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车身轻量化手艺对新能源汽车机能的提拔研讨

2020年新能源汽车行业还有新的希望

2019年可谓是汽车行业发展28年以来最艰苦的一年,经济下行导致国内的消费能力下滑,又恰逢部分地区实施国六排放。对于新能源汽车来说还要面临补贴的进一步退坡,可谓是新能源汽车行业的雪上加霜。 据中汽协最新数据,本年1-11月,我国新车出售2311万辆,同比

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【汽车轻量化在线】【择要】车身作为汽车的四大基础组成部份之一,起到了抵抗外来撞击、庇护驾驶员平安的重要作用。但长期以来车身质量和其占整车质量比重较大,致使车辆机能下落,增添分外本钱,影响驾驶者和搭客的驾乘体验。近年来,各大车企在材料轻量化的研讨范畴一再打破,正逐步下降车身质量,而疾速生长的新能源汽车对加快、续航、节能等方面的请求越发刻薄,车身轻量化手艺可以显著地进步新能源汽车的重要机能,改良驾驶者和搭客的驾乘体验。

主题词:车身轻量化 新能源汽车 机能提拔

1 车身轻量化的相干理论综述

1.1 车身基础概念

车身指的是车辆用来载人与装货的部份,也指车辆团体。车身是驾驶员操纵驾驶和搭客乘坐车辆的场合,同时又供应了安排货色的空间。车身可以使汽车具有相符群众审美观的外形,使车内环境合适驾驶和乘坐,同时削减汽车行驶历程当中的空气阻力,下降噪音振动和能源斲丧,抵抗外来撞击、庇护驾驶员和搭客的平安,在美学和实用性方面都发挥着重要的作用。

1.2 汽车车身的生长汗青

1886年天下首辆汽车诞生了,初期的汽车是在马车的车身上装置内燃机而成。悉数车身是以木质材料为主的敞篷构造,其车身外型基础上沿用了马车的情势,厥后入手下手合适汽车的专用外型设想。不过,因为发动机的功率太小,为了减重,只能装用轻巧、简朴的车篷、挡风板、挡风玻璃。直到1900年,入手下手涌现金属车身并取得专利,1914年环球第一辆全金属车身的汽车由美国道奇汽车公司生产,今后,金属逐步庖代木料,成为汽车车身的重要材料并沿用至今。

1.3 车身轻量化手艺生长汗青及近况

车身轻量化手艺是在保证汽车车身强度和平安机能的基础上下降其整备质量,从而进步汽车的动力性,削减燃料斲丧,下降排气污染。轿车自重的20~25%在车身,车身体料的轻量化无足轻重[1]。试验证实,若汽车整车整备质量下降10%,燃油经济性可进步6%~8%[2];WILLIAM J.JOOST在其研讨报告中提出,中型纯电动车整备质量下降10%,其续驶里程可以进步13.7%[2]。孙逢春院士在其研讨项目中证实纯电动车整备质量下降10%,续驶里程可以增添5%~6%[3]。因为环保和节能的须要,汽车的轻量化已经成为天下汽车生长的趋向之一。

对车身轻量化的研发始于20世纪70年代,1973年第一次石油危机迸发,致使环球涌现普遍性的经济滞涨,以汽油为重要燃料的汽车的应用本钱急剧增添,公众怨声载道,在此大背景下,汽车企业入手下手经由历程减轻汽车的整备质量下降汽油斲丧量,生产轻量化、油耗低的汽车来吸收消费者购置产物,以此占领市场,环球重要汽车企业纷纭投入资金举行车身轻量化手艺的研发。

图1 车身轻量化手艺路线图

现在车身轻量化手艺包含构造优化、轻质材料、成形工艺、衔接手艺四大方面(图1),中心手艺重要集合在新型轻质材料方面的应用,以钢、铝、镁、钛合金为代表的新型金属合金材料和以塑料、碳纤维为代表的新型非金属材料是车身轻量化材料的两大生长方向[4],据统计,2018年环球已有80%的新生产汽车采纳新型的轻量化车身,置信在不久的将来,采纳轻量化车身的汽车应用比例会进一步提拔。

