新能源汽车结构轻量化关键工艺研究

摘要：在社会经济高速发展的背景下，人们生活水平显著提高，汽车逐步走进千家万户，成为人们日常出行的重要交通工具，给人们的生活带来了诸多的便捷，同时也带来了严峻的大气污染问题，对我国提倡的低碳、绿色、可持续发展目标提出了考验。因此，节能轻便的新能源汽车逐渐受到人们的广泛关注。在此背景下，以新能源汽车结构轻量化为出发点，分析了新能源汽车结构轻量化的关键工艺技术，以期实现汽车节能减排。

关键词：新能源汽车；结构轻量化；关键工艺

中图分类号：U469.7  收稿日期：2023-03-23

DOI：1019999/jcnki1004-0226202308013

1 新能源汽车结构轻量化概述

1.1 结构优化设计

所谓结构轻量化，指的是对汽车结构进行轻量化设计和优化，即借助于先进的CAE软件技术对整个汽车结构进行分析，以分析结果为依据来进一步优化汽车各零部件，使之可以满足刚度、强度、成本、疲劳寿命以及碰撞安全性等使用性能需求。其中结构性分析必须严格按照国家相关法律法规，合理优化结构性参数，从而实现材料的高效利用。在去除多余组成部分的同时，促进零部件的复合化、小型化、薄壁化以及中空化的利用，最终满足结构轻量化需求[1]。

拓扑优化是结构优化技术中最为常见的应用形式之一，其能够在既定负荷状况、限制条件和性能指标的状况下对制定区域材料进行优化，具有很高的精确性。对于汽车制造而言，拓扑优化的运用能够在均匀分布的材料设计空间筛选出最佳的分布方案。另外，在汽车轮毂轻量化技术中，主要是借助于材料与结构优化方法对轮毂进行分析，结合材料功能进行搭配，并利用尺寸优化的方法对最大力位置进行科学优化，通过拓扑优化技术在最大程度上减轻轮毂质量。

1.2 底盘轻量化

底盘是汽车中非常重要的零件之一，其主要由驱动系统、转动系统、转向系统、制动系统四个部分组成，故而可以从这四个部分出发进行底盘的轻量化设计：a.驱动系统。该系统的轻量化设计可以从悬架入手，即合理优化悬架弹簧上的材料，选用碳纤维复合材料螺旋弹簧或是高强度钢空心螺旋弹簧；合理优化控制臂上的材料，选用锻铝、铸铝或是碳纤维复合材料；合理优化横向稳定杆上的材料，选用空心复合材料或碳纤维复合材料。b.传动系统。该系统的轻量化设计可以从轮子入手，选用铝合金锻造车轮、铝合金铸旋车轮、镁合金锻造车轮，也可选择碳纤维复合材料车轮。c.转向系统。该系统的轻量化设计可以从电动助力转向系统与线控转向系统的应用入手。d.制动系统。该系统的轻量化设计需要优化和改进整个制动系统，即通过选用组合式的制动盘、铝合金等材料制成的制动钳，来实现制动系统的轻量化。

可以说，要想实现新能源汽车底盘轻量化，必须注重新结构、新技术、新材料的有效利用，其中通过选用密度低、强度高的新材料，可以在极大程度上减少零部件的重量[2]。如：选择铝合金替代钢板材料的焊接，至少能够减轻50%的结构质量；采用先进铸造技术来加工汽车零部件，能够让汽车的质量减少原来的50%。

1.3 车身轻量化

就新能源汽车车身来说，轻量化设计可以从三个方面入手：a.改进整个汽车车身的布局形式；b.在铝材中添加一定數量的钢材，制成钢铝复合动力汽车；c.汽车车身制造材料以碳纤维为主，辅以多材质复合材料。但上述三个方面在具体实践中依然存在一些不足之处，即材料生产技术、成形工艺生产技术、材料之间的联接技术、模拟材料制备工艺等仍需不断优化和完善。

2 新能源汽车结构轻量化存在的问题

2.1 缺少明确的轻量化材料使用方式

在绿色低碳发展背景下，轻量化材料在汽车制造行业中得到普及，尽管汽车研发人员已经认识到轻量化材料在汽车结构轻量化设计中的应用价值，然而在轻量化材料使用方面，我国依然缺乏成熟的技术支撑，所以并未实现广泛应用。导致这一现象的原因在于：相关技术人员没有准确评估各种轻量化材料，无法明确哪种材料更适合生产新能源汽车零部件。

2.2 轻量化汽车生产过程比较复杂

新能源汽车的车身、底盘、发动机等方面的生产制造均需要使用大量的材料，然而随着汽车使用时间的延长，将会逐渐降低各种零部件的性能，在很大程度上影响到汽车的使用性能，从而导致汽车无法安全可靠运行[3]。与此同时，现阶段我国尚未提出明确的汽车零部件性能标准，导致在汽车制造中难以保证零部件性能，最终很难实现新能源汽车的节能减排目标。

