專欄·輕量化|車企實習見聞：如何實現新能源汽車的輕量化
2016-12-08 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
實
習的作用在于驗證自己的職業抉擇,了解目標工作內容,學習工作及企業標準,找到自身職業的差距。對于即將步入研究生最后一年的我,實習的意義更為巨大。在學期末的那段時間里,我參加了幾種不同類型的企業的宣講,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。對新能源汽車的認識源于特斯拉的火爆,周邊媒體聚光燈下的報道使我意識到,電動汽車的時代即將來臨。雖然無緣試乘特斯拉汽車,但是我卻體驗過比亞迪的純電動車E6,安靜的行駛,完全沒有振動的怠速,再加上清新的車內環境,毫無任何汽油味道,這讓極其討厭內燃機和汽油的我對汽車有了全新的認識。
本著先選行業再選公司的原則,我來到了該集團的整車集成部。與帶教老師,也就是我們整車集成與試制科的高級經理進行一番溝通后,此階段我的任務是學習新能源汽車的輕量化。由于目前電池技術的限制,鋰電池的容量有限,燃料電池的最大輸出功率較低,新能源汽車的續航里程普遍和傳統汽車無法匹敵,并且新能源汽車雖然減少了發動機和汽油存儲模塊,卻增加了電動機和電池模塊,整體重量不輕反重,這也給新能源汽車的應用帶來了新的挑戰。研究表明,傳統汽車每減重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,只能在傳統汽車設計部分進行優化。本著這一核心任務,我們的課題從整體設計到關鍵零部件設計,遍布整個汽車。舉例而言,對現存車型XX的輕量化,首先做的就是結構優化。因為在車型設計初期,存在一些過設計和過保護,這些是可以通過設計進行優化的,并且,將新能源系統放置在傳統車型中,車身結構同樣存在優化的空間,因此通過改變設計即可實現一定幅度的減重,目前,XX車型可以通過優化設計減重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比。當進行結構優化無法達到減重目標時,這時就要考慮新材料和新技術的采用。通常而言,采用新材料和新技術往往意味著成本的增加,這里我們不僅要考慮減重的性價比,還要考慮新材料新工藝在量產化工程中可能會遇到的問題,這些都將影響減重方案,甚至整體設計結構。下面,我將按照當前減重的流程介紹輕量化所關注的任務和我對這些工作的認識。對汽車而言,輕量化最基本的方法就是結構優化設計,目前,結構優化通過全參數化的車身正向設計實現,將仿真分析引入前期概念設計階段,不僅可以實現輕量化的車身設計,還能縮短分析和設計周期,降低成本。舉例而言,目前XX車身總重量高達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FSV(Future Steel Vehicle)的設計,僅采用高強鋼這一類材料,通過結構優化設計,白車身重量就可降低到200kg,這是非常有誘惑力的。因而實現這一正向設計和優化的過程,便是我們的研究重點之一。在這里,我們使用多學科多目標優化的優化方法,聯合多種軟件處理這一問題:首先通過Catia / HyperMesh進行參數化建模和網格劃分,然后通過Hyberworks / Optistruct進行拓撲、尺寸和形貌優化,Nastran/Ansys進行結構強度、剛度、模態分析,nCode/Fatigue進行結構耐久性分析,Adams/DOE進行動力學分析和試驗優化設計,Virtual Lab / VA one 進行NVH分析,以及LS-Dana進行結構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計,例如采用碳纖維復合材料結構件,因為碳纖維絲束的數量,織布編織方法,多層織布的疊加走向等都極大的影響了復合材料的性能,并且碳纖維復合材料是宏觀上的脆性材料,傳統的設計思路很難操作。當結構優化無法完成輕量化目標時,關注的重點便轉向新材料和新工藝。值得一提的是,新材料和新工藝并不是孤立于結構優化設計之外的,當我們采用了新的材料,為了更好的利用這些新材料,便開發一些新工藝;或者對傳統材料使用新工藝,以提高性能或降低成本,然而這些都是建立在結構優化設計之上的,二者相互融合,沒有結構優化設計,新材料和新工藝難以產生優良的效果。目前,輕量化的核心就是使相應的材料、最優的結構形狀和尺寸用在汽車結構最合適的位置,使每部分材料都能發揮出最大的作用,提高材料的利用率,降低車體重量。在此,我了解了高強鋼、鋁合金、鎂合金和碳纖維是如何應用在汽車上。以高強鋼為例,在幾年前汽車用鋼還是以軟鋼為主,DP600已經算是很高的級別,但現在汽車B柱使用的熱成型鋼材,整體強度超過1000MPa。鋁合金材料替代鋼制材料是另外一個趨勢,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量產化的例子,尚未量產的有鋁制的車門等等。為了配合新材料的應用,需要開發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,但同時存在的還有硬釬焊(鋼和鋁合金的連接,尚未量產化應用),膠接點焊復合焊(鋁合金和鎂合金的連接,尚未量產化應用)等,此外,在汽車工業中廣泛應用的激光拼焊和不等厚軋制,都是很先進的成型工藝。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構設計下,減重的效果非常明顯。
對車身具體部件而言,輪轂的重要性不言而喻,由于輪轂工作在轉動狀態,輪轂的重量和汽車的滾動阻力息息相關,如果可以實現輪轂的輕量化,那節能效果遠比車身明顯。目前鋁合金輪轂已經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,在同等強度設計下,重量可大為降低,據一位工程師介紹,他所設計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的時速下,百公里油耗將下降0.5L,并且車速越高,節油效果越明顯,這是非常令人激動的數據。然而,在上天給鎂合金一副矯健的筋骨的同時,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,腐蝕會透過氧化膜繼續加深,直至結構性損壞,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用。目前鎂合金在汽車中應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領域的國內知名專家,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,然后用樹脂進行滲透和涂覆,這樣便可以形成致密的保護層,據悉,他們的保護技術已經通過了通用總部的驗證,但處理價格高達400元/輪,而目前的鋁合金輪轂成品價格僅為300-1000元/輪。碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、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復合材料。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,即RTM樹脂傳遞注塑,把碳纖維放入模具中,然后注入樹脂,這種技術可以提高碳纖維復合材料的成型效率。我們在該領域工程師的指導下,分別設計了碳纖維前艙蓋,碳纖維翼子板,碳纖維后視鏡蓋,碳纖維行李箱蓋,碳纖維尾翼和儲氫瓶增強部件。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,并且碳纖維質量非常輕,用碳纖維代替原有部件,可以實現高達50%的減重效果,但不利的是成本會增加數倍。由于目前的工作重點是碳纖維外飾部件,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,就發生了一個意想不到的問題,由于二者的供應商不是一家公司,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別。為了研究碳纖維部件量產的可行性(BMW公司的純電動車i3采用全碳纖維車身,已經量產化),我們還邀請了碳纖維供應商東邦來做介紹,這為我接下來的工作重點碳纖維結構化車身提供了條件。由于輕量化工作的系統性,汽車內飾中最為重要的座椅也在輕量化的重點范圍之內。原本我以為汽車座椅屬于輕量化較為容易實現的部件,然而事實并非如此。因為汽車座椅在安全性和功能性方面的要求很高,很難在機械結構上對座椅進行優化,所以,實現每個座椅減重5kg是一個十分宏大的目標。目前的做法是盡量用鋁合金替代座椅中的鋼制骨架,這樣在保證強度的前提下可以減重30%,然后采用輕量化塑料靠背以實現進一步輕量化。由于涉及到多方,汽車公司、塑料材料提供商,再加上座椅設計商,三商共同完成這一輕量化任務,因此,三方直接的溝通必不可少。
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