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浅谈新能源汽车车身设计中的轻量化设计

来源:原创论文网 添加时间:2018-09-06

  摘要:车身是新能源汽车直观的外在表现形式, 同时也是汽车设计中占重要地位的研究对象。在新能源汽车中, 车身的质量约占整车总重量的35%左右, 因此通过设计使车身轻量化, 可以提高车辆的动力性和经济性。本文通过对车身材料方面进行选择及设计, 以此来达到轻量化的目的。

  关键词:新能源汽车; 车身; 轻量化;

汽车车身设计论文配图

  随着环境的逐渐恶化, 新能源汽车正逐步成为汽车领域的前沿方向和发展热点。各国汽车企业在新能源汽车的设计研发中提出了各自不同的方案和主张。然而由于车身过重的原因, 导致了新能源汽车特别是纯电动汽车在续航里程和动力性方面不尽如意。因此考虑和解决车身轻量化问题成为了新能源汽车设计的重中之重。

  1 新能源汽车车身轻量化设计的材料选择

  1.1 高强度钢是占主导地位的轻量化材料

  尽管轻金属材料、塑料、复合材料等近年来在汽车上的应用不断扩大, 但高强度钢以其在成本、安全、制造工艺等方面的优势, 依然是首选的轻量化材料。以某自主品牌车身为例, 其车身冲压件高强度钢的应用比例为46.5%, 车体 (不含四门两盖) 高强度钢的应用比例为43%, 主要使用了如下高强度钢:180BH、220BH、P180、P230、ST280、340LA、590R、TRIP600、TRIP800、590Y、780Y、SS400、SAPH440、980Y (进口) 等。目前各种材料在汽车制造中的百分比。钢铁材料约占汽车重量的60%。但是, 高强度钢应用的技术难点在于成形技术。高强度钢成形的主要问题是与范性应变相关的缩颈与开裂问题, 控制要点是使零件的应变程度低于临界应变[1]。而目前高强度钢成形的主要问题, 则是与弹性应力及应力释放相关的零件尺寸精度和回弹问题。具体来讲, 先进高强度钢 (AHSS) 成形过程中的主要问题为:

  1) 变形过程中出现加工硬化, 屈服强度提高, 流变应力较大;2) 由于零件厚度减小, 因而不易保持形状;3) 缺少补偿回弹的模具设计经验。

  1.2 铝合金

  铝材料的很多特点使其适宜于在新能源汽车上应用:相对于使用钢铁材料, 在新能源轿车上使用铝合金主要有三方面优势:1) 可减轻整车重量, 从而带来提高有效载荷、降低燃油消耗、提高制动性能、降低整车重心提高安全性、降低对路桥的损坏、提高轮胎寿命等效果;2) 可减少防腐维护费用, 因为不再需要喷涂载货平板或载货厢, 板料有切痕和刮伤时也不致生锈, 易于清洗并保持美观;3) 可设计额外的美观装饰, 如设计光亮的装饰件、保险杠、油罐、踏板等。轧制铝合金板用于商用车上的不同用途时, 产品类型及主要性能要求也有所不同。

  1.3 复合材料

  复合材料即纤维增强塑料, 是一种增强纤维和塑料复合而成的材料。常用的是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料。增强用的纤维除玻璃外, 还有高级的碳纤维、合成纤维。复合材料作为汽车材料具有很多优点:密度小、设计灵活美观、易设计成整体结构、耐腐蚀、隔热隔电、耐冲击、抗振等[2]。目前玻璃钢复合材料的应用非常广泛, 尤其在欧美车系中。其中尤以SMC和GMT的应用最为广泛。

  2 轻量化设计评价

  2.1 车身总量

  车身总量是轻量化的评价参量。宝马公司提出了轻量化系数的概念, 作为评价车辆轻量化的参量, 其定义为:

  其中, L为轻量化系数;MGer为白车身重量 (不包括车门和覆盖件) ;Ct为车身 (包括玻璃) 的静扭刚度, 也可取该值的2/3, 此时必须保证装好的挡风玻璃上的载荷可以承受, 因为高表面拉应力会引起挡风玻璃损坏;A为轮距与轴距相乘的面积。由于新能源汽车轻量化的重点是车身、覆盖件和悬挂系统, 当从不同角度评价一个产品的轻量化水平时, Ct的取值应不同。当侧重以车辆的NVH性能评价轻量化参量时, Ct值取一阶弯曲或扭转的固有频率值;当侧重以轻量化的覆盖件评价轻量化参量时, Ct值取抗凹性指标值;当侧重以轻量化的悬架系统评价轻量化参量时, Ct值取弹簧的刚度和疲劳寿命[3]。

  2.2 性能满足各类碰撞法规

  车身的动态刚度、静态刚度及其他特性与车辆的被动安全密切相关, 是优化车身抗冲击能力并满足各类碰撞法规的基础。发生正面或者侧面碰撞后, 车身自身要能吸收足够的能量, 同时能尽量使驾驶员和乘客能够打开车门。通过对车辆进行动态及静态实验了解车身在典型的载荷力作用下车身的弯曲变形是否符合要求。

  3 结论

  新能源汽车车身的结构设计是为了尽量减轻车身质量并保证必要的性能指标。减重是新能源汽车节能减排的需要;通过材料设计选择来优化结构是要使车身符合其他方面的性能要求而不至于因为减重出现问题。综合运用多种方法可以在结构优化的过程中使得各方面性能平衡, 可以使新能源汽车的性能得到提升, 达到较高的设计要求, 对节能减排做出贡献。

  参考文献
  [1]王文伟, 孙逢春, 林程.电动客车车身结构分析[C].北京:全国博士生学术论坛论文集, 2005:172-177.
  [2]刘文杰, 邓建军.TEG 6128SHEV串联式混合动力城市客车总体设计[J].客车技术与研究, 2009, 32 (1) :15-16+25.
  [3]羊军, 汪侃磊.上汽自主品牌汽车车身轻量化现状及展望[J].汽车工艺与材料, 2011 (1) :6-10.

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