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新能源汽车轻量化途径及其评价

发表时间：2021/6/16 来源：《探索科学》2021年5月作者：魏洋，梁莎莎，邱伟，栾吉哲

[导读] 轻量化在当前新能源汽车产业当中是一个比较主流的方向，新能源汽车受限于电池的情况下，轻量化成为了一种非常关键的解决手段，通过轻量化来实现节能减排。但汽车轻量化，不是单纯减轻汽车的重量，而是在减轻重量的同时提升性能，因此分析讨论新能源汽车轻量化途径及其评价，具有非常典型的价值意义。

浙江省宁波市吉利汽车研究院魏洋，梁莎莎，邱伟，栾吉哲 315336

摘要: 轻量化在当前新能源汽车产业当中是一个比较主流的方向，新能源汽车受限于电池的情况下，轻量化成为了一种非常关键的解决手段，通过轻量化来实现节能减排。但汽车轻量化，不是单纯减轻汽车的重量，而是在减轻重量的同时提升性能，因此分析讨论新能源汽车轻量化途径及其评价，具有非常典型的价值意义。
关键词：新能源汽车;轻量化;途径
        引言
        在能源匮乏的现代社会，全球的石油资源都在面临枯竭。传统的燃油汽车的发展受到能源和环境保护两方面的限制。能源的匮乏使得燃油汽车的发展遇到了瓶颈。人们亟需寻找可以代替石油能源的新能源来作为替代性能源。目前人们采取锂电池以及天然气两种主要的能源形式代替原本的石油能源，而这两种能源中终归有一种能源会代替燃油车成为汽车未来的发展方向。在环境保护政策的影响下，人们更倾向于使用电力作为汽车驱动的新能源，而电力与天然气与以往的石油能源相比纯净无污染。也正是如此，纯电动汽车的市场前景非常广阔。
        1新能源汽车轻量化的必要性
        现代社会在发展迅速的同时，近些年来的能源消耗也大于以往几十年的能源消耗。现代社会对能源需求量逐渐增多。每年花在汽车上的能源就多不胜数。从能源的消耗与储备的占比来看，现代社会处在一个能源匮乏的时代。合理、节制地开采和规划使用能源已经成为世界各国的共识。我国经济的快速增长大部分是以自然生态为代价换取来的。传统燃油汽车的使用和大范围的普及加速了能源的损耗和环境的污染。目前我国一直在倡导要走绿色可持续发展的道路。鉴于我国提出的发展战略和当前的能源形式都要求我国发展出一种新的能源汽车代替传统的燃油汽车。在新能源汽车的设计方面轻量化的特点又显得极为重要。新能源汽车之所以采取轻量化设计的特点是可以有效降低汽车对能源造成的浪费。从这点可以看出轻量化对于新能源汽车发展、制造以及投产使用的重要性。目前世界上对新能源汽车轻量化的研究主要遵从三方面。首先是对新能源汽车进行轻量化的设计和分析。这部分的重点是在于找出汽车轻量化的影响因素和设计方案。传统燃油汽车经过一个多世纪以来的发展其车身设计、用料都已经形成系统的体系。而新能源汽车却处在探索和研究的阶段。其次是通过材料替代或者选取新材料的方法解决新能源汽车轻量化的问题。最后是使用最新的生产制造工艺，利用制造工艺对某种新材料进行加工，使之转化为轻量化的结构材料。
        2新能源汽车轻量化途径及其评价
        2.1材料轻量化
        轻量化材料是目前轻量化设计中的主流方式，一般所用的材料都是非常轻量化的材料，比如碳纤维复合材料，典型代表如迈凯伦P1，铝合金如凯迪拉克CT6，全铝车身如奥迪R8、第四代揽胜等。由于汽车结构上不同的部位对材料强度、刚度要求是不一样的，因此可以根据实际的需求用轻量化材料来制造部件，达到性能要求，而轻量化材料自重轻，但性能很强可以替代原本所用的材料，用来降低自重。目前比较常用的轻量化材料包括高强度钢、复合材料、铝合金等，以高强度钢来论，其本身拥有非常高的强度等级，在设计部件中可以降低板件厚度来降低重量，但是却可以保证具有足够高的性能，但其不是轻量化材料最优化的选择，但是因为其强度高，可以设计成薄壁中空件，用在中通道、地板、A/B 柱等关键区域。铝合金这种轻量化材料在汽车上用量非常高，已经成为汽车车身的主材，它是非常理想的轻量化材料。复合材料则主要是碳纤维复合材料，这种材料也是非常理想的轻量化材料，但是由于其成本高昂，通常会用在专用汽车上，比如超跑。

