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新能源汽车车身轻质材料应用

发布时间:2016-10-17

【作者 】孙飞豹(1959—)男 、副教授、 高级工程师 研究方向 ;车辆工程。

【摘要】该文基于我国十二五发展新能源汽车科技发展规划、对目前纯电动汽车车身轻量化设计进行了论述、主要针对对国内纯电动汽车应用新材料,新工艺问题进行了对比分析。

【关键词】车身轻量化;镁合金;复合材料

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1汽车车身轻量化应用新材料

1.1 铝合金与普通低碳钢钢板相比,铝合金具有密度小(2.7g/cm3)、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形等优点,而且由于所有的铝合金都可以回收再生利用,深受环保人士的欢迎。

在工艺方面,根据车身结构设计的需要,可以采用激光束压合成型,将不同厚度的铝板或者用铝板与钢板复合成型,再在表面涂覆防腐蚀材料使其结构轻量化且具有良好的耐腐蚀性。

铝合金已成为仅次于钢材的汽车用金属材料,能够为汽车提供各种铝合金铸件、冲压结构件和拉制的铝型材。铝合金主要用于制造发动机体、活塞、进气支管、气缸盖、变速器壳体、矫车的骨架、车身、座椅支架、车轮等部件。

轻质的铝合金车身使车体质量大大减轻,与相同体积的钢铁相比,质量可减轻30%-40%,这意味着更低的油耗和更佳的动力性能。此外,框架结构还可以提高车体的安全性,保护车内设施。我国铝资源丰厚,作为国家战略,应该全力研发并推广轻质铝合金在电动汽车车身及底盘上的应用,降低对铁矿石资源的依赖。

1.2 镁合金

镁的密度为1.8g/cm3,仅为钢材密度的35%,铝材密度的66%。此外它的比强度、比刚度高,阻尼性、导热性好,电磁屏蔽能力强,尺寸稳定好,因此在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。镁的储藏量十分丰富,镁可从石棉、白云石、滑石中提取,特别是海水的盐分中含 3.7%的镁。近年来镁合金在世界范围内的增长率高达20%。

铸造镁合金的车门由成型铝材制成的门框和耐碰撞的镁合金骨架、内板组成。另一种镁合金制成的车门,它由内外车门板和中间蜂窝状加强筋构成,每扇门的净质量比传统的钢制车门轻10kg,且刚度极高。随着压铸技术的进步,已可以制造出形状复杂的薄壁镁合金车身零件,如前、后挡板、仪表盘、方向盘等。

1.3 高强度纤维复合材料

复合材料是一种多相材料,是由有机高分子、无机非金属和金属等原材料复合而成。目前玻璃纤维增强树脂复合材料和碳纤维增强树脂复合材料在汽车上已经获得成功的应用。

玻璃纤维增强树脂复合材料耐腐蚀、绝缘性好,特别是有良好的可塑性,对模具要求较低,对制造车身大型覆盖件的模具加工工艺较简易,生产周期短,成本较低。在矫车和客车上,采用玻璃纤维增强树脂复合材料制造的矫车车身覆盖件、客车前后围覆盖件和货车驾驶室等零部件。

高强度纤维复合材料,特别是碳纤维复合材料(CFRP),因其质量小,而且具有高强度、高刚性,有良好的耐蠕变与耐腐蚀性,因而是很有前途的汽车用轻量化材料。碳纤维车身比钢质车身可减轻50% 的质量,比铝车身轻约30%。碳纤维作为汽车材料,质量轻、强度大,质量仅相当于钢材的20%-30%,硬度却是钢材的10 倍以上。汽车制造采用碳纤维材料可以使汽车的轻量化取得突破性进展,实现整车减重效果可以达到50% 以上。

电动汽车的整车轻量化关键技术工艺

电动汽车车身轻量化的技术工艺重点应该放在新材料的应用及其结构设计、模具设计和相应的工艺制造技术。其中轻量化新材料的成型和焊接工艺尤为突出。

(1)片状膜成型(SMC)、树脂转移成型(RTM)、挤压、注射、液态或半固态等新型成型工艺取代传统冲压工艺。这种工艺特点是产品的一致性好、效率高,但需要非常昂贵的设备与模具投入,整车产品投资在1 亿元人民币左右。在一定程度上制约了新能源汽车产业的发展。

(2)粘接、铆接工艺取代传统焊接工艺,它将汽车不同的冲压件按要求精确定位在专用的的工装夹具上,采用大功率的机器人焊接线拼焊成形,其一次性的设备、工装投入仅次于涂装工艺,在工厂面积、作业环境、操作安全方面都有规范要求。这种工艺特点是工艺复杂、投入大。电动汽车在采用轻量化材料和工艺后,必将带来汽车车身设计制造的革命。

尾声

综上所述,目前纯电动汽车汽车车身质量的高起点和相对黑色金属的高成本售价、在国家补贴政策的扶持下、已逐步被市场接受。如果采用上述轻质材料必将推动新能源汽车的发展,也将推动电动汽车的推广和应用。

在整车车身设计上立足以现有金属材料为主,辅以轻质复合材料过度。开发推广应用先进的设计软件,在关键结构等部位,部分采用轻质复合材料、已达到轻量化设计的目的。

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