A0级电动车车身轻量化技术研究

张立强

（阿尔特汽车技术股份有限公司，北京 100076）

0 引言

随着环境污染日趋严重，新能源汽车成为当下汽车发展的主要产物。轻量化技术变得越来越重要，已成为提升车辆性能和整车竞争力的必然途径之一。从轻量化技术的内涵来看，需要在满足产品功能的要求和成本控制的条件下，将结构优化设计、多材料与多种制造技术集成应用，实现产品减重。本文就对某A0级纯电动车项目车身轻量化方案展开研讨。

1 车身轻量化的主要途径

在车身设计过程中，主要可从结构设计优化、材料轻量化、制作工艺的改进以及集成化设计角度实现车身质量的减轻。

1.1 结构设计优化

车身结构参数化多学科性能优化；板厚灵敏度优化；零部件拓扑结构优化。

1.2 材料轻量化

提高高强度、超高强度钢板的应用 （屈服强度≥340Mpa）比例；铝合金轻质材料应用；塑料复合材料应用；碳纤维材料的应用。

1.3 制造工艺创新

热冲压零部件开发技术；挤压成型；激光拼焊板。

1.4 集成化设计

塑料前端模块集成设计；铸造铝合金零部件集成设计；车身骨架集成设计。随着制造工艺的创新，铸造铝的精度越来越高，由集成式铝骨架结构替代焊接式钢车身结构，可以大大的降低车身重量。

2 某项目轻量化实例

铝合金在车身的应用主要有全铝车身结构、钢铝混合车身结构。鉴于现有的生产工艺和制造、维修成本，多数采用钢制焊接车身骨架+活连接铝合金分总成形式的车身结构，能够有效的控制成本和达到一定的轻量化程度。本项目就采用了此方案，采用铝合金的主要零部件有：翼子板、机盖内外板、前防撞梁总成、后防撞梁总成、EV托架总成。如图1所示铝材质的分布位置。

图1 铝合金的分布位置Fig.1 Distribution position of aluminum alloy

2.1 前防撞梁总成

目前国内铝合金防撞梁已普遍使用，通过调查研究发现，单位重量的铝在碰撞中吸收能量是钢的2倍，质量比钢轻很多，轻量化的效果相当明显。图2为某A0级轿车前防撞梁结构。

图2 前防撞梁Fig.2 Bumper Beam FR

图3为两种材料的截面对比，铝防撞梁料厚2.5mm，“目”字形截面，这种截面形状X方向的抗弯截面系数比较高，对正碰力的传递比较有利，具体对比分析见表1和表2。

图3 截面对比Fig.3 Comparison of section

表1 截面系数对比Tab.1 Comparison of section factor

表2 前防撞梁对比分析Tab.2 Comparison and analysis of Bumper Beam FR

从上表得出铝制前防撞梁比钢制的轻2.58kg，通过截面系数以及材料性能对比，虽然钢板的许用强度是铝板的2倍左右，但是从截面系数计算得出，铝的截面系数W1是钢的1.8倍。对比可以得出如果前防撞梁铝和钢达到同样的强度，铝比钢的质量能够减少40%左右，所以减重效果比较明显。

2.2 后防撞梁总成

对比形式同前防撞梁。下图为不同材料的后防撞梁结构。钢材质的采用冲压而成，铝合金材质的采用挤压的形式，截面形状设计为“日”字形，截面尺寸也相对前防撞梁小。

经过对比，后防撞梁总成减重0.166kg，根据前防撞梁对比分析，钢铝材料达到相同的强度，铝防撞梁减重能达到40%，虽然后防撞梁减重很少，说明强度要比钢制的高很多。

图4 钢制后防撞梁结构Fig.4 Steel bumper ream RR structure

图5 铝制后防撞梁结构Fig.5 Aluminum bumper beam RR structure

2.3 翼子板

翼子板的轻量化主要是从材料和料厚方面着手考虑。为了降低翼子板的料厚并满足外覆盖件的抗凹性。铝翼子板要满足相同的抗凹性，比钢材质的质量会减少很多。同尺寸翼子板钢铝详细对比见表3。通过分析得出，铝翼子板比钢翼子板减重50%左右。

表3 详细对比Tab.3 Comparison in details

翼子板抗凹性CAE分析

工况1：采用直径25mm的刚性压头进行加载，施加30N与外板垂直方向的载荷。

工况2：采用直径25mm的刚性压头进行加载，加载至400N。

工况3：卸载400N，察看残余变形。

图6为施加力点分布图以及表1为分析结果。

目标值：30N最大位移<1mm，100N最大位移<3.5mm。

结论：通过钢、铝翼子板的抗凹性分析结果与目标值对比，都满足目标值要求。

图6 抗凹性点分布图Fig.6 Distribution diagram of dent resistance

表4 分析结果对比Tab.4 Comparison of analysis results

2.4 EV托架总成

EV托架布置在机舱内，主要承载电机控制器，充电机等大型零部件，两侧通过螺栓与车身左右纵梁连接。如图7和图8所示。

EV采用6061-T6的铝合金型材，通过MIG焊的形式连接，选用螺栓与车身连接。

图7 EV托架的大体布置Fig.7 Layout of EV Frame

挤压铝的断面尺寸根据项目经验和其他车型的调研定义为 40×30×2.5mm。通过前防撞梁钢铝的截面系数计算对比，钢铝EV托架要达到相同的承载能力，铝结构要比钢结构轻40%左右。

图8 EV托架的大体结构Fig.8 EV Frame Structure

根据数据计算得出EV托架总成质量为3kg，冲压钢板EV托架5Kg，减重40%。

2.5 机盖内外板

对于开闭件的四门两盖来说，采用铝材料最大的难点就是冲压工艺性。机盖总成相对比较独立，拉延深度较浅，不受车身专业的限制，所以机盖内外板采用冲压铝结构。

钢、铝机盖总成对比：定义机盖内外板材料为 6016-T4，料厚1.0mm。图9为机盖总成的爆炸图。

从表5和表6计算得出铝钣金机盖总成的总质量为6.52kg，钢制机盖总成的总质量为11.38kg。通过对比分析得出，减重4.86Kg，比重43%。

图9 机盖总成的爆炸图Fig.9 Hood Assy Explosive view

表5 铝制机盖总成明细表Tab.5BOM of aluminum hood assy

表6 钢制机盖总成明细表Tab.6 BOM of steel hood assy

机盖抗凹性CAE分析，同翼子板类似，铝合金材质的机盖同样能满足相关的抗凹性要求。

经过以上方案对比分析，在成本可控的前提下，通过采用部分铝制零件的方案，大大降低了车身总质量，并且保证了车身的性能。表7为以上方案的质量对比汇总。

表7 质量对比汇总Tab.7 Weight comparison summary

从表7分析得出，本项目采用铝合金材料的零部件为：前防撞梁总成、后防撞梁总成、翼子板、EV托架总成、机盖钣金总成。共减重11.562kg，减重率41.5%。

3 结论

经过本项目轻量化技术研究，在现有成熟的制造工艺水平上，在成本可控的前期下，A0级纯电动车的轻量化采用“钢制骨架车身+活连接铝合金总成”的结构方案是比较成熟的。