新能源汽車車身輕量化設計理念探究

鄧威

福田汽車股份有限公司，中國·北京 102200

近年來，隨著環境保護和可持續發展的迫切需求，新能源汽車已成為全球汽車產業的重要發展方向。與傳統燃油汽車相比，新能源汽車具有更低的碳排放、更高的能源效率和更少的對自然資源的依賴。然而，新能源汽車在推廣和應用過程中仍面臨一系列挑戰，首當其沖就是車身的重量問題。因此，論文主要針對“新能源汽車車身輕量化設計理念”進行探討，旨在為汽車制造業和相關研究領域提供有益參考，并推動新能源汽車技術發展，促進環境保護和可持續交通的實現。

新能源汽車；車身輕量化；設計

1 新能源汽車輕量化設計概述

1.1 車身輕量化的定義和重要性

車身輕量化是指通過采用輕量化材料、結構和工藝的技術手段，減少新能源汽車車身的重量，從而提高車輛能源利用效率、續航里程和整體性能的設計理念。輕量化設計旨在實現在保證車輛結構強度和安全性前提下，降低車身質量，從而減少能源消耗和碳排放。主要體現在：①能源效率提升：新能源汽車的核心目標是提高能源利用效率，降低能源消耗。通過車身輕量化設計，可以減少車輛質量，降低能源消耗。②環境保護：新能源汽車推廣和應用是應對氣候變化和減少碳排放的重要舉措。輕量化設計使新能源汽車具有更高的能源效率和低碳排放特性，顯著減少了對環境的不良影響。③安全性和穩定性改善：可以保證新能源汽車在碰撞和行駛過程中的安全性能。據調查，輕量化設計有助于提高車輛的操控穩定性、加速性能和制動效果，從而提升行車安全性，減少交通事故的發生。

1.2 新能源汽車輕量化的挑戰和機遇

新能源汽車輕量化設計在實踐過程中面臨著一系列挑戰。在新能源汽車輕量化設計中，傳統的焊接和螺栓連接技術已無法滿足輕量化材料的要求，因此需要開發新的連接技術，如激光焊接、自沖鉚接、攪拌摩擦焊、膠接、復合材料結合等。值得一提的是，成型工藝在新能源汽車制造中發揮著至關重要的作用，主要用于車身和零部件的成型，如一體化壓鑄成型等截面擠壓成型、液壓成型等成型工藝。此外，新能源汽車具有一些特殊的要求，如電池系統的安裝和散熱、電線布局等。因此在輕量化設計中，需要協同各項特殊要求，確保車身輕量化與其他功能的協調性和一體化。例如，需要設計適當的電池安裝結構，以保證安全性和穩定性，需要考量電池散熱需求。

輕量化材料、制造工藝、結構優化等領域的研究將推動相關技術的突破和發展。通過研發和應用新材料，可以提供更輕、更強的車身材料，從而減輕整車重量；先進的制造工藝可以實現更高效的車身組裝，從而提高制造效率和質量；而技術創新和研發則可以推動整個新能源汽車產業的創新和進步，進而促進產業的可持續發展。

2 新能源汽車輕量化設計理念

2.1 材料選擇和優化

2.1.1 高強度材料應用

高強度材料應用在新能源汽車輕量化設計中具有重要意義。首先，高強度鋼是一種常用的高強度材料，被廣泛應用于新能源汽車輕量化設計中。通過調整化學成分和熱處理工藝，可以使高強度鋼具有較高的屈服強度和抗拉強度。高強度鋼應用于車身框架、車身面板、底盤等關鍵部位，有效減輕了車身質量，對整車的性能和安全性有重要指導意義?？偠灾?，高強度材料的應用在新能源汽車輕量化設計中能夠實現車身質量顯著降低，從而提高整車的能源利用效率和行駛性能。同時，使用高強度材料可以滿足安全標準和碰撞要求。

2.1.2 鋁合金材料的應用

鋁合金是一種在新能源汽車輕量化設計中廣泛應用的輕質材料。與傳統鋼材相比，鋁合金具有較低的密度，因此在使用鋁合金材料時能夠有效減輕車身重量。只要通過合適的合金配方和熱處理工藝，鋁合金可以保持一定的強度和剛度，使得鋁合金成為新能源汽車輕量化設計中可靠的選擇。此外，鋁合金是一種可回收材料，符合環保和可持續發展要求。這使得鋁合金成為推動新能源汽車產業可持續發展的重要因素。在新能源汽車中，鋁合金通常應用于車身面板、車門、車頂、結構件等部位，這些部位對輕量化設計具有較高要求。

2.1.3 輕質非金屬材料的應用

聚合物材料是一類輕質非金屬材料，具有較低的密度和良好可塑性。在新能源汽車中，聚合物材料被廣泛應用于制造內飾件、座椅和儲物箱等部件。聚合物材料具有良好的可塑性，可以通過注塑成型等加工工藝制造出復雜形狀的部件。聚合物材料具有較好的耐磨性和耐腐蝕性，使得在日常使用和惡劣環境條件下能夠保持良好的性能。目前，聚合物材料在制造儲物箱、車門飾板等易受磨損和接觸腐蝕介質的部件上表現出優異的性能。

