新能源汽车轻量化技术路线和应用策略

田 萌

(河南工业贸易职业学院 汽车工程学院，河南 新郑 451191)

0 前言

近年来，新能源汽车发展迅速，中国汽车协会数据显示，2020年我国新能源汽车的销量高达80万辆，仅上半年的销量同比增长为112%。据专业人士推测， 到2025年燃油车数量将达到峰值，总体将呈每年下降趋势，到2035年新能源汽车的总产量有望超过传统汽车。

根据环境保护和燃油消耗相关法律法规政策，车辆轻量化已成为实现节能减排的必要措施。有试验表明，传统汽车的总质量减少10%，耗油量可下降6%～8%，同时二氧化碳排放量也将减少。

新能源汽车轻量化研究的重点是车身、内外饰件、底盘和动力系统这4部分。针对车身和底盘，利用轻量化材料减重，车身以热成型后的高强度钢为主，底盘以铝合金材料为主，未来两者将被广泛应用于汽车制造。此外，工艺和有限元法设计也可实现汽车轻量化，除了应用最广的热成型技术，也可应用其他主流技术，如液压、激光焊、热成型冲压制造工艺等。新能源汽车轻量化设计和分析法主要有2种：① 通过零件组合，运用模块化减重；② 拓扑优化分析，利用精确算法合理优化零部件的尺寸和形状。

结合上述方法，开展新能源汽车轻量化研究，对推动新能源汽车发展和环境保护具有重要意义。

1 新能源汽车轻量化技术路线

1.1 概述

新能源汽车推广及发展的最大阻碍是其续航能力有限，这是它相较于传统燃油汽车的弱势，是需要改进的重中之重。车身自重是影响续航里程的重要因素，考虑到环境保护、节约资源、降低动力电池生产成本和提升续航能力，新能源汽车的轻量化发展势在必行。实现轻量化的方式主要是采用先进的成型工艺、新型轻质材料应用及结构优化设计。

1.2 新能源汽车结构轻量化

结构轻量化是指汽车结构的轻量化设计与优化。采用先进的CAE软件技术进行分析，优化相应的零部件，使其能够满足强度、刚度、碰撞安全性、疲劳寿命、成本等多方面性能要求。结构性分析主要是以制定相应的法律法规为前提，通过优化结构性参数，提高材料利用率。这样既可去掉多余的组成部分，又可实现零部件的薄壁化、中空化、小型化及复合化，满足结构轻量化。

在结构优化技术中，采用最多是拓扑优化，它是在给定负荷情况、约束条件和性能指标的情况下，优化指定区域的材料，其精确性较高。在汽车制造过程中，利用拓扑优化可以在均匀分布的材料设计空间选择最优分布方案。

在轻量化领域，同时针对材料及结构的研究较少。在汽车轮毂轻量化技术中，采用材料和结构优化的方法分析轮毂。首先，根据材料功能进行搭配；然后，采用尺寸优化的方法，合理优化最大力位置；最后，采用拓扑优化技术进一步减轻轮毂质量。

底盘是汽车的重要组成件，底盘轻量化主要包括4个方面。① 悬挂系统：主要对其横向控制杆、螺旋弹簧和系统控制臂进行轻量化处理；材料方面，采用碳纤维复合材料、铸铝件及高强度钢；结构方面，将控制杆制成空心。② 行驶系统：其轻量化方向主要考虑车轮，轮毂可采用镁合金锻造件，轮胎可采用性能好的天然橡胶。③ 转向系统：对其转向节结构进行拓扑优化，或采用轻质合金及碳纤维实现其轻量化。④ 制动系统：其轻量化方向是实现系统的集成化，制动盘可制成组合式，材料可采用铝合金。

汽车底盘的轻量化需要通过新结构、新材料及新工艺的有机结合来实现。结构优化以横臂为例，通过成熟的分析法，实现有效改进，可减重约50%。新材料主要针对转向系，以低密度和高强度材料为主，如摆臂、转向节等采用铝合金材料制造，相对传统材料可减重40%～50%。新工艺是通过各种先进成型技术，对零件进行加工处理。

