研究週報｜低速電動車車身輕量化的技術途徑
【特約研究員 柏俊波】低速電動車需要研究輕量化有兩大原因：一是在低速電動車的標準草案中，提出了“小尺寸”和“輕型化”的標準引導方向；二是減輕整車品質能夠更有效地提升電源利用效率，
低速電動車的輕量化目標，主要包括車身輕量化、電池輕量化、電驅傳動總成輕量化和零部件輕量化四個方面。如下圖所示。
本期週報將著重介紹實現車身輕量化目標的三大技術途徑，並對低速電動車的輕量化車身結構發展趨勢進行探討。
一、輕量化材料的應用
輕量化材料主要有高強度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料、複合材料等等。
(1)輕質合金材料：鋁、鎂、鈦合金材料是目前金屬材料中體積品質較小的輕質合金材料，將其應用于低速電動車車身能夠有效減輕車身品質，降低能耗並提升動力性能。鋁合金車身具有品質輕、耐腐蝕性好、耐磨性好、比強度高及可回收等優點，相比于傳統的鋼板車身，輕質鋁合金車身可以顯著減輕車身品質30%~40%。
典型如北汽的ARCFOX-1，車身使用籠式設計的鋁合金框架，單車用鋁量超過160kg，
鎂的體積品質是鋁的2/3，鐵的1/4，在實用構造金屬材料中最輕。鎂合金車身品質輕、比強度高、比剛度高、抗衝擊性好及阻尼減振性好，可以極大降低車身的品質。鎂制車身板件與傳統鋼材製品相比最多可減重75%。
鈦合金同樣是一種綜合性能十分優異的輕質合金材料，具有體積品質小、比強度和比斷裂韌性高、疲勞強度和抗裂紋擴展能力好、低溫韌性良好、抗腐蝕性能優異、抗阻尼性能強、耐熱性能好及吸氣性能好等優點。目前制約其發展的主要因素也是價格高昂。
(2)高強度鋼：高強度鋼是指屈服強度介於210~550 MPa的鋼材，而屈服強度超過550 MPa的鋼材則稱為超高強度鋼。
目前高強度鋼主要應用在汽車安全件、底盤及車身等方面，特別是車身座艙的A、B柱，門檻，車頂邊梁以及底盤中央通道等關鍵部位上，可以大幅度提高車輛保護車內人員安全的能力。
與普通鋼相比，高強度鋼能夠大幅增加構件的變形抗力，提高能量吸收能力和擴大彈性應變區。在同等強度等級下，高強度鋼可以通過減薄零件來達到減輕車身品質的目的。比如，北汽新推出的EC180，據說其車身採用了54%的高強度鋼。
(3)複合材料：複合材料是指由2種或2種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，提高材料的綜合性能。
複合材料具有體積品質小、比強度和比模量大、耐磨耐蝕性好及加工成型方便等優點，正逐步取代金屬材料，在汽車工業中發揮著越來越重要的作用。目前複合材料在車身中的應用主要有玻璃纖維增強塑膠(GFRP)和碳纖維增強塑膠(CFRP)。
CFRP作為車身材料，具有品質輕和強度大的特點。與鋼材相比，CFRP的體積品質只有鋼材的20%〜30%,而硬度卻是鋼材的10倍以上，這使得CFRP車身比鋼質車身減輕50%以上，比鋁質車身減輕約30%。除此之外，CFRP還具有良好的抗疲勞性、碰撞吸能性及製造工藝性，這些優點都適應輕量化車身材料的需求。
比如，寶馬i3就採用了碳纖維增強複合材料(CFRP)車身，主要以聚丙烯腈的熱塑性紡織纖維為原材料，在一定的壓力和溫度下，轉化成極其細長的碳纖維絲線，最後再經過相應的氧化和碳化處理，形成車身材料。
(4)工程塑料：目前已經使用工程塑料製造的有車身、車身翼子板、車身前後保險杠、車門內板、擋泥板等，與相同結構性能的金屬材料相比實現減重40%，且其耐腐蝕性良好，吸能性能好，可以有效緩衝吸收低速狀況下的輕微碰撞而無需維修或者更換部件，設計與製造工藝上比金屬材料在造型上的自由程度更大，從製造性、成本、安全性方面考慮，它都是輕量化設計理想的材料。
比如，大家很熟悉的smart車型就大量使用了工程塑料，如下圖所示。
二、輕量化結構設計
輕量化設計方法貫穿了汽車從概念設計、初始車身結構設計到產品工程設計、樣車試製過程等幾乎整個設計過程。
(1)車身結構優化設計
車身結構的輕量化優化設計主要從兩個方面著手：一是研究開發新的設計方法，從設計概念與理論上著手進行創新，以開發出先進的材料技術或者車身造型和製造技術；二是設計車身輕量化結構形狀，以按實際工況為先導來對車身結構的形狀進行優化設計，優化車身的空間結構，優化車內的空間佈置，減少車身的零部件數量，同時對各個零部件進行輕量化優化，減小汽車零部件的結構尺寸和厚度。