2.2 結構設計和優化

在新能源汽車輕量化設計中，集成化設計和拓撲仿真在結構優化方面發揮著重要作用。以下進行詳細說明：①集成化設計，集成化設計是一種綜合考慮多個系統和組件的設計方法。在新能源汽車輕量化設計中，集成化設計意味著將不同的系統和組件整合在一起，以確保各個子系統的協調工作，實現最佳的能源傳遞和空間利用效率。集成化設計應考慮以下幾方面：第一，系統級設計。系統級設計應考慮如何最優化結構設計，新能源汽車通常需要容納較大的電池系統和電動驅動系統，因此，需將電池系統、電機系統和車身結構等進行協調設計，最大限度地減少空間浪費，并確保整個車身結構的強度和穩定性不受影響。第二，跨學科合作。集成化設計需要不同領域的工程師和設計師之間的密切合作。通過共同研究解決跨系統、跨組件的問題，可以確保各個部分在輕量化設計中的協調性和一體化。②拓撲仿真。拓撲仿真是一種基于計算機模擬的設計方法，通過對結構的拓撲形狀進行優化，以實現輕量化設計和性能優化。在新能源汽車輕量化設計中，拓撲仿真可以幫助工程師在不影響結構剛度和強度的前提下，去除不必要的材料和重量，從而減輕車身質量。

2.3 制造工藝的優化

2.3.1 成型工藝

在新能源汽車輕量化設計中，制造工藝的優化對于實現車身輕量化目標至關重要。以下對成型工藝中一些常見的優化方法進行詳細說明：

①一體化壓鑄工藝。一體化壓鑄工藝通過將多個零部件或組件合并為一個整體進行壓鑄，實現了部件的一次性成型。

②一體化熱成型工藝。一體化熱成型工藝利用高溫條件下的熱成型技術，將多個零部件或組件一次性成型。通過加熱和塑性變形的過程，可以精確地控制材料的形狀和尺寸，實現復雜形狀的零部件的高質量成型。

③不等厚軋制。不等厚軋制工藝的關鍵在于對板材的厚度進行精確的控制和調整。在新能源汽車輕量化設計中，不同部位的結構承受不同的力和載荷，因此需要對材料的厚度進行優化分布，以充分利用材料的強度和剛度。

④液壓成型工藝。液壓成型工藝的關鍵在于利用液壓系統施加壓力，將材料壓制成所需的形狀。液壓成型具有高度定制化的特點，可以根據設計要求制造各種復雜形狀的車身部件。

2.3.2 復合材料連接工藝

復合材料連接工藝在新能源汽車輕量化設計中扮演著重要角色。SPR、FDS、攪拌摩擦焊、CMT 以及結構膠等工藝技術能夠實現不同材料的高強度連接，并在汽車制造中推動輕量化設計的發展。以下進行一一說明：

①SPR。SPR 是一種常用的復合材料連接工藝，適用于連接不同種類材料，如金屬與復合材料的連接。該工藝使用專門的自攻鉚釘和沖壓工具，通過在連接處形成沖壓孔和鉚接凸頭，將兩個材料固定在一起。SPR 工藝具有連接強度高、連接過程不需要預先鉆孔和添加其他輔助材料的優點，因此被廣泛應用于汽車制造中的輕量化設計中。

②FDS。FDS 是一種新興的復合材料連接工藝，適用于連接復雜形狀的復合材料構件。其原理是使用旋轉的凸輪工具在連接接頭上產生摩擦熱，使材料軟化，再通過凸輪形狀的設計實現連接接頭的插入和鎖定。FDS 工藝具有連接強度高、無需添加附加材料和成本低廉的優點。

③攪拌摩擦焊。攪拌摩擦焊是一種有效的復合材料連接工藝。通過在連接接頭上施加旋轉攪拌工具，產生高溫和高壓力，使材料摩擦加熱至軟化狀態，再通過攪拌作用實現材料的混合和連接。

④CMT。CMT 是一種冷金屬傳輸技術，適用于金屬與金屬的連接，也可用于連接金屬與復合材料。該工藝使用控制的電弧放電和鎢極自動給進系統，實現金屬材料的熔化和傳輸，并在連接接頭處形成牢固的連接。CMT 工藝具有高連接強度、低熱輸入等優點。

⑤結構膠的應用。結構膠能夠提供持久的連接，并在一定程度上實現材料之間的傳力和傳遞載荷。在新能源汽車輕量化設計中，結構膠可以減少應力集中和振動噪聲，從而提高車輛的安全性和舒適性。

2.3.3 三維打印技術的潛力

輕量化設計是新能源汽車工程的一個重要目標，而3D打印技術在實現輕量化方面具有顯著的優勢。一方面，通過3D 打印技術，可以根據設計需求定制輕量化的零部件和組件。3D 打印可以根據具體要求逐層構建部件，從而實現設計的個性化和定制化。設計師可以對零部件的內部結構和材料分布進行優化，以減少不必要的重量，同時保持足夠的強度和剛度。另一方面，3D 打印技術具備制造復雜幾何形狀的能力。3D 打印技術可以通過逐層堆疊材料的方式，制造出具有復雜幾何形狀的零部件。例如，可以制造出空腔結構、薄壁結構和內部結構優化的部件。

3 結語

新能源汽車車身輕量化設計是當前汽車行業的熱點和挑戰。通過采用先進材料和制造技術，結合優化設計和集成化思維，可以實現車身重量的顯著減輕，提高能源利用效率和行駛里程。為汽車行業邁向綠色、智能的方向提供新思路。