2 车身轻量化手艺在提拔新能源汽车机能方面的应用

新能源汽车相较于燃油汽车最显著的上风是加快性好,因为电动机没有挡位、不须要变速器,扭矩可以霎时迸发,在起步阶段即可以完整开释,具有燃油汽车不可对比的庞大上风;但另一方面受限于现在手艺程度下的有限的电池容量,新能源汽车的续驶里程普遍不高,加上充电车位、充电桩等配套设备建立不完善,能量补给资源配置不足,致使新能源汽车现在还不能完整完成远程行驶,短期内没法替换燃油汽车。

车身轻量化手艺可以进一步进步新能源汽车的加快性,一方面使其对传统燃油汽车的加快性上风越发显著,另一方面可以显著下降能耗,进步续驶里程,填补本身的不足。在加快、续航、节能方面,车身轻量化都是最有用的解决方案之一。以汽车减重100 kg为例,假如从1 500 kg减到1 400 kg,加快时候可以收缩0.62 s,最大爬坡度提拔2.29%,最大续驶里程增添6.28 km[5]。

车身轻量化关于新能源汽车团体机能的提拔在现在的新能源汽车生长阶段尤为重要,对产业的生长起到了症结性作用,各大新能源汽车企业都在主动研发车身轻量化手艺,进步其在新能源汽车方面的应用比例,本章将拔取现在3种重要车身轻量化手艺和代表新能源车型,就其对新能源汽车机能方面的应用举行详解。

2.1 高强度钢材(以比亚迪唐DM为例)

高强度钢材平常是指屈就强度在210 MPa~550 MPa之间的钢材,高强度钢材可以在不增添分外本钱的基础上完成车身质量下降25%,越发重要的是静态改变刚度提拔80%,静态蜿蜒刚度提拔52%,第一车身构造模量提拔58%,显著进步汽车的平安机能,满足悉数碰撞律例请求[6]。据相干权威机构的研讨成果表明,车身钢板的90%现已应用高强度钢板,高强度钢材是现在应用最为普遍的车身轻量化材料[5]。

唐DM是比亚迪汽车公司在2018年6月推出的插电式夹杂动力SUV—比亚迪唐的全新一代车型,其百公里加快时候最快抵达4.3 s,纯电续驶里程最高抵达100 km,百公里的综合工况油耗低至1.6 L,同时装备了全新的BSG(Belt-driven Starter Generator)机电,进一步进步整车的NVH,在C-NCAP碰撞测试中取得了五星满分的好结果,综合机能周全逾越上一代车型,是现在环球综合机能最强的夹杂动力SUV。

唐DM之所以有云云优异的表现,一个重要原因是车身轻量化手艺的应用,唐DM的车身采纳了大批的3H高强度钢材,车身高强度钢比例抵达63%,热成型钢比例抵达10%,整备质量约为2 290 kg,与上—代车型的2 400 kg比拟减重约为110 kg,同时全新的后机电矩扭抵达380 N·m,使车辆的最大总扭矩较上一代增添130 N·m抵达了950 N·m,在车身减重和扭矩增添的配合作用下,加快时候收缩了0.6 s,加快机能进一步提拔,而因为车身减重开释更多分外质量,BSG机电得以到场,使整车的驾驶历程越发平顺、温馨、平静,能耗获得了进一步下降。

因为大批采纳了高强度钢材,与上一代车型比拟,改变刚度提拔30%,改变模态提拔35%,高强度笼式车身框架团体抗压强度抵达9吨,车身刚性有了庞大的提拔,在C-NCAP碰撞测试中取得的优异结果正得益于此,团体平安机能非常凸起,在一样平常行驶中,车身可以更好地保证驾驶者和搭客的人身平安[7]。

高强度钢材的大批应用使唐DM的车重有了显著的下落,同时加快、NVH、平安等方面的机能有了显著进步,使其成为一款优异的夹杂动力SUV。

2.2 全铝合金车身(以蔚来ES8为例)

铝合金密度较低,大约为钢的30%,但强度较高,靠近以至凌驾优质钢,而且可塑性好,可以加工成种种型材,具有优异的导热性、导电性和抗腐蚀性,在船舶、汽车、航空航天、机械制作等行业中已大批应用,现在铝合金是工业生产中应用最多和最为普遍的一类有色金属合金材料[8]。

