專欄·輕量化|車企實(shí)習(xí)見聞：如何實(shí)現(xiàn)新能源汽車的輕量化

2016-12-08 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

實(shí)習(xí)的作用在于驗(yàn)證自己的職業(yè)抉擇,了解目標(biāo)工作內(nèi)容,學(xué)習(xí)工作及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),找到自身職業(yè)的差距。對于即將步入研究生最后一年的我,實(shí)習(xí)的意義更為巨大。在學(xué)期末的那段時(shí)間里,我參加了幾種不同類型的企業(yè)的宣講,包括石油、材料、電氣以及咨詢,最終,我來到了XX公司,從事我最為看好的新能源汽車。對新能源汽車的認(rèn)識源于特斯拉的火爆,周邊媒體聚光燈下的報(bào)道使我意識到,電動(dòng)汽車的時(shí)代即將來臨。雖然無緣試乘特斯拉汽車,但是我卻體驗(yàn)過比亞迪的純電動(dòng)車E6,安靜的行駛,完全沒有振動(dòng)的怠速,再加上清新的車內(nèi)環(huán)境,毫無任何汽油味道,這讓極其討厭內(nèi)燃機(jī)和汽油的我對汽車有了全新的認(rèn)識。

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Start:新能源汽車的輕量化

本著先選行業(yè)再選公司的原則,我來到了該集團(tuán)的整車集成部。與帶教老師,也就是我們整車集成與試制科的高級經(jīng)理進(jìn)行一番溝通后,此階段我的任務(wù)是學(xué)習(xí)新能源汽車的輕量化。由于目前電池技術(shù)的限制,鋰電池的容量有限,燃料電池的最大輸出功率較低,新能源汽車的續(xù)航里程普遍和傳統(tǒng)汽車無法匹敵,并且新能源汽車雖然減少了發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油存儲(chǔ)模塊,卻增加了電動(dòng)機(jī)和電池模塊,整體重量不輕反重,這也給新能源汽車的應(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn)。研究表明,傳統(tǒng)汽車每減重100kg,百公里油耗可降低0.28L,CO2排放量減少6-8g/km,對于新能源汽車則更為明顯。鋰電池和燃料電池本身的重量難以大幅度降低,只能在傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)部分進(jìn)行優(yōu)化。

本著這一核心任務(wù),我們的課題從整體設(shè)計(jì)到關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì),遍布整個(gè)汽車。舉例而言,對現(xiàn)存車型XX的輕量化,首先做的就是結(jié)構(gòu)優(yōu)化。因?yàn)樵谲囆驮O(shè)計(jì)初期,存在一些過設(shè)計(jì)和過保護(hù),這些是可以通過設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的,并且,將新能源系統(tǒng)放置在傳統(tǒng)車型中,車身結(jié)構(gòu)同樣存在優(yōu)化的空間,因此通過改變設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)一定幅度的減重,目前,XX車型可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)減重100kg以上,而這部分減重,單車成本增加很低,甚至降低單車成本,具有極高的減重性價(jià)比。當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化無法達(dá)到減重目標(biāo)時(shí),這時(shí)就要考慮新材料和新技術(shù)的采用。通常而言,采用新材料和新技術(shù)往往意味著成本的增加,這里我們不僅要考慮減重的性價(jià)比,還要考慮新材料新工藝在量產(chǎn)化工程中可能會(huì)遇到的問題,這些都將影響減重方案,甚至整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。下面,我將按照當(dāng)前減重的流程介紹輕量化所關(guān)注的任務(wù)和我對這些工作的認(rèn)識。

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Step1:結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對汽車而言,輕量化最基本的方法就是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),目前,結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過全參數(shù)化的車身正向設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),將仿真分析引入前期概念設(shè)計(jì)階段,不僅可以實(shí)現(xiàn)輕量化的車身設(shè)計(jì),還能縮短分析和設(shè)計(jì)周期,降低成本。舉例而言,目前XX車身總重量高達(dá)1.8噸,而同級別的大眾帕薩特僅為1.5噸,在使用材料級別相近的前提下,如何減重近300kg,這一疑問困擾著我們。XX汽車的白車身重量超過300kg,然而根據(jù)FSV(Future Steel Vehicle)的設(shè)計(jì),僅采用高強(qiáng)鋼這一類材料,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),白車身重量就可降低到200kg,這是非常有誘惑力的。因而實(shí)現(xiàn)這一正向設(shè)計(jì)和優(yōu)化的過程,便是我們的研究重點(diǎn)之一。