2.3 缺乏可行的汽车轻量化规范体系

当前我国相关文件中已经明确指出汽车轻量化是汽车工业的发展方向，然而尚未提出一套完善、可行的汽车轻量化标准体系，这就在很大程度上制约了我国汽车轻量化发展。

3 新能源汽车结构轻量化关键工艺分析

3.1 轻量化材料

a.高强度钢。按不同的钢屈服强度，可将高强度钢划分成一般钢强度钢与先进高强度钢。对于新能源汽车的制造而言，应当结合车身部位不同采用合适的高强度钢，从而实现高强度钢的高效率使用，这样做能够减少车身制造中零部件的使用数量，还可以减轻车身自重。高强度钢之所有具备上述使用功能，是由于其本身具备减薄钢板作用，能够在减轻汽车质量的同时，保证汽车的安全性。

b.铝合金。在目前的工业领域中，铝合金是最为常用的有色金属结构材料，该材料的抗腐蚀性、导热性与导电性优异，具备延展性优、强度高和密度低的优点。依据不同的加工方法，可将铝合金分成变形铝合金与铸造铝合金两种，其中前者可以承受高压，目前主要在发动机冷却系统散热器、汽车零部件、压缩机零部件的制造中得到有效应用，后者主要用于特种、低压以及重力铸造[4]。

c.热塑性材料。该轻量化材料可以实现加热软化与冷却硬化，主要作为汽车排气管的制造材料。现阶段，很多大型汽车放置行李箱门的制造材料就选择热塑性材料。相较于其他材料，热塑性材料的价格较低，质量较轻，且操作工艺较为简单。

d.复合材料。在汽车生产制造中，需要结合不同部位性能选用多种材料，这就是复合材料。在复合材料中碳纤维复合具有良好的物理特性，即操作工艺简单、质量轻、高强度、耐热性好等，该材料是较为理想的汽车制造材料。据相关资料表明：碳纤维复合材料在汽车制造中的应用，能够减轻车身整体质量40%～60%；同时，选择碳纤维复合材料制作汽车零部件，能够减轻钢材料零件50%以上。然而该轻量化材料属于一种高性能新型材料，生产工艺较为复杂，使用成本较高，所以应用有限。

e.新能源阻燃材料。该轻量化材料具有加工操作简单、绝缘等方面的优势，是当前新能源汽车结构轻量化设计的首选材料。如在动力电池外壳制造中，可選择玻纤阻燃尼龙和铝嵌注相结合的方式，即塑包铝方式，能够有效减小制件壁厚，并减轻壳体重量，获得较佳的散热效果。在实际操作中能够一次注塑成形，具备良好的冲击性能，可达到V-0级别阻燃。

3.2 新焊接工艺

a.激光拼焊。该工艺技术是以裁剪制衣的相关原理为基础，对不同涂层、不同材质和不同厚度的钢板加以激光焊接，形成一个完整的拼焊板，然后进行冲压制造，使之与其他零部件进行总装。激光拼焊工艺能够满足汽车零部件对材料性能的多样化需求，既能够有效提升材料的使用效率，还能够更好地把控零部件质量。据相关实践证明：在汽车车身结构中采用激光拼焊板，能够减少汽车质量20%～40%。激光拼焊在促进新能源汽车结构轻量化发展中发挥着非常重要的作用。与此同时，激光拼焊工艺也具有一些缺陷和不足：拼接焊缝会在很大程度上影响到冲压零部件材料的表面质量与力学性能；制成的激光拼焊板可能发生厚度突变现象，很难实现薄厚板之间的光滑连接，不可用于制造汽车车身面板。

b.铝合金拼焊。在同一汽车零件制造中，相较于钢材拼焊板，铝合金拼焊板能够减重50%左右，且相较于铝合金板，铝合金拼焊板能够减重5%～10%。现阶段，铝合金拼焊板可选择激光焊、气体钨极电弧焊、非真空电子束焊等多种焊接方法，然而因为铝合金本身缺乏良好的焊接性质，在焊接过程中很可能出现强度下降、合金元素损失等问题，还会导致焊缝区域出现热裂、焊缝位置产生孔隙。搅拌摩擦焊作为一种新的铝合金拼焊板制备工艺，主要是采用由搅拌针与轴肩构成的搅拌头，将其旋转插入到需要焊接的零件当中，再沿着焊接方向进行旋转运动，使得轴肩和焊接表面、搅拌针和四周母材产生摩擦作用，从而迅速提高焊缝位置金属材料的温度，达到充分塑性软化的目的[5]。随着搅拌针不断向前移动，其前方的热塑性金属将会向着后方不断流动，同时轴肩施加的锻造力会让接缝位置的变形金属进行相互扩散和再结晶，最终牢固地结合在一起，产生一道焊缝，完成固态连接。在实际焊接过程中，搅拌摩擦焊工艺无需熔化基体，能够有效避免铝合金板在熔化焊时由于熔化而出现变形、微裂纹、孔隙等问题，也无需使用填充材料和保护气体，不会产生烟尘，能耗较小，属于一种绿色、高效、经济且高效的焊接工艺。