铝合金是重要的车身轻量化材料,全铝车身可减轻车身质量,对环保大有益处,从80年代末入手下手,美国、欧洲、日本等汽车产业发达国家延续加大资金投入对铝制车身举行研发,并取得了打破性希望。1995年德国奥迪汽车公司领先举行铝制车身的大批量生产,把铝制车身从研发范畴真正向应用范畴改变,推向市场,以后铝合金在车身体估中的应用比例逐年进步。1990~1998这8年间,北美汽车工业的用铝量增长了102%。跟着车身轻量化的需求进一步进步,铝合金的应用范围将会进一步扩展。

新能源汽车企业近年来在铝制车身的应用方面也有了长足的生长,个中,蔚来汽车公司在2017年12月推出的大型纯电动SUV蔚来ES8采纳了全铝车身设想,在车身最症结的传力途径和承载部位上也应用了高机能铝材,在整车车身的材料应用率高达96.4%,是现在环球量产的铝合金应用比例最高车身的车型[9]。

图2 白车身框架[10]

蔚来ES8的长宽高分别为5 022、1 962和1 756 mm,整备质量为2 460 kg,比同尺寸采纳非全铝车身的新能源汽车轻约10%摆布,整车轻量化的手艺中心得益于白车身的减重,白车身(Body in White)是指在焊接以后到涂装之前阶段的车身,不包含四门两盖等活动件(图2)。ES8的白车身采纳了源于飞行器的全铝架构平台,具有着仅335 kg的白车身。在轻量化程度规范中,白车身轻量化系数越小,申明单元吸能目标支付的减重本钱越低,它是综合了车身尺寸、质量和机能三方表现取得的数据,计算公式以下:

L为车身轻量化系数;m为白车身骨架质量(不含四门两盖)(kg);CT为包含挡风玻璃和副车架等附件的油漆车身的静态改变刚度(N·m/deg),A是由轴距、轮距决议的白车身投影面积(m2)。轻量化系数在2.5属于优异程度,蔚来ES8的白车身轻量化系数为2.02,属于非常优异的程度。蔚来ES8的前后双机电的最大总扭矩抵达了840 N·m,因为车身轻量化手艺使整车整备质量下降,终究完成了4.4 s的百公里加快时候,关于一款大型SUV是非常优异的结果[11]。

全铝合金车身使新能源汽车的整备质量显著下降,对其加快机能有显著提拔,但因为铝合金强度和刚性不如高强度钢,平安机能稍显不足,加上制作本钱较高,现在采纳全铝车身的车型比例还很低,不过跟着手艺的进一步生长,置信在不久的将来,全铝合金车身的车型会越来越多。

新能源汽车保养,这些部件一定要注意

与传统燃油车一样,新能源汽车也需要经常保养一些部件,不过与燃油车不同的是,新能源汽车所采用的是电池+电机组成的动力总成系统,因此在保养上与燃油车存在一些不同之处。 首先需要经常保养的部件当然就是动力电池组了,动力电池组对于新能源汽车的重要性也

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2.3 碳纤维复合材料(以前程K50为例)

碳纤维复合材料是由有机纤维经由一系列热处理转化而成的含碳量高于90%的无机高机能纤维,是一种力学机能优异的新材料。碳纤维复合材料强度较高(是钢铁的5倍),比重小(钢的1/5),热容量小(节能),具有精彩的耐热性(可以耐受2 000℃以上的高温)、抗热打击性、低热膨胀系数(变形量小)、抗腐蚀和辐射机能[11]。

图3 碳纤维复合材料需求构造

如图3所示,碳纤维复合材料长处浩瀚,是车身轻量化的抱负材料,但因为现阶段其较高的手艺门坎和制作本钱,现在只要专业赛车和少数超等跑车会应用碳纤维复合材料,民用量产范畴的实用车型少少[12],长城华冠团体在2018年8月推出前程K50纯电动跑车,车身采纳碳纤维复合材料,成为环球首款大范围量产的采纳碳纤维复合材料的新能源汽车。

