低速电动车车身轻量化的技术途径

低速电动车需要研究轻量化有两大原因：一是在低速电动车的标准草案中，提出了“小尺寸”和“轻型化”的标准引导方向；二是减轻整车质量能够更有效地提升电源利用效率，并提高驾乘体验。低速电动车的轻量化目标，主要包括车身轻量化、电池轻量化、电驱传动总成轻量化和零部件轻量化四个方面。如下图所示。本期周报将着重介绍实现车身轻量化目标的三大技术途径，并对低速电动车的轻量化车身结构发展趋势进行探讨。低速电动车车身轻量化主要通过选用轻量化材料，采用轻量化设计方法，结合轻量化制造工艺三方面来实现。如下图所示。一、轻量化材料的应用轻量化材料主要有高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料等等。(1)轻质合金材料：铝、镁、钛合金材料是目前金属材料中体积质量较小的轻质合金材料，将其应用于低速电动车车身能够有效减轻车身质量，降低能耗并提升动力性能。铝合金车身具有质量轻、耐腐蚀性好、耐磨性好、比强度高及可回收等优点，相比于传统的钢板车身，轻质铝合金车身可以显著减轻车身质量30%~40%。典型如北汽的ARCFOX-1，车身使用笼式设计的铝合金框架，单车用铝量超过160kg，占车身重量的 54%，使得车身的重量比钢制车身轻30%。镁的体积质量是铝的2/3，铁的1/4，在实用构造金属材料中最轻。镁合金车身质量轻、比强度高、比刚度高、抗冲击性好及阻尼减振性好，可以极大降低车身的质量。镁制车身板件与传统钢材制品相比最多可减重75%。但镁合金车身研制目前仍存在很多的困难，冲压成型工艺不成熟，即使相比于铝制板材件，其成本也要高出3~4倍。钛合金同样是一种综合性能十分优异的轻质合金材料，具有体积质量小、比强度和比断裂韧性高、疲劳强度和抗裂纹扩展能力好、低温韧性良好、抗腐蚀性能优异、抗阻尼性能强、耐热性能好及吸气性能好等优点。目前制约其发展的主要因素也是价格高昂。(2)高强度钢：高强度钢是指屈服强度介于210~550 MPa的钢材，而屈服强度超过550 MPa的钢材则称为超高强度钢。目前高强度钢主要应用在汽车安全件、底盘及车身等方面，特别是车身座舱的A、B柱，门槛，车顶边梁以及底盘中央通道等关键部位上，可以大幅度提高车辆保护车内人员安全的能力。与普通钢相比，高强度钢能够大幅增加构件的变形抗力，提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。在同等强度等级下，高强度钢可以通过减薄零件来达到减轻车身质量的目的。比如，北汽新推出的EC180，据说其车身采用了54%的高强度钢。(3)复合材料：复合材料是指由2种或2种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，提高材料的综合性能。复合材料具有体积质量小、比强度和比模量大、耐磨耐蚀性好及加工成型方便等优点，正逐步取代金属材料，在汽车工业中发挥着越来越重要的作用。目前复合材料在车身中的应用主要有玻璃纤维增强塑料(GFRP)和碳纤维增强塑料(CFRP)。CFRP作为车身材料，具有质量轻和强度大的特点。与钢材相比，CFRP的体积质量只有钢材的20%〜30%,而硬度却是钢材的10倍以上，这使得CFRP车身比钢质车身减轻50%以上，比铝质车身减轻约30%。除此之外，CFRP还具有良好的抗疲劳性、碰撞吸能性及制造工艺性，这些优点都适应轻量化车身材料的需求。比如，宝马i3就采用了碳纤维增强复合材料(CFRP)车身，主要以聚丙烯腈的热塑性纺织纤维为原材料，在一定的压力和温度下，转化成极其细长的碳纤维丝线，最后再经过相应的氧化和碳化处理，形成车身材料。(4)工程塑料：目前已经使用工程塑料制造的有车身、车身翼子板、车身前后保险杠、车门内板、挡泥板等，与相同结构性能的金属材料相比实现减重40%，且其耐腐蚀性良好，吸能性能好，可以有效缓冲吸收低速状况下的轻微碰撞而无需维修或者更换部件，设计与制造工艺上比金属材料在造型上的自由程度更大，从制造性、成本、安全性方面考虑，它都是轻量化设计理想的材料。