关于新能源汽车轻量化研究的调查报告

欧阳圣哲 杜啸宇

摘 要：根据研究表明，新能源汽车每减重10%，其续航里程可提升5%～6%。轻量化是新能源汽车达到节能、降耗、增加續航里程目标的重要手段，寻找可以不改变汽车本身结构、满足各种性能要求，又能实现汽车轻量化的方法成为未来发展的趋势。本文列举和介绍了目前对于轻量化和绿色化比较有研究价值、前景的几种新型材料和成型技术，并总结我国目前的研究现状及展望。

关键词：新能源;汽车;绿色;轻量化;材料;成型技术

国内外研究现状：美国2011年到期的十年汽车发展计划的验收标准是标准车每消耗1L汽油的行驶里程数，要从2002年的26km延长到42.5km。目前美国有两种选择：一是选用大丝束（50～80k）PAN-CF，二是选择纤维素基碳纤维。这两种材料成本低廉，且纤维素还能实现无溶液回收，绿色环保。日本NEDO（新能源产业技术综合开发机构）与东丽和日产汽车共同研发CFRP汽车，目标是车体比钢制品减重50%。国汽国汽（北京）汽车轻量化技术研究院有限公司于2013年发布首期开放课题。本期开放课题以招标的形式开展，每个课题的平均资助强度为30万元，投标方须提供一定数量的配套资金（不低于60万元）和相关的配套条件。成果包括但不限于：1.开发出碳玻混杂复合材料制造车身硬顶部件，在原部件基础上可实现减重30%;2.开发出变厚板的汽车前纵梁内板零件，相比激光拼焊板的减重效果达到23.75%;3.开发出满足长玻璃纤维增强的热塑性釜内合金聚丙烯焊接关键技术，实现国内在该项技术突破。我国各级研究中心正在积极寻求汽车轻量化，研究成果显著，但与发达国家依然有着一定的差距

正文：轻量化研究主要包括三个方面：轻量化材料、先进制造技术、结构优化。

1 轻量化材料

我国地大物博，各种矿物资源都相当丰富。以稀土永磁材料为例，我国早在2010年生产量就已经接近35000t。稀土永磁材料可以应用在新能源汽车电机上。以10kw的发电机为例，永磁电机重量相对于常规电机可以减少2.4倍，体积可以缩小2～4倍。但还存在以下种种关键性的问题：一、综合研发能力不足，永磁电机的成本过高。二、相关研究方向专利的限制。三、产业资源过度分散，企业规模化效益不够。四、产学研脱节，材料发展受限制。这是我国关于稀土永磁材料研究和应用的现状，但也是我国关于汽车轻量化材料整体下存在的优势和不足，即产量丰富，研发能力不足。

碳纤维复合材料（CFRP）通常是以碳纤维为增强体，热固性树脂为基体制备的复合材料。纤维承担了大部分负载，并且是材料性能的主要贡献者，而树脂有助于纤维之间转移载荷，防止纤维弯曲，并将材料黏合在一起。碳纤维增强板具有显著的高比强度和高比模量，成为航空航天、汽车工业轻量化、高性能应用的首选。与玻璃纤维密度2.3cm/g相比，碳纤维密度减少为1.7cm/g。厚度由2.7mm，减小为1.5mm，减重比达36%。轻量化成果显著，力学性能优异且市场反馈良好具有极其广阔的应用前景。但受制于高昂的材料费和加工费，且全面系统的验证及数据收集方法尚在探索阶段。

高强度钢吸能性好，强度高，可使车身质量降低的同时，达到碰撞安全性的提高。铝合金材料具有低密度的特点，而且它的比强度甚至可以和优质钢相提并论。但是其板材局部延伸性欠佳，较易出现裂纹;撞击变形后，铝的整形技术，表面喷漆技术难度大，导致维修成本高。镁合金材料比铝合金材料的密度更小，不但具有重量轻，吸震性能强的特点，而且具有良好的铸件性能。但问题还是存在在以下几个方面：1、镁元素的耐腐蚀性较差。2、在加工过程中容易发生燃烧甚至爆炸。钛合金材料性能很好，不但质量轻、密度低、比强度高、耐腐蚀性好，而且耐高温性和低温柔韧性很好，广泛应用在发动机系统中。但是成本相对较高，加工难度大，焊接性能差。

2 成型技术

传统的成型技术主要是模压成型，生产率比较高且表品质量比较好。但缺点在于采用的热压罐体积大，结构复杂，投资成本高，消耗能源多，对推广纤维复合材料在汽车领域中的广泛使用作用有限。目前的新型成型技术有HP-RTM成型工艺，它是传统RTM工艺优化后得到的一种新型工艺。HP-RTM成型技术采用钢模及真空辅助排气装置，在高压条件下完成对树脂的充模和浸润，大大提高了合模与充模速度，缩短了部件成型时间，提高了生产效率。同时，增大压力能够促进树脂快速充满模腔，提高纤维树脂浸润度，降低孔隙率，提高构件的内部成型质量。此外，新型成型技术还有VIMP、VBO成型工艺等。

3 结构优化

结构优化主要分为尺寸优化、形状优化以及拓扑优化。当今结构优化设计离不开计算机的辅助，CAD/CAE技术在结构优化中扮演重要的角色。对结构进行仿真，受力分析，再通过算法对结构进行优化，对构件进行轻量化。虽然说结构优化是轻量化的一个重要手段，但其目前还是不尽完善的。问题包括计算数值不稳定，网络依赖性强，精确仿真困难等。

总结及展望

汽车轻量化对于汽车工业的发展有着巨大的推动作用，不仅可以节约成本，还可以减小排放，保护环境。轻量化的手段主要包括材料、结构、制造技术三个方面。我国现阶段尖端技术还有较大的发展空间，要使资源丰富的优势发挥出来，就必须加大投入在科研方面，并以此为平台，相互促进。同时不能以某一个单一的手段出发寻求轻量化，要多个方法并行发展，并且要灵活运用最新的辅助技术，与最新的科研成果例如计算机辅助算法等相结合，简化优化过程，提高优化效率。

参考文献：

[1].新能源汽车材料呼唤高分子材料等轻量化.塑料工业.2011年（12）：127

[2]罗益锋.世界汽车结构材料及新能源汽车发展趋势.高科技纤维与应用.2010年（06）：13-16

[3]筱斐.多元化材料组合为汽车轻量化发展的必然趋势.汽车与配件.2016年（41）：47-51

[4]本刊编辑部.索尔维：为新能源汽车材料提供新选择.汽车与配件.2018年（14）：57

[5]韩艳霞.碳纤维增强复合材料及其应用研究.中国设备工程.2020年（19）：237-238

[6]李光霁;刘新玲.汽车轻量化技术的研究现状综述.材料科学与工艺：1-13

[7]陈一哲;赵越;王辉.汽车领域纤维复合材料构件轻量化设计与工艺研究进展.材料工程：1-9

作者简介：

第一作者姓名：欧阳圣哲 性别：男 出生年月：1999年6月 民族：汉 籍贯：湖南湘潭人 学历：本科 学习单位：郑州大学 研究方向：机械工程

第二作者姓名：杜啸宇 性别： 男 出生年月：  1998年10月 民族： 汉 籍贯：河南省永城市人 学历： 本科 学习单位郑州大学 研究方向： 机械工程