承载式和非承载式这2类车身的轻量化技术路线不完全相同。对于承载式车身，轻量化技术发展路线有3个方向：① 打造全铝复合型车身；② 在铝中添加一定剂量的钢，制成钢铝混合车身；③ 制造多材料复合车身，该技术路线以碳纤维材质车身为主。这3个发展方向仍有需解决的问题，如完善材料制作方案，对制作好的材料进行性能模拟，以提高模具的技术制造水平及不同材料之间的连接技术等。

2 轻量化工艺

2.1 先进制造工艺及其应用

为应对轻量化材料存在成型困难的问题，采用液压成型工艺。不同于冲压成型，液压成型的工作机理是利用液体作为工作介质，一般为液体状态的水或油。相较于冲压成型制造的零件，经过液压成型处理的零件质量控制能力较高，可进一步扩展零件成型的极限。零件是通过模具定型的，采用液压成型可降低少数模具的开发成本，这也降低了汽车制造的总成本。目前，针对表面较复杂且对精度要求高的零件，如汽车翼子板等，会采用液压成型的方法。

为进一步提升零件性能，国内外研究人员进行了深入研究。车身的外覆盖件凹槽较少，适合采用板材液压成型技术，可减少厚度，达到轻量化效果。对于2个及以上的管制部件，也可采用管材液压成型技术。该技术主要被用于制作传动轴零件、侧门横梁、车顶支架等。管材液压技术可以降低零件制造成本11.00%，降低设备成本14.00%，并减小零件质量7.3%。除上述方法，还有其他更先进的液压成型技术，如差温充液拉深技术、超声波振动充液拉深法、成对液压成型技术等。

激光焊接主要是通过高能激光束对轻量化激光材料进行加工的精密焊接方法。对于传统的连接方法，连接处面积较大，会增加汽车整体质量，而精密焊接方法基本仅有1个焊点，可大大减小相连处的质量，是一种可行的轻量化方式。激光焊接技术主要应用于汽车零部件、排气管、车身等的生产制造。在成熟的车间流水线上，广泛应用激光焊接方式，且基本采用人工智能作业。激光拼焊板工艺被运用于该过程，可减少制件数目、减薄局部钢板、去除点焊凸缘，最终实现轻量化。

2.2 铝合金车身连接技术

激光-电弧复合焊接技术主要有以下2个优点：① 焊接性能好，激光-电弧复合焊接技术融合了激光与电弧的优点，具有加热范围广和高能密度的特点，获得高密度及高能量的热输入，可有效减少焊接裂纹。② 焊接效果稳定，在焊接过程中，如速度过快会出现阳极斑点不稳定的情况，使电弧发生飘移；激光能为电弧形成相应的阳极斑点创造良好条件，因此激光与电弧相结合，在高速焊接情况下可保持相对稳定的状态。

为了解决铝、镁等轻质金属材料在连接接头处性能弱化的问题，20世纪90年代，英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊接技术。随着新能源汽车的发展，续航里程是影响用户驾驶体验的主要因素，提高新能源汽车的轻量化水平，可增加续航里程。传统的车身连接工艺已不能很好地满足发展需求，各种新材料被应用于新能源汽车制造。例如，为避免铝合金车身焊接后出现不良性能问题，如出现裂纹气孔等，越来越多的生产商将搅拌摩擦焊接技术应用于汽车制造中。

把搅拌摩擦焊接技术应用于铝合金连接领域具有明显的技术优势。铝合金材料融化后可能会出现气孔、裂纹等技术缺陷，搅拌摩擦焊接在其工作过程中属于固相连接，不涉及铝合金的融化和凝固，从根本上杜绝了上述问题的出现。

3 结语

通过研究发现，在不同方面实施轻量化技术所得到的结果大致相同，即实现整车质量的减重。无论是应用新型材料，还是利用计算机辅助工程进行结构设计，或是采用先进的材料加工方法，其目的就是通过技术手段实现汽车的轻量化。轻量化研究是今后汽车的大发展方向之一，国内国际都将持续深入研究该技术，轻量化后的汽车将为人类带来更大的效益。