一、 车身轻量化的重要性
轻量化,是提升新能源汽车续驶里程的关键。对于新能源汽车来说,车身质量约占整车质量的24%~32,因此车身质量的减轻对于提高汽车性能和节能减排具有重要意义。新能源汽车要增加续航里程,必然搭载大容量动力电池,电池的安全性也十分重要,在轻量化的同时要求整车能够充分保证车内乘员和电池的安全,因此合理科学地提升轻量化目前面临诸多挑战。本文以近期某款新能源轿跑车为例,介绍如何综合运用结构优化设计、先进材料和工艺等技术实现车身的高性能、高安全性和轻量化。
二、 提升轻量化的设计技术
1、车身结构设计
车身框架开发是新能源汽车保证安全性和轻量化的重要环节,涉及总布置、电池包、副车架、座椅、三电选型、增程前舱布置等多个方面。1.1基于耐撞性的车身框架设计在车身框架设计中,耐撞性的提升依赖于对多种碰撞工况下力传递路径的精心规划。采用多路径框架有助于稳定能量传递,减少冗余设计,从而实现减重。在25%小偏置碰撞中,下图展示了下车身单侧的5条传递路径,确保了框架的稳定性,避免了应力集中导致的结构失效。这不仅保护了电池包安全,还为其提供了更大的布置空间。此外,合理设置吸能区和折弯区,以便充分吸收能量。在需要严格控制侵入量的部位进行有效的加固,以减少结构变形。在MPDB碰撞工况中,圧溃区、Z形折弯区和乘员舱的加强结构均展现了刚柔并济的设计原则。
针对侧面碰撞安全性,特别是柱碰情况,采用了双目形铝门槛和小吸能盒设计,确保能量得以稳定且充分吸收。电池包与下车身协同形成了4条传递路径,有效地分散了碰撞能量。而激光拼焊一体式热成形门环作为高强度车身框架的代表,充分保证了非吸能区的结构稳定性,防止电池包侧边梁和其他结构的侵入,从而避免了电芯受到挤压。这为乘员提供了重要的安全保障。
作为传力路径的连续封闭环,各部分需要在相互协作的基础上实现强度的差异化,以应对不同的碰撞工况。车身后碰撞的耐撞性通过多重差异化强度的连续封闭环来提高。此外,热成型后纵梁、由后防撞梁总成及后纵梁后延伸板构成的吸能区,以及电池包防侵入结构,在高速追尾的情况下充分保护了电池包的安全。在车身设计开发阶段,需要大量应用CAE仿真模拟来验证各种碰撞情况的车身耐撞性。
1.2 基于高刚度的车身框架设计
车身作为固定其他零件的基础载体,其刚性对于操纵稳定性、传递函数、动态密封以及异响控制都具有关键作用。通过车身骨架、电池包框架以及副车架的一体化设计,构建了一个由多个连续承力环组成的笼式框架,如下图所示。此外,还需要对所有车身零件进行灵敏度分析,并依据经验进行优化控制,旨在确定最优的材料厚度及截面尺寸。这种设计方法确保了大截面、高强度钢以及1.8~2.5mm厚度的车身框架接头能够具备高弯曲刚度和扭转刚度。在B柱上端接头处采用了三通结构设计,而在C柱上端则使用了四通结构,并进一步扩大了搭接区域。在封闭的C环内部,增加了一个V型梁,以进一步提升车身的扭转刚度。2、材料的选择和应用
在完成足够的安全强度设计下,接下来从材料方面考虑优化。铝、普通高强度钢、先进高强度钢、热成型钢和塑料等材料的选择在轻量化方面具有显著贡献,但同时也需要在轻量化、性能和成本之间找到平衡。该款新能源车经过多轮优化,其车身的材料应用比例如下:软钢占比16.5%,普通高强钢占比10.7%,先进高强钢占比37.1%,热成形钢占比29.3%,铝合金占比6.4%,塑料占比0.6%。车身材料分布如图所示。下面分析各材料对车身性能和轻量化的影响。
2.1 热成形钢的应用
可以看到,该车身在碰撞传力结构件和关键框架结构件上,大量使用了23件热成形钢, 质量占比高达29.3%,其分布下图所示。热成形钢的合理利用,除了减轻质量外,还带来了成本的降低。以门槛后部连接板延伸板为例,材料由普通高强度钢更改为热成形钢后,较分件方案减重15%,由3.763 kg 减重到3.201 kg,单车减重1.240 kg;减少了零件数量(左右共减少2个件),单车成本减少10.46元,工装开发费降低约24万元。
2.2 铝合金的应用
近年来,铝合金板材、型材和铸件在车身制造中得到了广泛应用。综合考虑车身性能、减重效果、可维修性和成本,铝合金型材成为首选材料,其次是铝合金铸件,而铝合金板材目前暂未被采用。下图展示了铝合金在该车身中的分布,共有6个部件,质量占比6.4%。前、后防撞梁作为车身安全的关键部件,采用铝合金结构替代传统的钢结构。通过优化截面和合理设置吸能区,实现了前、后防撞梁减重30%~50%。以下图所示的前防撞梁总成为例,铝合金的减重效果最为显著,相对于热成形件减重约42%。2.3 其他轻量化材料的应用
除了热成形钢和铝合金,该车型车身还采用了多种轻量化材料。在A柱上,采用了空腔CBS(Composite Body Solutions),用塑代钢的思路来提升A柱的抗弯性能,从而降低对A柱上钣金强度的依赖。通过减少料厚,实现了车身的减重,同时也降低了对A柱造型的要求,减小了盲区。此外,中高弹性模量的玻璃胶的使用,有效提升了车身的静刚度,为减重提供了静刚度的余量。外覆盖件则使用烘烤硬化钢板,提升了抗凹性能,实现料厚的减薄降重。三、 提升轻量化的制造技术
四、轻量化计算
五、结语
通过巧妙的结构优化设计、选用轻量化材料以及采用先进的制造技术,可以在车身轻量化方面取得显著成果。以这款新能源轿跑车为例,为了提升轻量化,工程师对其车身框架进行了精心优化,并采用了多项创新技术,如激光拼焊一体式热成形门环、压铸铝V形梁、铝型材门槛加强梁以及门内板激光拼焊技术。此外,还使用了2000 MPa的高强度热成形钢,确保了车身的碰撞安全性能达到全球五星标准,并且BIP扭转刚度高达34050 Nm/(°)。对于新能源汽车来说,提高续航虽然有多种方式,但汽车轻量化技术依然是不可忽视的一环。
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