【特約研究員 柏俊波】低速電動(dòng)車(chē)需要研究輕量化有兩大原因：一是在低速電動(dòng)車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)草案中，提出了“小尺寸”和“輕型化”的標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)方向；二是減輕整車(chē)質(zhì)量能夠更有效地提升電源利用效率，并提高駕乘體驗(yàn)。

低速電動(dòng)車(chē)的輕量化目標(biāo)，主要包括車(chē)身輕量化、電池輕量化、電驅(qū)傳動(dòng)總成輕量化和零部件輕量化四個(gè)方面。如下圖所示。

本期周報(bào)將著重介紹實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化目標(biāo)的三大技術(shù)途徑，并對(duì)低速電動(dòng)車(chē)的輕量化車(chē)身結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。低速電動(dòng)車(chē)車(chē)身輕量化主要通過(guò)選用輕量化材料，采用輕量化設(shè)計(jì)方法，結(jié)合輕量化制造工藝三方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。如下圖所示。

一、輕量化材料的應(yīng)用

輕量化材料主要有高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料、復(fù)合材料等等。

(1)輕質(zhì)合金材料：鋁、鎂、鈦合金材料是目前金屬材料中體積質(zhì)量較小的輕質(zhì)合金材料，將其應(yīng)用于低速電動(dòng)車(chē)車(chē)身能夠有效減輕車(chē)身質(zhì)量，降低能耗并提升動(dòng)力性能。鋁合金車(chē)身具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、耐磨性好、比強(qiáng)度高及可回收等優(yōu)點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)的鋼板車(chē)身，輕質(zhì)鋁合金車(chē)身可以顯著減輕車(chē)身質(zhì)量30%~40%。

典型如北汽的ARCFOX-1，車(chē)身使用籠式設(shè)計(jì)的鋁合金框架，單車(chē)用鋁量超過(guò)160kg，占車(chē)身重量的 54%，使得車(chē)身的重量比鋼制車(chē)身輕30%。

鎂的體積質(zhì)量是鋁的2/3，鐵的1/4，在實(shí)用構(gòu)造金屬材料中最輕。鎂合金車(chē)身質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、抗沖擊性好及阻尼減振性好，可以極大降低車(chē)身的質(zhì)量。鎂制車(chē)身板件與傳統(tǒng)鋼材制品相比最多可減重75%。但鎂合金車(chē)身研制目前仍存在很多的困難，沖壓成型工藝不成熟，即使相比于鋁制板材件，其成本也要高出3~4倍。

鈦合金同樣是一種綜合性能十分優(yōu)異的輕質(zhì)合金材料，具有體積質(zhì)量小、比強(qiáng)度和比斷裂韌性高、疲勞強(qiáng)度和抗裂紋擴(kuò)展能力好、低溫韌性良好、抗腐蝕性能優(yōu)異、抗阻尼性能強(qiáng)、耐熱性能好及吸氣性能好等優(yōu)點(diǎn)。目前制約其發(fā)展的主要因素也是價(jià)格高昂。

(2)高強(qiáng)度鋼：高強(qiáng)度鋼是指屈服強(qiáng)度介于210~550 MPa的鋼材，而屈服強(qiáng)度超過(guò)550 MPa的鋼材則稱(chēng)為超高強(qiáng)度鋼。

目前高強(qiáng)度鋼主要應(yīng)用在汽車(chē)安全件、底盤(pán)及車(chē)身等方面，特別是車(chē)身座艙的A、B柱，門(mén)檻，車(chē)頂邊梁以及底盤(pán)中央通道等關(guān)鍵部位上，可以大幅度提高車(chē)輛保護(hù)車(chē)內(nèi)人員安全的能力。

與普通鋼相比，高強(qiáng)度鋼能夠大幅增加構(gòu)件的變形抗力，提高能量吸收能力和擴(kuò)大彈性應(yīng)變區(qū)。在同等強(qiáng)度等級(jí)下，高強(qiáng)度鋼可以通過(guò)減薄零件來(lái)達(dá)到減輕車(chē)身質(zhì)量的目的。比如，北汽新推出的EC180，據(jù)說(shuō)其車(chē)身采用了54%的高強(qiáng)度鋼。

