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【启飞学术篇】新能源汽车全塑车身设计及制造技术01

1月2日 周三

       每个人的生命都是一只小船,梦想是小船的风帆。

摘要


    传统汽车在行驶过程中,会排放出大量的尾气,汽车尾气中含有大量一氧化碳、二氧化碳、氮氧化合物、硫氧化物以及固体悬浮颗粒,当硫氧化物达到一定浓度时会产生酸雨现象,直接影响农作物生长,而且对人体健康造成严重危害。为了减少汽车尾气的排放量、改善大气环境,近年来国家大力发展新能源汽车,新能源汽车采用非常规的车用燃料作为汽车动力来源,并综合车辆的动力控制和驱动设置,形成新结构的汽车。它具有环保性、经济性等特点。但是当前我国的新能源汽车生产制造技术与美国、日本、德国等发达国家还有一定的差距。因此,分析新能源汽车全塑车身设计及制造技术对我国汽车行业的发展具有重要意义。



一、新能源汽车车身结构

    本文新能源汽车使用非承载式车身骨架结构,车身由工程塑料通过滚塑工艺一次成型加工制造而成,汽车零配件集成在汽车骨架上,骨架按照拓扑结构设计,在满足汽车功能要求的同时也能确保电池组等零配件的安全。图1为新能源汽车结构。

 
图 1 新能源汽车结构


    传统的汽车在正面碰撞过程中,前纵梁会出现溃缩变形吸收汽车大部分的碰撞能量,碰撞结束以后,汽车前保险杠会出现严重的收缩变形。而新能源汽车的动力源主要分布在引擎盖和后车架上,如果其采用传统的吸收能量方式,那么会破坏前面的电池组。因此,对新能源汽车的前纵梁提出更高的要求,前纵梁必须具备一定的刚度,从而确保汽车在正碰过程中发生位移小,不会因为挤压影响到前组电池。所以,通过正面碰撞仿真软件分析非承载式全塑车身结构吸收能量的能力,这对车身结构设计的安全性和耐久性具有重要意义。

二、全塑车身轻量化结构设计

    全塑车身轻量化结构设计通过计算机辅助设计、计算机辅助功能、计算机辅助制造一体化技术将离散拓扑结构和汽车的结构尺寸进行优化设计,并利用有限元分析技术对汽车车身结构生产工艺和制造工艺进行分析,从而实现对汽车结构总体的优化布局。由于所选择的对象是高分子材料全塑车身,所以整个车子的设计不采用传统的拼接和焊接方式,而是使用旋塑成型工艺,这种工艺可以加工复杂曲面的塑料产品,满足汽车车身外观线条流畅和曲面圆滑的要求。图2为全塑车身整体一次成型结构。

 
图 2 全塑车身整体一次成型结构


    在满足汽车结构性能要求下,全塑车身轻量化设计还要尽可能实现汽车整体车身薄壁化、小型化、复合化、中空化,优化结构形状,从而达到整体车身轻量化的要求。

1.结构设计

    新能源汽车的主要目的为节能减排,所以减轻车身结构的重量从而降低燃料的消耗是设计的关键与重点。由于新能源汽车的电池组合和储氢罐等设备本身比较重,所以新能源汽车实现结构轻量化要比普通的汽车难度更高,同时还要满足结构本身的强度和汽车性能要求。新能源汽车的结构设计包括优化零件结构、零件断面以及钢板厚度性能的灵敏度。零件结构优化方式为通过降低钢板厚度或者在关键部位增加材料强度,从而达到增强结构强度和硬度的要求;优化零件断面是为了确保断面惯性矩和断面面积的平衡,通过优化让零件结构最小断面达到最大惯性矩,从而提高汽车车身结构刚度、减轻车身重量。钢板厚度性能灵敏度优化则是根据车身各个零件的钢材厚度建立数学模型,在确保车身结构刚度、模态、耐撞性等情况下,通过拓扑运算,分析这些零件钢材厚度的变量对汽车结构综合性能的影响,从而提高敏感零件的钢板厚度,降低其他部分不灵敏钢材的厚度,达到降低车身总质量的目的。

2.汽车车身材料的选择

    汽车车身材料直接影响到车身轻量化目标的最终实现,所以要合理选择车身材料。主要从两个方面进行考虑。第一,提高高强度钢板的比例,这样能提高车身碰撞性能和耐久性能。目前,国际上新能源汽车的车型屈服强度在550MPa以上的高强度钢板占整个车身材料的30%以上。车分碰撞路径如A柱、B柱等部位可以采用热成型工艺,进一步提高零件的屈服强度。第二,用轻质车身材料代替传统的钢材材料。比较常见的轻质材料有玻璃纤维复合材料、塑料、铝合金等,将这些材料应用在车身外覆盖件和部分非碰撞的骨架以及面板零件,但是这些轻质材料价格比较贵,目前主要应用在一些比较高端的汽车车身。

3.优化制造工艺

    传统的汽车车身制造一般使用冲压工艺,由于汽车车身结构的零件比较多,焊接比较复杂,操作不当就会影响到制造质量,所以逐渐被型钢件、铸造件以及轻质金属铝合金材料取代。这些材料不仅能实现车身的轻量化,而且确保了汽车的安全性和耐久性。

4.优化汽车空气动力学

    高速公路的快速发展,极大满足汽车快速行驶的要求,新能源汽车在设计的时候也要满足汽车动力要求。汽车在高速行驶过程中,空气阻力对汽车的行驶速度造成一定的影响,并增加汽车的耗能。因此,新能源汽车在设计过程中,必须减少空气对汽车行驶造成的影响。随着汽车空气动力学理论的发展和汽车制造业的进步,计算机模拟技术和风洞实测技术为汽车低风阻的设计研发提供了有力的支持。日本的丰田汽车在这方面进行了有效的探索。图3为丰田普锐斯汽车。

 
图 3 丰田普锐斯汽车


    丰田公司生产的普锐斯,该款汽车车身比普通的汽车车身光滑,车头设计比较简洁,整体的简洁化设计有利于减少空气阻力的影响。普锐斯车身A 柱、C柱车身角度和车头与车尾的角度保持一致,所以将三者有效融合为一个整体,整体改善空气气流的分布。通过优化空气动力学,丰田的普锐斯风阻系数降低到0.25,而普通汽车的风阻悉数为0.3~0.5,所以在行驶速度方面更具有优势。汽车外形的简洁化和一体化不仅能优化汽车空气动能,而且能让车子外观更加简洁流畅,将成为未来新能源汽车车身设计的发展方向。

三、结语

    新能源汽车是未来汽车发展方向,轻量化技术是汽车节能、减少污染的关键技术。通过轻量化技术优化汽车车身结构和布局,减低汽车的排放量和能源消耗,从而达到节能环保的要求。但是由于我国新能源汽车起步比较晚,相关技术还不是很完善,所以在车身结构设计和布局方面要积极学习西方国家设计经验,从而促进我国新能源汽车进一步发展。


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作者:郭琼琳  来源:现代制造技术与装备

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文章来源: 启飞汽车设计。

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