【特約研究員 柏俊波】低速電動車需要研究輕量化有兩大原因：一是在低速電動車的標(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；二是減輕整車質(zhì)量能夠更有效地提升電源利用效率，并提高駕乘體驗。

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

本期周報將著重介紹實現(xiàn)車身輕量化目標(biāo)的三大技術(shù)途徑，并對低速電動車的輕量化車身結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢進(jìn)行探討。低速電動車車身輕量化主要通過選用輕量化材料，采用輕量化設(shè)計方法，結(jié)合輕量化制造工藝三方面來實現(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)用于低速電動車車身能夠有效減輕車身質(zhì)量，降低能耗并提升動力性能。鋁合金車身具有質(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，相比于傳統(tǒng)的鋼板車身，輕質(zhì)鋁合金車身可以顯著減輕車身質(zhì)量30%~40%。

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

鎂的體積質(zhì)量是鋁的2/3，鐵的1/4，在實用構(gòu)造金屬材料中最輕。鎂合金車身質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、抗沖擊性好及阻尼減振性好，可以極大降低車身的質(zhì)量。鎂制車身板件與傳統(tǒng)鋼材制品相比最多可減重75%。但鎂合金車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。目前制約其發(fā)展的主要因素也是價格高昂。

(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550 MPa的鋼材則稱為超高強(qiáng)度鋼。

目前高強(qiáng)度鋼主要應(yīng)用在汽車安全件、底盤及車身等方面，特別是車身座艙的A、B柱，門檻，車頂邊梁以及底盤中央通道等關(guān)鍵部位上，可以大幅度提高車輛保護(hù)車內(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)度等級下，高強(qiáng)度鋼可以通過減薄零件來達(dá)到減輕車身質(zhì)量的目的。比如，北汽新推出的EC180，據(jù)說其車身采用了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，正逐步取代金屬材料，在汽車工業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。目前復(fù)合材料在車身中的應(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作為車身材料，具有質(zhì)量輕和強(qiáng)度大的特點。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車身比鋼質(zhì)車身減輕50%以上，比鋁質(zhì)車身減輕約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)點都適應(yīng)輕量化車身材料的需求。

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)長的碳纖維絲線，最后再經(jīng)過相應(yīng)的氧化和碳化處理，形成車身材料。

(4)工程塑料：目前已經(jīng)使用工程塑料制造的有車身、車身翼子板、車身前后保險杠、車門內(nèi)板、擋泥板等，與相同結(jié)構(gòu)性能的金屬材料相比實現(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需維修或者更換部件，設(shè)計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)計理想的材料。

比如，大家很熟悉的smart車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

輕量化設(shè)計方法貫穿了汽車從概念設(shè)計、初始車身結(jié)構(gòu)設(shè)計到產(chǎn)品工程設(shè)計、樣車試制過程等幾乎整個設(shè)計過程。

(1)車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

車身結(jié)構(gòu)的輕量化優(yōu)化設(shè)計主要從兩個方面著手：一是研究開發(fā)新的設(shè)計方法，從設(shè)計概念與理論上著手進(jìn)行創(chuàng)新，以開發(fā)出先進(jìn)的材料技術(shù)或者車身造型和制造技術(shù)；二是設(shè)計車身輕量化結(jié)構(gòu)形狀，以按實際工況為先導(dǎo)來對車身結(jié)構(gòu)的形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化車身的空間結(jié)構(gòu)，優(yōu)化車內(nèi)的空間布置，減少車身的零部件數(shù)量，同時對各個零部件進(jìn)行輕量化優(yōu)化，減小汽車零部件的結(jié)構(gòu)尺寸和厚度。

(2)優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計是將數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理論與工程設(shè)計相結(jié)合，將實際設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題，根據(jù)設(shè)計對象不同，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計按設(shè)計變量的類型可以分為結(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個層次。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計具備以下作用：

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

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，減少材料的浪費，減輕零部件的質(zhì)量；

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

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

三、輕量化制造工藝

輕量化制造工藝主要指輕量化車身材料制造和連接的新工藝。車身材料制造方面包括復(fù)合材料的片狀模壓成型(SMC)、樹脂轉(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零部件形狀。比如新奧迪A8的拱形車頂、車身框架、車身的覆蓋件、車門等均采用液壓成形技術(shù)加工制造，其車身實現(xiàn)了高度輕量化。

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

四、輕量化車身的發(fā)展趨勢

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

鋼車身：通過應(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%。

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

鋁車身：鋁車身包含全鋁車身及以鋁為主的車身。如果對零件簡單地以鋁代鋼，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。但由于鋁材價格高，鋁車身一般用于高級轎車。對于低速電動車來說，可以考慮采用鋁合金來制作模塊化的底盤車架結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

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

從輕量化車身材料上看，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)沒有突破，目前還不太適合低速電動車輕量化車身制造。

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

編者按：為凝聚新能源汽車行業(yè)的研究力量，發(fā)揮協(xié)作效應(yīng)，第一電動網(wǎng)建立特約研究員機(jī)制，邀請行業(yè)知名專家、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政策、資本、技術(shù)、市場等領(lǐng)域，并定期推出【研究周報】，解析行業(yè)熱點問題。

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