新能源汽車車身輕量化設(shè)計理念探究

鄧威

福田汽車股份有限公司，中國·北京 102200

近年來，隨著環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的迫切需求，新能源汽車已成為全球汽車產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，新能源汽車具有更低的碳排放、更高的能源效率和更少的對自然資源的依賴。然而，新能源汽車在推廣和應(yīng)用過程中仍面臨一系列挑戰(zhàn)，首當(dāng)其沖就是車身的重量問題。因此，論文主要針對“新能源汽車車身輕量化設(shè)計理念”進(jìn)行探討，旨在為汽車制造業(yè)和相關(guān)研究領(lǐng)域提供有益參考，并推動新能源汽車技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)交通的實現(xiàn)。

新能源汽車；車身輕量化；設(shè)計

1 新能源汽車輕量化設(shè)計概述

1.1 車身輕量化的定義和重要性

車身輕量化是指通過采用輕量化材料、結(jié)構(gòu)和工藝的技術(shù)手段，減少新能源汽車車身的重量，從而提高車輛能源利用效率、續(xù)航里程和整體性能的設(shè)計理念。輕量化設(shè)計旨在實現(xiàn)在保證車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性前提下，降低車身質(zhì)量，從而減少能源消耗和碳排放。主要體現(xiàn)在：①能源效率提升：新能源汽車的核心目標(biāo)是提高能源利用效率，降低能源消耗。通過車身輕量化設(shè)計，可以減少車輛質(zhì)量，降低能源消耗。②環(huán)境保護(hù)：新能源汽車推廣和應(yīng)用是應(yīng)對氣候變化和減少碳排放的重要舉措。輕量化設(shè)計使新能源汽車具有更高的能源效率和低碳排放特性，顯著減少了對環(huán)境的不良影響。③安全性和穩(wěn)定性改善：可以保證新能源汽車在碰撞和行駛過程中的安全性能。據(jù)調(diào)查，輕量化設(shè)計有助于提高車輛的操控穩(wěn)定性、加速性能和制動效果，從而提升行車安全性，減少交通事故的發(fā)生。

1.2 新能源汽車輕量化的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

新能源汽車輕量化設(shè)計在實踐過程中面臨著一系列挑戰(zhàn)。在新能源汽車輕量化設(shè)計中，傳統(tǒng)的焊接和螺栓連接技術(shù)已無法滿足輕量化材料的要求，因此需要開發(fā)新的連接技術(shù)，如激光焊接、自沖鉚接、攪拌摩擦焊、膠接、復(fù)合材料結(jié)合等。值得一提的是，成型工藝在新能源汽車制造中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，主要用于車身和零部件的成型，如一體化壓鑄成型等截面擠壓成型、液壓成型等成型工藝。此外，新能源汽車具有一些特殊的要求，如電池系統(tǒng)的安裝和散熱、電線布局等。因此在輕量化設(shè)計中，需要協(xié)同各項特殊要求，確保車身輕量化與其他功能的協(xié)調(diào)性和一體化。例如，需要設(shè)計適當(dāng)?shù)碾姵匕惭b結(jié)構(gòu)，以保證安全性和穩(wěn)定性，需要考量電池散熱需求。

輕量化材料、制造工藝、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等領(lǐng)域的研究將推動相關(guān)技術(shù)的突破和發(fā)展。通過研發(fā)和應(yīng)用新材料，可以提供更輕、更強(qiáng)的車身材料，從而減輕整車重量；先進(jìn)的制造工藝可以實現(xiàn)更高效的車身組裝，從而提高制造效率和質(zhì)量；而技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)則可以推動整個新能源汽車產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和進(jìn)步，進(jìn)而促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 新能源汽車輕量化設(shè)計理念

2.1 材料選擇和優(yōu)化

2.1.1 高強(qiáng)度材料應(yīng)用

高強(qiáng)度材料應(yīng)用在新能源汽車輕量化設(shè)計中具有重要意義。首先，高強(qiáng)度鋼是一種常用的高強(qiáng)度材料，被廣泛應(yīng)用于新能源汽車輕量化設(shè)計中。通過調(diào)整化學(xué)成分和熱處理工藝，可以使高強(qiáng)度鋼具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。高強(qiáng)度鋼應(yīng)用于車身框架、車身面板、底盤等關(guān)鍵部位，有效減輕了車身質(zhì)量，對整車的性能和安全性有重要指導(dǎo)意義?？偠灾?，高強(qiáng)度材料的應(yīng)用在新能源汽車輕量化設(shè)計中能夠?qū)崿F(xiàn)車身質(zhì)量顯著降低，從而提高整車的能源利用效率和行駛性能。同時，使用高強(qiáng)度材料可以滿足安全標(biāo)準(zhǔn)和碰撞要求。