c.冷金属过渡。相较于普通的熔化极惰性气体保护焊、熔化极活性气体保护焊，冷金属过渡工艺的热输入量更低，故而称之为冷。该焊接工艺主要是通过焊接时的热-冷-热的交替，在极大程度上降低热输入量。相关焊接工艺流程是：①通过电弧燃烧对零件和熔化焊丝进行加热处理；②焊丝向前送进，待形成的熔滴和零件相接触以后，这时焊机将焊接电流降至几乎为0，并回抽焊丝；③采用机械方式来分离开焊丝与熔滴，促使熔滴过渡到焊缝位置；④当焊丝脱离焊缝，并形成开路以后，将重新燃起电弧，促使焊丝向前送进，从而进入到下一个焊接周期。冷金属过渡焊接的应用优势在于：不会出现飞溅情况，能够对焊接烧穿情况进行有效控制，保证薄板焊接的安全性，可更为精准地控制输入量，不仅焊接质量较佳，还具备较高的重复焊接精度。

3.3 新成形工艺

a.内高压成形工艺。该工艺所用材料多为管材，通过将超高压油液和轴向推力补料添加到管材内，让管坯压入模腔，从而使之成形为所需工件。具体操作流程包括：①填充。在模腔放入相应的管材，并进行合膜，在冲水条件下让管材两端沿着水平方向推进，从而逐步生成较为密封的状态；之后利用预充体的作用，促使管材内部的空气顺利排出。②成形。通过向管材内液体施加压力，从而得到相应的模具。③整型。采用施加压力的方法，促使膜腔和模具角度之间紧密结合，形成所需的工件。相较于过去的冲压工艺，内高压成形工艺能够有效减小零部件质量，实现资源的高效利用，将材料损耗率降至最低[6]。

b.热压成形工艺。该工艺主要是利用加热模具，并在模具中注入相应的材料，再借助压力作用，促使材料与模具之间牢固地连接起来，待到材料成形后，即可取出模型成品。热压成形工艺操作流程包括：①在经加热处理的模板中放置相应的材料；②通过上模和下模，将一定的压力施加给材料模板，在排气管作用下排出气体；③剪切已冷却成形的模具，成形为最终成品。相较于过去的制造工艺，热压成形工艺能够大幅度提高零部件的强度，并能够对零部件的厚度、使用数量加以有效管控，切实提升汽车质量水平[7]。

c.辊压成形工艺。该成形工艺主要指材料在伴随辊轮不断转动的同时，在辊轮的碾压下成形，从而制成所需的复杂制件。在具体操作过程中，应当注意以下两点：①在剪切对焊装置中，必须恰当处理相应的材料；②充分利用压机与成形机的作用，保障辊压顺利成形定型。

d.连续变截面板。连续变截面板主要是由柔性轧制技术生产而成。在轧制过程中，轧辊的间距能够实时地调整变化，进而让轧制出的薄板在沿着轧制方向上形成预先定制的截面形状。据相关资料显示：汽车车身结构经过优化并采用连续变截面板成形后，其质量下降了10%～40%。对于新能源汽车车身结构设计而言，通过选择定制的连续变截面板成形，能够获得最为理想的轻量化效果。

4 结语

为解决传统燃油汽车发展中存在的能耗高、污染重等方面的问题，我国不断加大新能源汽车轻量化的研究和推广力度。在新能源汽车设计和制造中，应当结合实际情况，选择合适的轻量化材料，并合理运用新焊接工艺和新成形工艺，从而提高新能源汽车质量水平，有效实现轻量化的目标。

参考文献：

[1]邓剑锋新能源汽车结构轻量化关键工艺分析[J]汽车与新动力，2022，5（3）：14-16

[2]耿金华，吴嘉聪，陈伟豪，等新能源汽车轻量化设计探讨[J]农业工程与装备，2021，48（3）：22-24

[3]张鹏，刘颖新能源汽车结构优化轻量化关键工艺分析[J]汽车实用技术，2020（7）：203-205

[4]朱静秋新能源汽车结构轻量化关键工艺的研究[J]南方农机，2019，50（24）：44

[5]李骏，王雷，张尧新能源汽车结构轻量化关键工艺的研究[J]机械制造，2019，57（9）：65-68

[6]黎屏新能源汽车结构轻量化设计[J]传播力研究，2019，3（14）：273-274

[7]王子瑞新能源汽车结构轻量化设计[J]内燃机与配件，2018（22）：4-5

作者简介：

王洋，男，1988年生，助理工程师，研究方向为专用汽车结构设计。