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新能源汽车底盘轻量化设计方向

作者:未知

  目前,轻量化技术在汽车行业正在慢慢崛起,随着市场竞争加剧、环境保护以及能源危机等因素越来越重要,汽车行业对于轻量化的需求会越来越明显,可以说,汽车行业的发展为轻量化技术的进步提供了平台,而轻量化的进步又促进了汽车行业的腾飞。我国轻量化技术的基础及发展比国外还有一段不小的差距,我们要坚持轻量化之路并坚定不移的走下去。
  1 新能源汽车底盘的改制设计
  1.1 设计方向
  新能源汽车底盘的改制设计要在原有汽车设计平台的基础上进行。因此,新能源汽车底盘的改制设计最大限度地沿用了传统汽车底盘设计的成熟技术。具体而言,新能源汽车底盘改制设计的基本框架与传统汽车底盘设计一致,只对转向系统、传动系统、制动系统和悬架系统进行了一定的调整和改动,其基本工作原理不需要改变。新能源汽车底盘的改制设计沿用了以往底盘平台设计的构架,即底盘子系统的工作原理、副车架的结构保持不变,需要调整和改动的部分为增加电动真空泵及其管路零部件。由于无法沿用传统汽车底盘的动力转向系统,所以,相关设计者需要开发新的转向动力源。
  1.2 设计特点和应用
  新能源汽车底盘改制设计的特点为:尽可能地沿用传统汽车底盘的设计平台,并根据实际需求改动设计平台。沿用和改动的过程要以降低开发成本、难度等为标准。传统汽车底盘设计平台分为承载式车身设计平台和非承载式车身设计平台,这就意味着新能源汽车底盘设计在总布置方面需要具有一定的针对性。传统汽车的承载式车身是目前绝大数汽车所采用的构架设计,因此,新能源汽车底盘的改制设计也应沿用这一构架,其动力总成等配置部件需要在此类车身上寻找悬置点,而其底盘的副车架设计则不需要考虑承重问题。由于承载式车身空间规则的设计难度较大,导致悬置设计的内容较为复杂,且不利于大批量生产。但考虑到承载式车身设计平台具有开发成本低、周期短的特点,可将其应用于小型车的设计。
  2 新能源汽车底盘轻量化设计概述
  随着当前环境问题日益严峻,雾霾、全球变暖等问题日益突出,环境保护问题再一次被拿到聚光灯下。随着汽车数量不断增多,汽车行业与环境保护之间矛盾不断加剧,此问题如不加以控制,终将成为汽车行业实现可持续发展的最大掣肘。那么如何降低车辆油耗,促进节能减排成为降低环境污染的重要途径之一,也是促进汽车行业发展的有力手段。
  汽车油耗的决定因素主要分以下几个部分:汽车总质量、发动机排量、变速箱、轮胎以及驾驶习惯等。研究表明,汽车整车重量每降低10%,燃油效率可提高6%~8%;汽车每减重100kg,百公里油耗会降低0.3~0.6L,CO2排放量也会减少5 g/km;燃油消耗每减少1L,CO2排放量也会减少2.45kg[1]。因此,在保证汽车性能的前提下,降低汽车自重成为降低汽车油耗的有效手段之一。另外,轻量化不仅有利于降低油耗,还有利于提高加速性能、降低噪聲以及改善振动;由于质量降低,当发生碰撞时,车辆自身的惯性也会相应减小,能够有效减短制动距离,提升安全性能,因此汽车轻量化正逐步成为行业发展的一个趋势。
  3 轻量化现状及发展
  目前,受到轻量化需求的影响,轻量化材料在国内也在经历一次次破茧成蝶般的蜕变,车用高性能钢板、铝合金等已在汽车行业受到广泛应用。如汽车变速器壳体目前多采用锻造铝合金,锻铝摆臂、控制臂乃至转向节等也屡见不鲜。我们有幸见证国内轻量化技术的一次次腾飞,但不可否认的是,在技术、材料等关键环节,我们与欧美国家还存在很多难以跨越的鸿沟:
  ①任何一个研究机构想要独立去开展项目并做出卓越成果都是非常困难的,轻量化技术涉及到多个学科的研究领域,需要各相关领域能够相互交叉、融合,只有能够实现各方面的互补,才能发挥出1+1>2的效果,然而现实与理想往往是存在差异的,在目前的研发体系下,各研发机构往往是独自作战,大家只关注单个技术的研发,很少去开展各技术间的交叉与融合,导致不能发挥出相互推动的作用。