2.1.2 鋁合金材料的應(yīng)用

鋁合金是一種在新能源汽車輕量化設(shè)計中廣泛應(yīng)用的輕質(zhì)材料。與傳統(tǒng)鋼材相比，鋁合金具有較低的密度，因此在使用鋁合金材料時能夠有效減輕車身重量。只要通過合適的合金配方和熱處理工藝，鋁合金可以保持一定的強(qiáng)度和剛度，使得鋁合金成為新能源汽車輕量化設(shè)計中可靠的選擇。此外，鋁合金是一種可回收材料，符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展要求。這使得鋁合金成為推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。在新能源汽車中，鋁合金通常應(yīng)用于車身面板、車門、車頂、結(jié)構(gòu)件等部位，這些部位對輕量化設(shè)計具有較高要求。

2.1.3 輕質(zhì)非金屬材料的應(yīng)用

聚合物材料是一類輕質(zhì)非金屬材料，具有較低的密度和良好可塑性。在新能源汽車中，聚合物材料被廣泛應(yīng)用于制造內(nèi)飾件、座椅和儲物箱等部件。聚合物材料具有良好的可塑性，可以通過注塑成型等加工工藝制造出復(fù)雜形狀的部件。聚合物材料具有較好的耐磨性和耐腐蝕性，使得在日常使用和惡劣環(huán)境條件下能夠保持良好的性能。目前，聚合物材料在制造儲物箱、車門飾板等易受磨損和接觸腐蝕介質(zhì)的部件上表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化

在新能源汽車輕量化設(shè)計中，集成化設(shè)計和拓?fù)浞抡嬖诮Y(jié)構(gòu)優(yōu)化方面發(fā)揮著重要作用。以下進(jìn)行詳細(xì)說明：①集成化設(shè)計，集成化設(shè)計是一種綜合考慮多個系統(tǒng)和組件的設(shè)計方法。在新能源汽車輕量化設(shè)計中，集成化設(shè)計意味著將不同的系統(tǒng)和組件整合在一起，以確保各個子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)最佳的能源傳遞和空間利用效率。集成化設(shè)計應(yīng)考慮以下幾方面：第一，系統(tǒng)級設(shè)計。系統(tǒng)級設(shè)計應(yīng)考慮如何最優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，新能源汽車通常需要容納較大的電池系統(tǒng)和電動驅(qū)動系統(tǒng)，因此，需將電池系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)和車身結(jié)構(gòu)等進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)計，最大限度地減少空間浪費，并確保整個車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性不受影響。第二，跨學(xué)科合作。集成化設(shè)計需要不同領(lǐng)域的工程師和設(shè)計師之間的密切合作。通過共同研究解決跨系統(tǒng)、跨組件的問題，可以確保各個部分在輕量化設(shè)計中的協(xié)調(diào)性和一體化。②拓?fù)浞抡妗Ｍ負(fù)浞抡媸且环N基于計算機(jī)模擬的設(shè)計方法，通過對結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤钸M(jìn)行優(yōu)化，以實現(xiàn)輕量化設(shè)計和性能優(yōu)化。在新能源汽車輕量化設(shè)計中，拓?fù)浞抡婵梢詭椭こ處熢诓挥绊懡Y(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的前提下，去除不必要的材料和重量，從而減輕車身質(zhì)量。

2.3 制造工藝的優(yōu)化

2.3.1 成型工藝

在新能源汽車輕量化設(shè)計中，制造工藝的優(yōu)化對于實現(xiàn)車身輕量化目標(biāo)至關(guān)重要。以下對成型工藝中一些常見的優(yōu)化方法進(jìn)行詳細(xì)說明：

①一體化壓鑄工藝。一體化壓鑄工藝通過將多個零部件或組件合并為一個整體進(jìn)行壓鑄，實現(xiàn)了部件的一次性成型。

②一體化熱成型工藝。一體化熱成型工藝?yán)酶邷貤l件下的熱成型技術(shù)，將多個零部件或組件一次性成型。通過加熱和塑性變形的過程，可以精確地控制材料的形狀和尺寸，實現(xiàn)復(fù)雜形狀的零部件的高質(zhì)量成型。