(3)復(fù)合材料：復(fù)合材料是指由2種或2種以上不同性質(zhì)的材料，通過(guò)物理或化學(xué)的方法，組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，提高材料的綜合性能。

復(fù)合材料具有體積質(zhì)量小、比強(qiáng)度和比模量大、耐磨耐蝕性好及加工成型方便等優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代金屬材料，在汽車(chē)工業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。目前復(fù)合材料在車(chē)身中的應(yīng)用主要有玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)和碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)。

CFRP作為車(chē)身材料，具有質(zhì)量輕和強(qiáng)度大的特點(diǎn)。與鋼材相比，CFRP的體積質(zhì)量只有鋼材的20%?30%,而硬度卻是鋼材的10倍以上，這使得CFRP車(chē)身比鋼質(zhì)車(chē)身減輕50%以上，比鋁質(zhì)車(chē)身減輕約30%。除此之外，CFRP還具有良好的抗疲勞性、碰撞吸能性及制造工藝性，這些優(yōu)點(diǎn)都適應(yīng)輕量化車(chē)身材料的需求。

比如，寶馬i3就采用了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)車(chē)身，主要以聚丙烯腈的熱塑性紡織纖維為原材料，在一定的壓力和溫度下，轉(zhuǎn)化成極其細(xì)長(zhǎng)的碳纖維絲線(xiàn)，最后再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的氧化和碳化處理，形成車(chē)身材料。

(4)工程塑料：目前已經(jīng)使用工程塑料制造的有車(chē)身、車(chē)身翼子板、車(chē)身前后保險(xiǎn)杠、車(chē)門(mén)內(nèi)板、擋泥板等，與相同結(jié)構(gòu)性能的金屬材料相比實(shí)現(xiàn)減重40%，且其耐腐蝕性良好，吸能性能好，可以有效緩沖吸收低速狀況下的輕微碰撞而無(wú)需維修或者更換部件，設(shè)計(jì)與制造工藝上比金屬材料在造型上的自由程度更大，從制造性、成本、安全性方面考慮，它都是輕量化設(shè)計(jì)理想的材料。

比如，大家很熟悉的smart車(chē)型就大量使用了工程塑料，如下圖所示。

二、輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輕量化設(shè)計(jì)方法貫穿了汽車(chē)從概念設(shè)計(jì)、初始車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)、樣車(chē)試制過(guò)程等幾乎整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。

(1)車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

車(chē)身結(jié)構(gòu)的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)主要從兩個(gè)方面著手：一是研究開(kāi)發(fā)新的設(shè)計(jì)方法，從設(shè)計(jì)概念與理論上著手進(jìn)行創(chuàng)新，以開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的材料技術(shù)或者車(chē)身造型和制造技術(shù)；二是設(shè)計(jì)車(chē)身輕量化結(jié)構(gòu)形狀，以按實(shí)際工況為先導(dǎo)來(lái)對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)的形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化車(chē)身的空間結(jié)構(gòu)，優(yōu)化車(chē)內(nèi)的空間布置，減少車(chē)身的零部件數(shù)量，同時(shí)對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行輕量化優(yōu)化，減小汽車(chē)零部件的結(jié)構(gòu)尺寸和厚度。

(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)是將數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理論與工程設(shè)計(jì)相結(jié)合，將實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問(wèn)題，根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象不同，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)按設(shè)計(jì)變量的類(lèi)型可以分為結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化4個(gè)層次。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)具備以下作用：

a. 避免零件設(shè)計(jì)的盲目性，改善模仿其他產(chǎn)品設(shè)計(jì)所帶來(lái)的缺陷；

b. 提髙材料的利用率，減薄零部件的厚度，改善零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少材料的浪費(fèi)，減輕零部件的質(zhì)量；

c. 得到最優(yōu)的模態(tài)、靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，提升零部件的品質(zhì)；

d. 減少或者簡(jiǎn)化了車(chē)身上不必要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使其制造上得以簡(jiǎn)化。