在這里,我們使用多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化的優(yōu)化方法,聯(lián)合多種軟件處理這一問題:首先通過Catia / HyperMesh進(jìn)行參數(shù)化建模和網(wǎng)格劃分,然后通過Hyberworks / Optistruct進(jìn)行拓?fù)洹⒊叽绾托蚊矁?yōu)化,Nastran/Ansys進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、模態(tài)分析,nCode/Fatigue進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐久性分析,Adams/DOE進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì),Virtual Lab / VA one 進(jìn)行NVH分析,以及LS-Dana進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性和碰撞性能分析。此外,新材料的采用使我們不得不更加依賴模擬設(shè)計(jì),例如采用碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件,因?yàn)樘祭w維絲束的數(shù)量,織布編織方法,多層織布的疊加走向等都極大的影響了復(fù)合材料的性能,并且碳纖維復(fù)合材料是宏觀上的脆性材料,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路很難操作。

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Step2:新材料、新工藝

當(dāng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化無法完成輕量化目標(biāo)時(shí),關(guān)注的重點(diǎn)便轉(zhuǎn)向新材料和新工藝。值得一提的是,新材料和新工藝并不是孤立于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)之外的,當(dāng)我們采用了新的材料,為了更好的利用這些新材料,便開發(fā)一些新工藝;或者對傳統(tǒng)材料使用新工藝,以提高性能或降低成本,然而這些都是建立在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)之上的,二者相互融合,沒有結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),新材料和新工藝難以產(chǎn)生優(yōu)良的效果。目前,輕量化的核心就是使相應(yīng)的材料、最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸用在汽車結(jié)構(gòu)最合適的位置,使每部分材料都能發(fā)揮出最大的作用,提高材料的利用率,降低車體重量。

在此,我了解了高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金和碳纖維是如何應(yīng)用在汽車上。以高強(qiáng)鋼為例,在幾年前汽車用鋼還是以軟鋼為主,DP600已經(jīng)算是很高的級別,但現(xiàn)在汽車B柱使用的熱成型鋼材,整體強(qiáng)度超過1000MPa。鋁合金材料替代鋼制材料是另外一個(gè)趨勢,之前的鋼制副車架,鋼制擺臂也逐漸用鋁合金代替。目前,XX采用的鋁制前艙蓋便是一個(gè)量產(chǎn)化的例子,尚未量產(chǎn)的有鋁制的車門等等。

為了配合新材料的應(yīng)用,需要開發(fā)或引入新的連接工藝,例如異種金屬的連接通常采用螺栓連接或柳接,但同時(shí)存在的還有硬釬焊(鋼和鋁合金的連接,尚未量產(chǎn)化應(yīng)用),膠接點(diǎn)焊復(fù)合焊(鋁合金和鎂合金的連接,尚未量產(chǎn)化應(yīng)用)等,此外,在汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用的激光拼焊和不等厚軋制,都是很先進(jìn)的成型工藝。可以說,沒有新材料和新工藝,汽車的輕量化可以做的工作極其有限。在下面的表格中,我匯總了一些汽車代表部位使用的新材料或新工藝,這些材料和工藝在合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下,減重的效果非常明顯。

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鎂合金:輕質(zhì),易腐蝕

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對車身具體部件而言,輪轂的重要性不言而喻,由于輪轂工作在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài),輪轂的重量和汽車的滾動(dòng)阻力息息相關(guān),如果可以實(shí)現(xiàn)輪轂的輕量化,那節(jié)能效果遠(yuǎn)比車身明顯。

目前鋁合金輪轂已經(jīng)在乘用車中得到普及,但在自然界中鎂合金的密度僅為1.74g/cm3,相比鋁合金2.7g/cm3的密度,在同等強(qiáng)度設(shè)計(jì)下,重量可大為降低,據(jù)一位工程師介紹,他所設(shè)計(jì)的鎂合金輪轂相比鋁合金可以減重超過30%。研究表明同等級別的鋁合金輪轂汽車,如果換裝鎂合金輪轂,在120km/h的時(shí)速下,百公里油耗將下降0.5L,并且車速越高,節(jié)油效果越明顯,這是非常令人激動(dòng)的數(shù)據(jù)。