  ②群龙无首则难成气候,汽车轻量化技术涉及到众多的共性技术和前沿技术,其核心技术的突破不可能由单个企业或科研机构独立完成,必须要由国家级的研究机构对其关键、重大问题进行战略性和前瞻性的部署,而目前我国还没有此类机构的建立,轻量化发展之路尚需不断开拓。
  ③只有把生产、学习、研究紧密结合起来,做到明确定位、合理分工,才能将轻量化技术做大做强。但我国目前基础研究和技术开发研究不能做到有机结合,国内企业规模小而分散,造成轻量化技术开发能力薄弱,研发人才短缺,工艺水平落后。
  4轻量化技术及应用
  轻量化不是指单纯降低汽车重量,更不能为了所谓的轻量化而置安全于不顾,任何以牺牲安全性能为代价做到的轻量化都是失败的,也是必须要杜绝的。轻量化应该是在确保汽车综合性能指标的前提下,采用现代设计方法和有效手段对汽车结构进行优化设计,或使用新材料、新工艺,尽可能减轻汽车产品自重,以达成减重、节能减排、提升安全性能的综合指标。因此,轻量化应该是新结构、新材料、新工艺在满足性能要求的前提下的有机结合。
  4.1 新结构
  随着计算机技术在设计研发领域的广泛应用,结构分析不再局限于简单结构的计算与校核,CAE/SE等计算机辅助分析手段越来越成熟,为我们的结构开发与改进提供了有力的数据支撑,使我们的改进不再是雾里看花,而是有据可依的,不再是仅凭借经验对结构进行改进,我们的改进工作能够更加有效地切中目标,做到我们理想的效果。我们在设计过程中,能通过分析软件,直观了解结构强度不足位置,进行重点改进、加强。
  4.2 新材料
  目前,使用轻质材料是实现轻量化目标的最主要途径之一。使用材料替代实现轻量化主要分为两种情况,一种是使用密度较低的材料,比如铝合金、镁合金、钛合金、塑料或多种复合材料等;另一种是使用高强度材料,从而减少材料用量,降低重量,比如使用高强度钢材等。以铝合金为例,铁的密度为7.85g/cm3,而铝的密度仅为2.7g/cm3,约为铁密度的1/3,经优化对比,其减重效果可达到40%-50%。某车型摆臂焊接总成重量约为4.42kg,采用锻铝结构后摆臂重量约为2.02kg,单台用量为2,单台减重约为4.8kg;某车型前转向节,原重量约为5.0kg,采用铸铝结构后重量约为3.1kg,减重约1.9kg,单台减重约为3.8kg。以上两例铝材质应用均起到明显的减重效果。
  4.3 新工艺
  在进行产品设计开发时,我们应在保证产品结构及性能要求的前提下,尽量使用新的技术或工艺使结构及零部件中空、复合,以降低产品重量,实现轻量化目标。目前应用最广泛的成型技术主要有激光拼焊、内高压成形技术、热压成形、液压成形、粉末冶金、发泡铝成形等技术[2]。对于特定的某一车型,在性能相同的情况下,对通过这两种方式分别生产的副车架从零件总成数量、模具费用、零件成本和零件重量等方面进行了对比,发现采用管材液压成形方式生产的副车架的零件数量为2个,小于冲压件总成的8个零件;在生产费用方面,采用管材液压成形方式生产的副车架要比冲压件减少60%,零件成本减少20%,而零件重量减少30%[3]。由此可以看出,新工艺的应用能够在保证产品性能的情况下起到轻量化的作用。
  5结束语
  随着环境问题日益突出及汽车行业发展越来越迅速,轻量化问题已越来越被世人所关注,本文阐述了当前国内轻量化发展现状及瓶颈问题,结构、材料以及工艺是当前实现轻量化的主要方式。我们会向先进国家及企业进行学习,坚持不懈,不断去超越自我,为民族汽车工业发展贡献一份力量。
  参考文献:
  [1]朱赤.新能源汽车底盘设计方向[J].上海汽车,2009(07).
  [2]李克强.汽车技术的发展动向及我国的对策[J].汽车工程,2009(11).
  [3]胡伟,喻川,张建武,等.新能源汽车底盘纵臂的轻量化设计[J].机械设计与研究,2010(03).
  (作者单位:精诚工科汽车系统有限公司底盘研究院)
论文来源:《科学导报·科学工程与电力》 2019年3期
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