三、輕量化制造工藝

輕量化制造工藝主要指輕量化車(chē)身材料制造和連接的新工藝。車(chē)身材料制造方面包括復(fù)合材料的片狀模壓成型(SMC)、樹(shù)脂轉(zhuǎn)移成型(RTM)等成型工藝及金屬合金材料的液壓成型、內(nèi)高壓成型、熱成型及鋁合金半固態(tài)成型等新型成型工藝。

例如液壓成形就是一種柔性的成形技術(shù)，它是把流體介質(zhì)作為沖壓時(shí)的傳力介質(zhì)，取代了剛性沖壓中的凸模與凹模，流體介質(zhì)以髙壓形式?jīng)_入需要成形的管件或板料的模具中，使管件或板料在模具內(nèi)由液體壓力變形成模具的造型，最終成為所需的汽車(chē)零部件形狀。比如新奧迪A8的拱形車(chē)頂、車(chē)身框架、車(chē)身的覆蓋件、車(chē)門(mén)等均采用液壓成形技術(shù)加工制造，其車(chē)身實(shí)現(xiàn)了高度輕量化。

另外，激光拼焊技術(shù)可以在提升車(chē)身各種力學(xué)性能的同時(shí)，減少車(chē)身的材料消耗，減少零件數(shù)量，特別是一些加強(qiáng)支撐類(lèi)的零件。

四、輕量化車(chē)身的發(fā)展趨勢(shì)

依據(jù)車(chē)身應(yīng)用的材料構(gòu)成，可以分類(lèi)為鋼車(chē)身、以鋼為主的多種材料混合車(chē)身、鋁車(chē)身及復(fù)合材料車(chē)身。如何選擇材料與相關(guān)的制造技術(shù)，取決于車(chē)輛的技術(shù)目標(biāo)及成本結(jié)構(gòu)。

鋼車(chē)身：通過(guò)應(yīng)用更多的高強(qiáng)度鋼及先進(jìn)制造技術(shù)減重，與軟鋼相比高強(qiáng)度鋼一般減重10%到25%。

多種材料混合車(chē)身：車(chē)身材料以鋼為主，其次是鋁合金、復(fù)合材料及鎂合金。多種材料混合車(chē)身充分挖掘了各種材料的潛力，如用鋁保險(xiǎn)杠梁改善低速碰撞性能，尾門(mén)外板用熱固性復(fù)合材料SMC或者工程塑料等。

鋁車(chē)身：鋁車(chē)身包含全鋁車(chē)身及以鋁為主的車(chē)身。如果對(duì)零件簡(jiǎn)單地以鋁代鋼，減重可達(dá)40%-50%，比使用高強(qiáng)度鋼代替普通軟鋼減重更多。但由于鋁材價(jià)格高，鋁車(chē)身一般用于高級(jí)轎車(chē)。對(duì)于低速電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)，可以考慮采用鋁合金來(lái)制作模塊化的底盤(pán)車(chē)架結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

復(fù)合材料車(chē)身：以復(fù)合材料為主的車(chē)身。復(fù)合材料也是輕質(zhì)材料，減重效果明顯。

從輕量化車(chē)身材料上看，鎂合金、鈦合金及碳纖維復(fù)合材料的工藝要求和制造成本都非常高，尚有許多關(guān)鍵技術(shù)沒(méi)有突破，目前還不太適合低速電動(dòng)車(chē)輕量化車(chē)身制造。

在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，鋼作為車(chē)身主體材料的地位會(huì)繼續(xù)保持；多種材料混合車(chē)身則是發(fā)展趨勢(shì)，鋼的用量會(huì)逐漸減少；高價(jià)格車(chē)及小眾車(chē)型的車(chē)身更多應(yīng)用鋁、復(fù)合材料等材料也是發(fā)展趨勢(shì)。

編者按：為凝聚新能源汽車(chē)行業(yè)的研究力量，發(fā)揮協(xié)作效應(yīng)，第一電動(dòng)網(wǎng)建立特約研究員機(jī)制，邀請(qǐng)行業(yè)知名專(zhuān)家、大牛作者作為特約研究員，集中多方智慧，深入探索新能源汽車(chē)政策、資本、技術(shù)、市場(chǎng)等領(lǐng)域，并定期推出【研究周報(bào)】，解析行業(yè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

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