減重瘦身,不僅僅愛美之人需要,汽車也需要。在“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新能源汽車”重點(diǎn)專項(xiàng)中,輕量化純電動(dòng)轎車集成開發(fā)已作為一項(xiàng)重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。
近日,記者從重慶長安汽車獲悉,該公司聯(lián)合中國汽車工程研究院股份有限公司、中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司、中國科學(xué)院寧波材料所等國內(nèi)13家科研院所、供應(yīng)商聯(lián)合開發(fā),從材料、分析、設(shè)計(jì)、制造、整車集成到試驗(yàn)驗(yàn)證等6個(gè)方面進(jìn)行攻關(guān),突破了多項(xiàng)技術(shù)瓶頸,開發(fā)出了一款具有國際一流技術(shù)水平的碳纖維車身純電動(dòng)轎車,為新能源汽車能跑得更遠(yuǎn)更快減去“體重”之憂。
迫在眉睫 電動(dòng)車減重瘦身勢在必行
汽車的輕量化,就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下,盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量,從而提高汽車的動(dòng)力性。實(shí)驗(yàn)證明,汽車質(zhì)量降低一半,燃料消耗也會(huì)降低將近一半。由于環(huán)保和節(jié)能的需要,汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。
“相比燃油車,新能源汽車對于減重的需求更為迫切?!遍L安汽車首席專家、輕量化純電動(dòng)轎車項(xiàng)目總監(jiān)趙會(huì)表示,相比燃油車,新能源汽車往往重10%,其動(dòng)力電池占到了整車重量的三分之一到二分之一,在鋰動(dòng)力電池能量密度和安全性的矛盾沒有解決之前,減重是提高續(xù)航里程的有力保證之一。有研究表明,純電動(dòng)汽車重量每降低10千克,續(xù)航里程可增加2.5千米。
對于新能源車來說,減重主要從三個(gè)方面進(jìn)行:材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化和制造工藝輕量化。
對此,輕量化純電動(dòng)轎車集成開發(fā)項(xiàng)目旨在通過“產(chǎn)學(xué)研用”重點(diǎn)突破碳纖維車身載荷分布與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、車用低成本碳纖維、碳纖維車身和鋁合金車架一體化集成設(shè)計(jì)等技術(shù)瓶頸,實(shí)現(xiàn)多種輕質(zhì)材料及先進(jìn)工藝的集成應(yīng)用,掌握碳纖維車身純電動(dòng)轎車試驗(yàn)驗(yàn)證和評(píng)價(jià)等核心技術(shù),開發(fā)一款具有國際一流技術(shù)水平的碳纖維車身純電動(dòng)轎車。
“我們的目標(biāo)是達(dá)到國際一流水平,通過攻關(guān)能夠讓車身減重30%以上,同時(shí)保證車輛的安全性能達(dá)到五星標(biāo)準(zhǔn)?!壁w會(huì)表示,當(dāng)前在“電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化”科技革命的促進(jìn)下,汽車工業(yè)正在發(fā)生重大變革,為行業(yè)發(fā)展帶來前所未有的挑戰(zhàn),也帶來了千載難逢的發(fā)展機(jī)遇,正是中國品牌汽車對國外品牌彎道超車的好時(shí)候,如果能夠攻克輕量化這一共性技術(shù)難點(diǎn),那么將對中國品牌汽車高質(zhì)量發(fā)展提供極大的支撐。
技術(shù)突破 掌握“材料之王”的制備秘訣
要實(shí)現(xiàn)輕量化,首先要突破的難點(diǎn)就是材料。
一般車型車架的材料會(huì)采用鋼、鐵材料,昂貴的車型有可能會(huì)使用全鋁的車身或者是碳纖維的車身,在減輕重量的同時(shí)又可以保證強(qiáng)度與性能。不過使用碳纖維復(fù)合材料、鋁合金這兩種材料都面臨的一大難點(diǎn)就是成本。
重量輕、強(qiáng)度高,碳纖維復(fù)合材料可以說“除了貴以外,沒有任何缺點(diǎn)”。這種主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的“材料之王”,在汽車領(lǐng)域只有超跑等豪車會(huì)使用。它的貴不僅在于原材料成本高,也在于其生產(chǎn)和制造工藝難。
“它的原材料價(jià)格在國際上是120元1公斤,而且我國在材料加工技術(shù)上還沒有達(dá)到國際一流水平?!壁w會(huì)介紹,對此,他們對低成本碳纖維規(guī)?;苽浞绞竭M(jìn)行了研究,提高紡絲速率,縮短預(yù)氧化時(shí)間,同時(shí)開發(fā)碳化熱能循環(huán)利用技術(shù),使碳纖維材料成本降低25%,工藝水平國內(nèi)領(lǐng)先。