前程K50车身采纳大批碳纤维及铝合金等轻量化材料,全车碳纤维复合材料零件共有29个,这些零件的总质量仅为46.7 kg,比传统钢板材料减重40%以上,比铝合金材料减重凌驾20%,在轻量化手艺的应用下,整备质量约为1 900 kg,比传统钢板车身的整备质量足足下降了250~300 kg。

得益于碳纤维复合材料对车身的减重,前程K50前后双机电最大总扭矩为680 N·m,百公里加快小于4.6 s,另外,车辆装备了79 kW的三元锂电池,完成了NEDC工况下的380 km的续驶里程,百公里能耗低至20.79 kW·h,车身轻量化手艺对前程K50在起步加快和续驶里程两方面的机能都有显著的提拔[13]。

除上述提到的3种车身轻量化手艺以外,另有钛合金、镁合金、塑料等新型材料手艺,不过因为手艺工艺不成熟、制作本钱高级要素,现在还没有现实投入到量产车的应用中。

3 结束语

在动力电池能量密度短期内没法疾速提拔的客观条件下,车身轻量化手艺成为了现阶段提拔新能源汽车综合机能的有用途径,跟着电池手艺的进一步打破和更多优异的新型轻质材料的应用,将来新能源汽车的综合机能势必获得进一步的提拔。

参考文献

[1]Erica R.H.Fuchs,Frank R.Field,Richard Roth,et al.Strategicmaterialsselection in theautomobile body:Economic opportunities for polymer composite design[J].COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY,2008(68):1989-2002.

[2]Joost,W.J.Reducing Vehicle Weight and Improving U.S.Energy Efficiency Using Integrated Computational Materials Engineering[J].JOM,2012,64(09):1032-1038.https://doi.org/10.1007/s11837-012-0424-z.

[3]孙逢春.新能源汽车生长中的多少症结手艺[EB/OL].(2018-01-12).http://www.china-nengyuan.com/tech/119478.html.

[4]CHEN X.,MA F.,WANG D.,et al.Carbody Structural Lightweighting Based on Implicit Parameterized Model[J].CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING,2014,27(3):483-487.

[5]Li Y.,Liu H..Material and Structural Optimization for Engine Hood Inner Panel of Car Body Aimed to Lightweight[C].Information Engineering (ICIE), 2010 WASE International Conference on Information Engineering.

[6]World Auto Steel.ULSAB[EB/OL].[2019-04-04],https://www.worldautosteel.org/projects/ulsab/.

[7]有车一族.2018全新一代唐车身体质构造引见[EB/OL].(2018-06-13).

http://www.020h.com/byd/tang/201806/39103.html.

[8]李永兵,陈终年,郎利辉,等.汽车铝车身症结制作手艺研讨[J].汽车工艺与材料,2013(3):50-58.

[9]搜狐财经.中国汽车品牌加快向天下高端市场迈进[EB/OL].(2018- 02- 26).http://www.sohu.com/a/224068550_538698.

[10]网友:白色车身站在平安角度来说很重要吗?来看专家怎 么 说 [EB/OL].(2018-04-01).http://auto.mop.com/a/180401103749767-2.html.

[11]S.Fida Hassan,M.T.Islam,S.Nouari,etal.Mg6Zn0.4Ca0.5Cu alloy:Physically blended microalloyed lightweight alloy with significantly high strength and ductility[J].Journal of Alloys and Compounds,2019,787(05):1015-1022.

[12]宋燕利,杨龙,郭巍,等.面向汽车轻量化应用的碳纤维复合材料症结手艺[J].材料导报A:综述篇,2016,30(09):16-25.

[13]Ji J.,Liu T.,Fu C.,et al.Numerical Simulation of the Carbon Fiber Composite Material Front Floor of Car by PAM-RTM[C].2015 International Power,Electronics and Materials Engineering Conference(IPEMEC 2015).

【来 源】《汽车文摘》 2019年第5期 P35-38页;作者:袁博(河南省社会科学院工业经济研讨所,郑州 450000)

本文源自头条号:汽车轻量化在线

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