然而,在上天給鎂合金一副矯健的筋骨的同時(shí),也給了它一副易于衰老的皮膚。鎂合金相比鋁合金,最大的問題就是腐蝕,鎂合金在大氣中被腐蝕,形成的氧化膜非常疏松,腐蝕會(huì)透過氧化膜繼續(xù)加深,直至結(jié)構(gòu)性損壞,而輪轂恰恰是汽車所有部件中工作條件最為惡劣的,因此腐蝕問題限制了其推廣應(yīng)用。目前鎂合金在汽車中應(yīng)用最為廣泛的就是方向盤骨架。此次我們邀請到一位鎂合金腐蝕防護(hù)領(lǐng)域的國內(nèi)知名專家,介紹了他目前的解決方案,即通過微弧氧化電泳,在鎂合金表面形成了多孔但非常牢固的氧化鎂膜,然后用樹脂進(jìn)行滲透和涂覆,這樣便可以形成致密的保護(hù)層,據(jù)悉,他們的保護(hù)技術(shù)已經(jīng)通過了通用總部的驗(yàn)證,但處理價(jià)格高達(dá)400元/輪,而目前的鋁合金輪轂成品價(jià)格僅為300-1000元/輪。

碳纖維:輕質(zhì)高強(qiáng)成型性好,成本高

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碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量新型纖維材料,通常我們所說的碳纖維一般代指碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。即將碳纖維原絲以絲束為單位,編制成碳纖維布,然后浸入樹脂中,按照需要的形狀把多層碳纖維布疊加在一起成型。目前,還存在一種較新的成型技術(shù),即RTM樹脂傳遞注塑,把碳纖維放入模具中,然后注入樹脂,這種技術(shù)可以提高碳纖維復(fù)合材料的成型效率。我們在該領(lǐng)域工程師的指導(dǎo)下,分別設(shè)計(jì)了碳纖維前艙蓋,碳纖維翼子板,碳纖維后視鏡蓋,碳纖維行李箱蓋,碳纖維尾翼和儲(chǔ)氫瓶增強(qiáng)部件。由于工藝成型性能良好,碳纖維幾乎可以替代汽車任何外飾部件,并且碳纖維質(zhì)量非常輕,用碳纖維代替原有部件,可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)50%的減重效果,但不利的是成本會(huì)增加數(shù)倍。

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由于目前的工作重點(diǎn)是碳纖維外飾部件,因此對碳纖維的外觀提出了較高的要求,在我們定做碳纖維前艙蓋和翼子板的時(shí),就發(fā)生了一個(gè)意想不到的問題,由于二者的供應(yīng)商不是一家公司,雖然同樣是3k編織布,但是編織方法不同,分別是斜紋和橫紋,因此外觀上有明顯的區(qū)別。為了研究碳纖維部件量產(chǎn)的可行性(BMW公司的純電動(dòng)車i3采用全碳纖維車身,已經(jīng)量產(chǎn)化),我們還邀請了碳纖維供應(yīng)商東邦來做介紹,這為我接下來的工作重點(diǎn)碳纖維結(jié)構(gòu)化車身提供了條件。

工程塑料:汽車內(nèi)飾市場前景廣闊

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由于輕量化工作的系統(tǒng)性,汽車內(nèi)飾中最為重要的座椅也在輕量化的重點(diǎn)范圍之內(nèi)。原本我以為汽車座椅屬于輕量化較為容易實(shí)現(xiàn)的部件,然而事實(shí)并非如此。因?yàn)槠囎卧诎踩院凸δ苄苑矫娴囊蠛芨?很難在機(jī)械結(jié)構(gòu)上對座椅進(jìn)行優(yōu)化,所以,實(shí)現(xiàn)每個(gè)座椅減重5kg是一個(gè)十分宏大的目標(biāo)。目前的做法是盡量用鋁合金替代座椅中的鋼制骨架,這樣在保證強(qiáng)度的前提下可以減重30%,然后采用輕量化塑料靠背以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步輕量化。由于涉及到多方,汽車公司、塑料材料提供商,再加上座椅設(shè)計(jì)商,三商共同完成這一輕量化任務(wù),因此,三方直接的溝通必不可少。

Tips

作者:材料人輕量化學(xué)習(xí)小組趙冠興

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