長安汽車輕量化純電動(dòng)轎車項(xiàng)目設(shè)計(jì)總師張金生介紹,在仿真分析、載荷分布和結(jié)構(gòu)優(yōu)化上,項(xiàng)目組采用大變形理論,通過碳纖維復(fù)合材料級(jí)—零部件級(jí)仿真與試驗(yàn)分析研究,建立了準(zhǔn)確的碳纖維復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系模型,最終實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料CAE仿真高精度,剛度對標(biāo)精度達(dá)到80%以上,在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。
針對碳纖維前罩行人保護(hù)困難的行業(yè)難題,研究人員通過內(nèi)板開缺口、減少鋪層、加支架、加緩沖泡沫等優(yōu)化方案,將行人保護(hù)頭部得分提升至8.18分,且重量比鋼罩板減輕約40%,是國內(nèi)首款達(dá)成行人保護(hù)五星得分率并實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)的全碳纖維前罩。
工藝攻關(guān) 搭建國內(nèi)一流輕量化車身應(yīng)用平臺(tái)
車子既要減重又要保證性能,為了解決這一看似矛盾的需求,研究人員不僅在材料上,更在制造工藝上使出了“十八般武藝”。
“我們的一大突破是在A柱和B柱的加強(qiáng)件上采用超高強(qiáng)鋼?!壁w會(huì)解釋,A柱是左前方和右前方連接車頂和前艙的連接柱;B柱在駕駛艙的前座和后座之間,安全帶就在B柱上。A柱、B柱都是支撐車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要部分,強(qiáng)度越高,車身抗撞擊能力越強(qiáng)。對此,研發(fā)人員基于碰撞傳力,國內(nèi)首次在A柱的加強(qiáng)件上采用1700兆帕(MPa)高強(qiáng)鋼3D輥彎成型技術(shù),B柱采用1800MPa熱成型技術(shù),將減重需求、駕駛舒適性和安全性三者融合,有效保護(hù)乘員安全。
鎂合金比鋁合金輕,針對此材料工藝特點(diǎn),研發(fā)團(tuán)隊(duì)在座椅骨架和轉(zhuǎn)向支撐方面采用鎂合金壓鑄工藝,不僅零件集成化程度高,尺寸穩(wěn)定,安裝精度高,各項(xiàng)性能均滿足要求,而且相比鋼制件減重30%以上。
為了讓鋁合金減重,研發(fā)團(tuán)隊(duì)在鋁合金后連接件采用多腔體復(fù)雜截面設(shè)計(jì)方案,代替鋁合金壓鑄成型,大幅降低成本,并實(shí)現(xiàn)減重40%。張金生說,這個(gè)安裝精度要在2毫米以內(nèi),是輕量化零部件制造上的關(guān)鍵點(diǎn)。
同時(shí),團(tuán)隊(duì)研發(fā)了鋁合金高真空壓鑄技術(shù),實(shí)現(xiàn)鋁合金減震塔一模兩件模具設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及裝車性能驗(yàn)證,減震塔零件可焊接可鉚接。“它的壁厚最薄處才2毫米,屈服強(qiáng)度達(dá)120兆帕,延伸率達(dá)12%。這對于材料制造工藝和控制要求非常高,我們在這方面達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平。”趙會(huì)表示。
如何將這么多材料連接在一起也是挑戰(zhàn)。對此,團(tuán)隊(duì)在工藝制造和設(shè)計(jì)方面,開展了碳纖維、鋁合金、鎂合金等14種輕質(zhì)零部件成型技術(shù)研究,通過多種異質(zhì)輕質(zhì)材料連接技術(shù)研究,項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了多種異質(zhì)材料間的高效連接。同時(shí),項(xiàng)目突破多種輕量化材料集成設(shè)計(jì)技術(shù),開發(fā)了“碳—鋁—鋼—鎂”多種材料集成車身結(jié)構(gòu),碳纖維+鋁合金占比76%,車身減重達(dá)31%。上車身采用膠接為主、膠鉚結(jié)合的連接方式,鋁車架采用焊接、鉚接等連接方式,實(shí)現(xiàn)連接強(qiáng)度與韌性的有機(jī)統(tǒng)一。
在整車集成方面,項(xiàng)目完成車身從全傳統(tǒng)材料—混合材料—全新材料三階段的設(shè)計(jì)與開發(fā),解決新材料集成設(shè)計(jì)能力和新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足問題,實(shí)現(xiàn)了多材料輕量化車身達(dá)成碰撞安全五星結(jié)構(gòu)耐撞性的目標(biāo)。
“在試驗(yàn)評(píng)價(jià)方面,針對碳纖維車身純電動(dòng)轎車的設(shè)計(jì)、制造、服役的技術(shù)特點(diǎn)和零部件、系統(tǒng)及整車的性能要求,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)完成167項(xiàng)試驗(yàn),建立了適用于輕量化純電動(dòng)轎車的測試評(píng)價(jià)體系?!壁w會(huì)表示,通過基礎(chǔ)技術(shù)研究與創(chuàng)新應(yīng)用研究的有機(jī)結(jié)合,多項(xiàng)關(guān)鍵輕量化技術(shù)已實(shí)現(xiàn)在長安及行業(yè)其他車型上的成果落地。
趙會(huì)表示,接下來,他們將繼續(xù)研究輕量化的新能源汽車的量產(chǎn)化問題,讓更輕更安全的新能源汽車走向市場。
(記者 雍 黎)
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