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        2.2结构轻量化
        轻量化结构设计，是采用综合优化设计的方法，通过对结构的优化来减重，现阶段主要采取数字三维设计方法，通过建立模型、利用有限元分析、碰撞测试等方法调整结构，用最少的材料实现最理想的结构，进而降低汽车自重又不影响汽车安全性。目前绝大多数车企都在采用车身结构优化，因为它可以用少量的成本实现比较理想的效果，一般在设计中会利用到CAD 等三维数字设计软件，对汽车的结构布局进行设计，并在软件上进行碰撞测试，从整车的角度去分析车的结构，进而明确零部件的安装位置以及材料，在轻量化结构设计完成以后，通过软件测试分析整车的性能指标，保证轻量化后，整车性能满足要求。例如奥迪RB 的ASF 车身结构，这个结构利用铝材，通过先进的制造工艺将铝材挤压为型材，制造成各种截面的部件，然后按照骨架+ 蒙皮的方式来进行组合，形成一体式的铝制蒙皮结构，铝型材骨架勾勒出车身的线条。
        在结构轻量化设计中，主要针对布局、尺寸、形状、拓扑四个方面进行优化设计，布局方面主要考虑整车最佳布局形式，前置前驱可以降低很多传动系统的部件，承载式车身可以取消车架。尺寸方面一般按照质量和强度等要求，对部件板厚、梁截面、截面惯性矩等尺寸进行优化，使应力分布均匀，尺寸优化重点以调整零部件的形状尺寸为关键点，只要满足各种工况下部件刚度、震动、强度等要求即可，当然在不考虑成本的情况下，直接上轻量化材料替换掉车身结构上的绝大部分部件，更能够减重。比如除开A/B 柱、地板等关键部位用高强度钢外，可直接使用铝合金件。形状方面主要是通过调整结构部件外形使部件受力更加均匀，使材料发挥出更大的潜力，差厚板就是典型的通过外形优化而得到的轻量化部件，在设计中一般采取有限元分析方法，寻找部件的应力集中点，探寻应力高峰，进而逐步调整形状，迫使应力分布尽可能均匀，差厚板就是将应力集中的部分增厚，而应力分散且弱的部分则减薄。拓扑方面主要是对空间材料分布进行分析，基于拓扑算法自动计算动力传递路径，进而找出可以节省材料的区域，促使材料在空间当中实现最佳的分布。
        2.3生产制造工艺优化
        生产工艺的改进方面，主要是为了满足轻量化材料制造、轻量化结构设计制造的需求。轻量化材料要制作成汽车需要的部件，传统的冲压工艺是无法满足要求的，采用传统的方法会造成回弹大，如此在针对轻量化材料制造时，必须要采用合理科学的制造工艺，例如差厚板工艺，热冲压成型技术等，例如差厚板工艺，这种工艺技术使汽车零部件在受力、结构上优于传统等厚板材，但材料用量降低而自重降低。同时对于装配，目前采用的工艺主要是激光焊接和结构胶粘接，激光焊接可以焊接很多焊材，甚至可以焊接各种异质焊材，对于运用了多种轻量化材料的汽车的装配具有很重要的作用，结构胶粘接，则是更强大的一种装配工艺，在航空领域都有广泛的应用。
        结束语
        总的来说，在我国政策的要求下，新能源汽车将会是未来发展的大趋势。而发展新能源汽车则可以有效达到降低资源损耗和环境保护的目的。轻量化汽车的实现在提高资源利用率以及提升汽车各项性能的基础上，实现了各项技术的灵活运用。
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