(2)優化設計
優化設計是將數學中的最優化理論與工程設計相結合，將實際設計問題轉化為最優化問題，根據設計物件不同，結構優化設計按設計變數的類型可以分為結構尺寸優化、形狀優化、形貌優化和拓撲優化4個層次。拓撲優化設計具備以下作用：
a. 避免零件設計的盲目性，改善模仿其他產品設計所帶來的缺陷；
b. 提髙材料的利用率，減薄零部件的厚度，改善零部件的結構設計，減少材料的浪費，減輕零部件的品質；
c. 得到最優的模態、靜動態力學性能，提升零部件的品質；
d. 減少或者簡化了車身上不必要的複雜結構使其製造上得以簡化。
三、輕量化製造工藝
輕量化製造工藝主要指輕量化車身材料製造和連接的新工藝。車身材料製造方面包括複合材料的片狀模壓成型(SMC)、樹脂轉移成型(RTM)等成型工藝及金屬合金材料的液壓成型、內高壓成型、熱成型及鋁合金半固態成型等新型成型工藝。
例如液壓成形就是一種柔性的成形技術，它是把流體介質作為衝壓時的傳力介質，取代了剛性衝壓中的凸模與凹模，流體介質以髙壓形式沖入需要成形的管件或板料的模具中，使管件或板料在模具內由液體壓力變形成模具的造型，最終成為所需的汽車零部件形狀。比如新奧迪A8的拱形車頂、車身框架、車身的覆蓋件、車門等均採用液壓成形技術加工製造，其車身實現了高度輕量化。
另外，鐳射拼焊技術可以在提升車身各種力學性能的同時，減少車身的材料消耗，減少零件數量，特別是一些加強支撐類的零件。
四、輕量化車身的發展趨勢
依據車身應用的材料構成，可以分類為鋼車身、以鋼為主的多種材料混合車身、鋁車身及複合材料車身。如何選擇材料與相關的製造技術，取決於車輛的技術目標及成本結構。
鋼車身：通過應用更多的高強度鋼及先進製造技術減重，與軟鋼相比高強度鋼一般減重10%到25%。
多種材料混合車身：車身材料以鋼為主，其次是鋁合金、複合材料及鎂合金。多種材料混合車身充分挖掘了各種材料的潛力，如用鋁保險杠梁改善低速碰撞性能，尾門外板用熱固性複合材料SMC或者工程塑料等。
鋁車身：鋁車身包含全鋁車身及以鋁為主的車身。如果對零件簡單地以鋁代鋼，減重可達40%-50%，比使用高強度鋼代替普通軟鋼減重更多。但由於鋁材價格高，鋁車身一般用於高級轎車。對於低速電動車來說，可以考慮採用鋁合金來製作模組化的底盤車架結構，如下圖所示。
複合材料車身：以複合材料為主的車身。複合材料也是輕質材料，減重效果明顯。
從輕量化車身材料上看，鎂合金、鈦合金及碳纖維複合材料的工藝要求和製造成本都非常高，尚有許多關鍵技術沒有突破，目前還不太適合低速電動車輕量化車身製造。
在相當長的時間裡，鋼作為車身主體材料的地位會繼續保持；多種材料混合車身則是發展趨勢，鋼的用量會逐漸減少；高價格車及小眾車型的車身更多應用鋁、複合材料等材料也是發展趨勢。
編者按：為凝聚新能源汽車行業的研究力量，發揮協作效應，第一電動網建立特約研究員機制，邀請行業知名專家、大牛作者作為特約研究員，集中多方智慧，深入探索新能源汽車政策、資本、技術、市場等領域，並定期推出【研究週報】，解析行業熱點問題。
作者：冰封之城
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在同等強度等級下，高強度鋼可以通過減薄零件來達到減輕車身品質的目的。比如，北汽新推出的EC180，據說其車身採用了54%的高強度鋼。(3)複合材料：複合材料是指由2種或2種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，提高材料的綜合性能。
複合材料具有體積品質小、比強度和比模量大、耐磨耐蝕性好及加工成型方便等優點，正逐步取代金屬材料，在汽車工業中發揮著越來越重要的作用。目前複合材料在車身中的應用主要有玻璃纖維增強塑膠(GFRP)和碳纖維增強塑膠(CFRP)。
CFRP作為車身材料，具有品質輕和強度大的特點。與鋼材相比，CFRP的體積品質只有鋼材的20%〜30%,而硬度卻是鋼材的10倍以上，這使得CFRP車身比鋼質車身減輕50%以上，比鋁質車身減輕約30%。除此之外，CFRP還具有良好的抗疲勞性、碰撞吸能性及製造工藝性，這些優點都適應輕量化車身材料的需求。
比如，寶馬i3就採用了碳纖維增強複合材料(CFRP)車身，主要以聚丙烯腈的熱塑性紡織纖維為原材料，在一定的壓力和溫度下，轉化成極其細長的碳纖維絲線，最後再經過相應的氧化和碳化處理，形成車身材料。
