，達(dá)到充分塑性軟化的目的[5]。隨著攪拌針不斷向前移動(dòng)，其前方的熱塑性金屬將會(huì)向著后方不斷流動(dòng)，同時(shí)軸肩施加的鍛造力會(huì)讓接縫位置的變形金屬進(jìn)行相互擴(kuò)散和再結(jié)晶，最終牢固地結(jié)合在一起，產(chǎn)生一道焊縫，完成固態(tài)連接。在實(shí)際焊接過(guò)程中，攪拌摩擦焊工藝無(wú)需熔化基體，能夠有效避免鋁合金板在熔化焊時(shí)由于熔化而出現(xiàn)變形、微裂紋、孔隙等問(wèn)題，也無(wú)需使用填充材料和保護(hù)氣體，不會(huì)產(chǎn)生煙塵，能耗較小，屬于一種綠色、高效、經(jīng)濟(jì)且高效的焊接工藝。

c.冷金屬過(guò)渡。相較于普通的熔化極惰性氣體保護(hù)焊、熔化極活性氣體保護(hù)焊，冷金屬過(guò)渡工藝的熱輸入量更低，故而稱之為冷。該焊接工藝主要是通過(guò)焊接時(shí)的熱-冷-熱的交替，在極大程度上降低熱輸入量。相關(guān)焊接工藝流程是：①通過(guò)電弧燃燒對(duì)零件和熔化焊絲進(jìn)行加熱處理；②焊絲向前送進(jìn)，待形成的熔滴和零件相接觸以后，這時(shí)焊機(jī)將焊接電流降至幾乎為0，并回抽焊絲；③采用機(jī)械方式來(lái)分離開(kāi)焊絲與熔滴，促使熔滴過(guò)渡到焊縫位置；④當(dāng)焊絲脫離焊縫，并形成開(kāi)路以后，將重新燃起電弧，促使焊絲向前送進(jìn)，從而進(jìn)入到下一個(gè)焊接周期。冷金屬過(guò)渡焊接的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于：不會(huì)出現(xiàn)飛濺情況，能夠?qū)附訜┣闆r進(jìn)行有效控制，保證薄板焊接的安全性，可更為精準(zhǔn)地控制輸入量，不僅焊接質(zhì)量較佳，還具備較高的重復(fù)焊接精度。

3.3 新成形工藝

a.內(nèi)高壓成形工藝。該工藝所用材料多為管材，通過(guò)將超高壓油液和軸向推力補(bǔ)料添加到管材內(nèi)，讓管坯壓入模腔，從而使之成形為所需工件。具體操作流程包括：①填充。在模腔放入相應(yīng)的管材，并進(jìn)行合膜，在沖水條件下讓管材兩端沿著水平方向推進(jìn)，從而逐步生成較為密封的狀態(tài)；之后利用預(yù)充體的作用，促使管材內(nèi)部的空氣順利排出。②成形。通過(guò)向管材內(nèi)液體施加壓力，從而得到相應(yīng)的模具。③整型。采用施加壓力的方法，促使膜腔和模具角度之間緊密結(jié)合，形成所需的工件。相較于過(guò)去的沖壓工藝，內(nèi)高壓成形工藝能夠有效減小零部件質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用，將材料損耗率降至最低[6]。

b.熱壓成形工藝。該工藝主要是利用加熱模具，并在模具中注入相應(yīng)的材料，再借助壓力作用，促使材料與模具之間牢固地連接起來(lái)，待到材料成形后，即可取出模型成品。熱壓成形工藝操作流程包括：①在經(jīng)加熱處理的模板中放置相應(yīng)的材料；②通過(guò)上模和下模，將一定的壓力施加給材料模板，在排氣管作用下排出氣體；③剪切已冷卻成形的模具，成形為最終成品。相較于過(guò)去的制造工藝，熱壓成形工藝能夠大幅度提高零部件的強(qiáng)度，并能夠?qū)α悴考暮穸?、使用?shù)量加以有效管控，切實(shí)提升汽車質(zhì)量水平[7]。

c.輥壓成形工藝。該成形工藝主要指材料在伴隨輥輪不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，在輥輪的碾壓下成形，從而制成所需的復(fù)雜制件。在具體操作過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注意以下兩點(diǎn)：①在剪切對(duì)焊裝置中，必須恰當(dāng)處理相應(yīng)的材料；②充分利用壓機(jī)與成形機(jī)的作用，保障輥壓順利成形定型。

d.連續(xù)變截面板。連續(xù)變截面板主要是由柔性軋制技術(shù)生產(chǎn)而成。在軋制過(guò)程中，軋輥的間距能夠?qū)崟r(shí)地調(diào)整變化，進(jìn)而讓軋制出的薄板在沿著軋制方向上形成預(yù)先定制的截面形狀。據(jù)相關(guān)資料顯示：汽車車身結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化并采用連續(xù)變截面板成形后，其質(zhì)量下降了10%～40%。對(duì)于新能源汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，通過(guò)選擇定制的連續(xù)變截面板成形，能夠獲得最為理想的輕量化效果。

4 結(jié)語(yǔ)

為解決傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)展中存在的能耗高、污染重等方面的問(wèn)題，我國(guó)不斷加大新能源汽車輕量化的研究和推廣力度。在新能源汽車設(shè)計(jì)和制造中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況，選擇合適的輕量化材料，并合理運(yùn)用新焊接工藝和新成形工藝，從而提高新能源汽車質(zhì)量水平，有效實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。

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[5]李駿，王雷，張堯新能源汽車結(jié)構(gòu)輕量化關(guān)鍵工藝的研究[J]機(jī)械制造，2019，57（9）：65-68

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作者簡(jiǎn)介：

王洋，男，1988年生，助理工程師，研究方向?yàn)閷Ｓ闷嚱Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。