比如，大家很熟悉的smart车型就大量使用了工程塑料，如下图所示。二、轻量化结构设计轻量化设计方法贯穿了汽车从概念设计、初始车身结构设计到产品工程设计、样车试制过程等几乎整个设计过程。(1)车身结构优化设计车身结构的轻量化优化设计主要从两个方面着手：一是研究开发新的设计方法，从设计概念与理论上着手进行创新，以开发出先进的材料技术或者车身造型和制造技术；二是设计车身轻量化结构形状，以按实际工况为先导来对车身结构的形状进行优化设计，优化车身的空间结构，优化车内的空间布置，减少车身的零部件数量，同时对各个零部件进行轻量化优化，减小汽车零部件的结构尺寸和厚度。(2)优化设计优化设计是将数学中的最优化理论与工程设计相结合，将实际设计问题转化为最优化问题，根据设计对象不同，结构优化设计按设计变量的类型可以分为结构尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化4个层次。拓扑优化设计具备以下作用：a. 避免零件设计的盲目性，改善模仿其他产品设计所带来的缺陷；b. 提髙材料的利用率，减薄零部件的厚度，改善零部件的结构设计，减少材料的浪费，减轻零部件的质量；c. 得到最优的模态、静动态力学性能，提升零部件的品质；d. 减少或者简化了车身上不必要的复杂结构使其制造上得以简化。三、轻量化制造工艺轻量化制造工艺主要指轻量化车身材料制造和连接的新工艺。车身材料制造方面包括复合材料的片状模压成型(SMC)、树脂转移成型(RTM)等成型工艺及金属合金材料的液压成型、内高压成型、热成型及铝合金半固态成型等新型成型工艺。例如液压成形就是一种柔性的成形技术，它是把流体介质作为冲压时的传力介质，取代了刚性冲压中的凸模与凹模，流体介质以髙压形式冲入需要成形的管件或板料的模具中，使管件或板料在模具内由液体压力变形成模具的造型，最终成为所需的汽车零部件形状。比如新奥迪A8的拱形车顶、车身框架、车身的覆盖件、车门等均采用液压成形技术加工制造，其车身实现了高度轻量化。另外，激光拼焊技术可以在提升车身各种力学性能的同时，减少车身的材料消耗，减少零件数量，特别是一些加强支撑类的零件。四、轻量化车身的发展趋势依据车身应用的材料构成，可以分类为钢车身、以钢为主的多种材料混合车身、铝车身及复合材料车身。如何选择材料与相关的制造技术，取决于车辆的技术目标及成本结构。钢车身：通过应用更多的高强度钢及先进制造技术减重，与软钢相比高强度钢一般减重10%到25%。多种材料混合车身：车身材料以钢为主，其次是铝合金、复合材料及镁合金。多种材料混合车身充分挖掘了各种材料的潜力，如用铝保险杠梁改善低速碰撞性能，尾门外板用热固性复合材料SMC或者工程塑料等。铝车身：铝车身包含全铝车身及以铝为主的车身。如果对零件简单地以铝代钢，减重可达40%-50%，比使用高强度钢代替普通软钢减重更多。但由于铝材价格高，铝车身一般用于高级轿车。对于低速电动车来说，可以考虑采用铝合金来制作模块化的底盘车架结构，如下图所示。复合材料车身：以复合材料为主的车身。复合材料也是轻质材料，减重效果明显。从轻量化车身材料上看，镁合金、钛合金及碳纤维复合材料的工艺要求和制造成本都非常高，尚有许多关键技术没有突破，目前还不太适合低速电动车轻量化车身制造。在相当长的时间里，钢作为车身主体材料的地位会继续保持；多种材料混合车身则是发展趋势，钢的用量会逐渐减少；高价格车及小众车型的车身更多应用铝、复合材料等材料也是发展趋势。编者按：为凝聚新能源汽车行业的研究力量，发挥协作效应，第一电动网建立特约研究员机制，邀请行业知名专家、大牛作者作为特约研究员，集中多方智慧，深入探索新能源汽车政策、资本、技术、市场等领域，并定期推出【研究周报】，解析行业热点问题。