(4)工程塑料：目前已經使用工程塑料製造的有車身、車身翼子板、車身前後保險杠、車門內板、擋泥板等，與相同結構性能的金屬材料相比實現減重40%，且其耐腐蝕性良好，吸能性能好，可以有效緩衝吸收低速狀況下的輕微碰撞而無需維修或者更換部件，設計與製造工藝上比金屬材料在造型上的自由程度更大，從製造性、成本、安全性方面考慮，它都是輕量化設計理想的材料。
比如，大家很熟悉的smart車型就大量使用了工程塑料，如下圖所示。
二、輕量化結構設計
輕量化設計方法貫穿了汽車從概念設計、初始車身結構設計到產品工程設計、樣車試製過程等幾乎整個設計過程。
(1)車身結構優化設計
車身結構的輕量化優化設計主要從兩個方面著手：一是研究開發新的設計方法，從設計概念與理論上著手進行創新，以開發出先進的材料技術或者車身造型和製造技術；二是設計車身輕量化結構形狀，以按實際工況為先導來對車身結構的形狀進行優化設計，優化車身的空間結構，優化車內的空間佈置，減少車身的零部件數量，同時對各個零部件進行輕量化優化，減小汽車零部件的結構尺寸和厚度。
(2)優化設計
優化設計是將數學中的最優化理論與工程設計相結合，將實際設計問題轉化為最優化問題，根據設計物件不同，結構優化設計按設計變數的類型可以分為結構尺寸優化、形狀優化、形貌優化和拓撲優化4個層次。拓撲優化設計具備以下作用：
a. 避免零件設計的盲目性，改善模仿其他產品設計所帶來的缺陷；
b. 提髙材料的利用率，減薄零部件的厚度，改善零部件的結構設計，減少材料的浪費，減輕零部件的品質；
c. 得到最優的模態、靜動態力學性能，提升零部件的品質；
d. 減少或者簡化了車身上不必要的複雜結構使其製造上得以簡化。
三、輕量化製造工藝
輕量化製造工藝主要指輕量化車身材料製造和連接的新工藝。車身材料製造方面包括複合材料的片狀模壓成型(SMC)、樹脂轉移成型(RTM)等成型工藝及金屬合金材料的液壓成型、內高壓成型、熱成型及鋁合金半固態成型等新型成型工藝。
例如液壓成形就是一種柔性的成形技術，它是把流體介質作為衝壓時的傳力介質，取代了剛性衝壓中的凸模與凹模，流體介質以髙壓形式沖入需要成形的管件或板料的模具中，使管件或板料在模具內由液體壓力變形成模具的造型，最終成為所需的汽車零部件形狀。比如新奧迪A8的拱形車頂、車身框架、車身的覆蓋件、車門等均採用液壓成形技術加工製造，其車身實現了高度輕量化。
另外，鐳射拼焊技術可以在提升車身各種力學性能的同時，減少車身的材料消耗，減少零件數量，特別是一些加強支撐類的零件。
四、輕量化車身的發展趨勢
依據車身應用的材料構成，可以分類為鋼車身、以鋼為主的多種材料混合車身、鋁車身及複合材料車身。如何選擇材料與相關的製造技術，取決於車輛的技術目標及成本結構。
鋼車身：通過應用更多的高強度鋼及先進製造技術減重，與軟鋼相比高強度鋼一般減重10%到25%。
多種材料混合車身：車身材料以鋼為主，其次是鋁合金、複合材料及鎂合金。多種材料混合車身充分挖掘了各種材料的潛力，如用鋁保險杠梁改善低速碰撞性能，尾門外板用熱固性複合材料SMC或者工程塑料等。
鋁車身：鋁車身包含全鋁車身及以鋁為主的車身。如果對零件簡單地以鋁代鋼，減重可達40%-50%，比使用高強度鋼代替普通軟鋼減重更多。但由於鋁材價格高，鋁車身一般用於高級轎車。對於低速電動車來說，可以考慮採用鋁合金來製作模組化的底盤車架結構，如下圖所示。
複合材料車身：以複合材料為主的車身。複合材料也是輕質材料，減重效果明顯。
從輕量化車身材料上看，鎂合金、鈦合金及碳纖維複合材料的工藝要求和製造成本都非常高，尚有許多關鍵技術沒有突破，目前還不太適合低速電動車輕量化車身製造。
在相當長的時間裡，鋼作為車身主體材料的地位會繼續保持；多種材料混合車身則是發展趨勢，鋼的用量會逐漸減少；高價格車及小眾車型的車身更多應用鋁、複合材料等材料也是發展趨勢。
編者按：為凝聚新能源汽車行業的研究力量，發揮協作效應，第一電動網建立特約研究員機制，邀請行業知名專家、大牛作者作為特約研究員，集中多方智慧，深入探索新能源汽車政策、資本、技術、市場等領域，並定期推出【研究週報】，解析行業熱點問題。
作者：冰封之城
本文由第一電動網大牛說作者撰寫，他們為本文的真實性和中立性負責，觀點僅代表個人，不代表第一電動網。本文版權為第一電動網（www.d1ev.com）所有，歡迎轉載但請務必注明來源和作者。
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