③不等厚軋制。不等厚軋制工藝的關(guān)鍵在于對板材的厚度進(jìn)行精確的控制和調(diào)整。在新能源汽車輕量化設(shè)計中，不同部位的結(jié)構(gòu)承受不同的力和載荷，因此需要對材料的厚度進(jìn)行優(yōu)化分布，以充分利用材料的強(qiáng)度和剛度。

④液壓成型工藝。液壓成型工藝的關(guān)鍵在于利用液壓系統(tǒng)施加壓力，將材料壓制成所需的形狀。液壓成型具有高度定制化的特點，可以根據(jù)設(shè)計要求制造各種復(fù)雜形狀的車身部件。

2.3.2 復(fù)合材料連接工藝

復(fù)合材料連接工藝在新能源汽車輕量化設(shè)計中扮演著重要角色。SPR、FDS、攪拌摩擦焊、CMT 以及結(jié)構(gòu)膠等工藝技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同材料的高強(qiáng)度連接，并在汽車制造中推動輕量化設(shè)計的發(fā)展。以下進(jìn)行一一說明：

①SPR。SPR 是一種常用的復(fù)合材料連接工藝，適用于連接不同種類材料，如金屬與復(fù)合材料的連接。該工藝使用專門的自攻鉚釘和沖壓工具，通過在連接處形成沖壓孔和鉚接凸頭，將兩個材料固定在一起。SPR 工藝具有連接強(qiáng)度高、連接過程不需要預(yù)先鉆孔和添加其他輔助材料的優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于汽車制造中的輕量化設(shè)計中。

②FDS。FDS 是一種新興的復(fù)合材料連接工藝，適用于連接復(fù)雜形狀的復(fù)合材料構(gòu)件。其原理是使用旋轉(zhuǎn)的凸輪工具在連接接頭上產(chǎn)生摩擦熱，使材料軟化，再通過凸輪形狀的設(shè)計實現(xiàn)連接接頭的插入和鎖定。FDS 工藝具有連接強(qiáng)度高、無需添加附加材料和成本低廉的優(yōu)點。

③攪拌摩擦焊。攪拌摩擦焊是一種有效的復(fù)合材料連接工藝。通過在連接接頭上施加旋轉(zhuǎn)攪拌工具，產(chǎn)生高溫和高壓力，使材料摩擦加熱至軟化狀態(tài)，再通過攪拌作用實現(xiàn)材料的混合和連接。

④CMT。CMT 是一種冷金屬傳輸技術(shù)，適用于金屬與金屬的連接，也可用于連接金屬與復(fù)合材料。該工藝使用控制的電弧放電和鎢極自動給進(jìn)系統(tǒng)，實現(xiàn)金屬材料的熔化和傳輸，并在連接接頭處形成牢固的連接。CMT 工藝具有高連接強(qiáng)度、低熱輸入等優(yōu)點。

⑤結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)膠能夠提供持久的連接，并在一定程度上實現(xiàn)材料之間的傳力和傳遞載荷。在新能源汽車輕量化設(shè)計中，結(jié)構(gòu)膠可以減少應(yīng)力集中和振動噪聲，從而提高車輛的安全性和舒適性。

2.3.3 三維打印技術(shù)的潛力

輕量化設(shè)計是新能源汽車工程的一個重要目標(biāo)，而3D打印技術(shù)在實現(xiàn)輕量化方面具有顯著的優(yōu)勢。一方面，通過3D 打印技術(shù)，可以根據(jù)設(shè)計需求定制輕量化的零部件和組件。3D 打印可以根據(jù)具體要求逐層構(gòu)建部件，從而實現(xiàn)設(shè)計的個性化和定制化。設(shè)計師可以對零部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料分布進(jìn)行優(yōu)化，以減少不必要的重量，同時保持足夠的強(qiáng)度和剛度。另一方面，3D 打印技術(shù)具備制造復(fù)雜幾何形狀的能力。3D 打印技術(shù)可以通過逐層堆疊材料的方式，制造出具有復(fù)雜幾何形狀的零部件。例如，可以制造出空腔結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的部件。

3 結(jié)語

新能源汽車車身輕量化設(shè)計是當(dāng)前汽車行業(yè)的熱點和挑戰(zhàn)。通過采用先進(jìn)材料和制造技術(shù)，結(jié)合優(yōu)化設(shè)計和集成化思維，可以實現(xiàn)車身重量的顯著減輕，提高能源利用效率和行駛里程。為汽車行業(yè)邁向綠色、智能的方向提供新思路。