研究周报|低速电动车车身轻量化的技术途径

【特约研究员柏俊波】 低速电动车需要研究轻量化有两大原因：一是在低速电动车的标准草案中，提出了“小尺寸”和“轻型化”的标准引导方向；二是减轻整车质量能够更有效地提升电源利用效率，并提高驾乘体验。

低速电动车的轻量化目标，主要包括车身轻量化、电池轻量化、电驱传动总成轻量化和零部件轻量化四个方面。如下图所示。

本期周报将着重介绍实现车身轻量化目标的三大技术途径，并对低速电动车的轻量化车身结构发展趋势进行探讨。低速电动车车身轻量化主要通过选用轻量化材料，采用轻量化设计方法，结合轻量化制造工艺三方面来实现。如下图所示。

一、轻量化材料的应用

轻量化材料主要有高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料等等。

(1)轻质合金材料：铝、镁、钛合金材料是目前金属材料中体积质量较小的轻质合金材料，将其应用于低速电动车车身能够有效减轻车身质量，降低能耗并提升动力性能。铝合金车身具有质量轻、耐腐蚀性好、耐磨性好、比强度高及可回收等优点，相比于传统的钢板车身，轻质铝合金车身可以显著减轻车身质量30%~40%。

典型如北汽的ARCFOX-1，车身使用笼式设计的铝合金框架，单车用铝量超过160kg，占车身重量的54%，使得车身的重量比钢制车身轻30%。

镁的体积质量是铝的2/3，铁的1/4，在实用构造金属材料中最轻。镁合金车身质量轻、比强度高、比刚度高、抗冲击性好及阻尼减振性好，可以极大降低车身的质量。镁制车身板件与传统钢材制品相比最多可减重75%。但镁合金车身研制目前仍存在很多的困难，冲压成型工艺不成熟，即使相比于铝制板材件，其成本也要高出3~4倍。

钛合金同样是一种综合性能十分优异的轻质合金材料，具有体积质量小、比强度和比断裂韧性高、疲劳强度和抗裂纹扩展能力好、低温韧性良好、抗腐蚀性能优异、抗阻尼性能强、耐热性能好及吸气性能好等优点。目前制约其发展的主要因素也是价格高昂。

(2)高强度钢：高强度钢是指屈服强度介于210~550MPa的钢材，而屈服强度超过550MPa的钢材则称为超高强度钢。

目前高强度钢主要应用在汽车安全件、底盘及车身等方面，特别是车身座舱的A、B柱，门槛，车顶边梁以及底盘中央通道等关键部位上，可以大幅度提高车辆保护车内人员安全的能力。

与普通钢相比，高强度钢能够大幅增加构件的变形抗力，提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。在同等强度等级下，高强度钢可以通过减薄零件来达到减轻车身质量的目的。比如，北汽新推出的EC180，据说其车身采用了54%的高强度钢。

(3)复合材料：复合材料是指由2种或2种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，提高材料的综合性能。

复合材料具有体积质量小、比强度和比模量大、耐磨耐蚀性好及加工成型方便等优点，正逐步取代金属材料，在汽车工业中发挥着越来越重要的作用。目前复合材料在车身中的应用主要有玻璃纤维增强塑料(GFRP)和碳纤维增强塑料(CFRP)。

CFRP作为车身材料，具有质量轻和强度大的特点。与钢材相比，CFRP的体积质量只有钢材的20%?30%,而硬度却是钢材的10倍以上，这使得CFRP车身比钢质车身减轻50%以上，比铝质车身减轻约30%。除此之外，CFRP还具有良好的抗疲劳性、碰撞吸能性及制造工艺性，这些优点都适应轻量化车身材料的需求。

比如，宝马i3就采用了碳纤维增强复合材料(CFRP)车身，主要以聚丙烯腈的热塑性纺织纤维为原材料，在一定的压力和温度下，转化成极其细长的碳纤维丝线，最后再经过相应的氧化和碳化处理，形成车身材料。

(4)工程塑料：

比如，大家很熟悉的smart车型就大量使用了工程塑料，如下图所示。

二、轻量化结构设计

轻量化设计方法贯穿了汽车从概念设计、初始车身结构设计到产品工程设计、样车试制过程等几乎整个设计过程。

(1)车身结构优化设计

车身结构的轻量化优化设计主要从两个方面着手：一是研究开发新的设计方法，从设计概念与理论上着手进行创新，以开发出先进的材料技术或者车身造型和制造技术；二是设计车身轻量化结构形状，以按实际工况为先导来对车身结构的形状进行优化设计，优化车身的空间结构，优化车内的空间布置，减少车身的零部件数量，同时对各个零部件进行轻量化优化，减小汽车零部件的结构尺寸和厚度。

(2)优化设计

优化设计是将数学中的最优化理论与工程设计相结合，将实际设计问题转化为最优化问题，根据设计对象不同，结构优化设计按设计变量的类型可以分为结构尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化4个层次。拓扑优化设计具备以下作用：

a.避免零件设计的盲目性，改善模仿其他产品设计所带来的缺陷；

b.提髙材料的利用率，减薄零部件的厚度，改善零部件的结构设计，减少材料的浪费，减轻零部件的质量；

c.得到最优的模态、静动态力学性能，提升零部件的品质；

d.减少或者简化了车身上不必要的复杂结构使其制造上得以简化。

三、轻量化制造工艺

轻量化制造工艺主要指轻量化车身材料制造和连接的新工艺。车身材料制造方面包括复合材料的片状模压成型(SMC)、树脂转移成型(RTM)等成型工艺及金属合金材料的液压成型、内高压成型、热成型及铝合金半固态成型等新型成型工艺。

例如液压成形就是一种柔性的成形技术，它是把流体介质作为冲压时的传力介质，取代了刚性冲压中的凸模与凹模，流体介质以髙压形式冲入需要成形的管件或板料的模具中，使管件或板料在模具内由液体压力变形成模具的造型，最终成为所需的汽车零部件形状。比如新奥迪A8的拱形车顶、车身框架、车身的覆盖件、车门等均采用液压成形技术加工制造，其车身实现了高度轻量化。

另外，激光拼焊技术可以在提升车身各种力学性能的同时，减少车身的材料消耗，减少零件数量，特别是一些加强支撑类的零件。

四、轻量化车身的发展趋势

依据车身应用的材料构成，可以分类为钢车身、以钢为主的多种材料混合车身、铝车身及复合材料车身。如何选择材料与相关的制造技术，取决于车辆的技术目标及成本结构。

钢车身：通过应用更多的高强度钢及先进制造技术减重，与软钢相比高强度钢一般减重10%到25%。

多种材料混合车身：车身材料以钢为主，其次是铝合金、复合材料及镁合金。多种材料混合车身充分挖掘了各种材料的潜力，如用铝保险杠梁改善低速碰撞性能，尾门外板用热固性复合材料SMC或者工程塑料等。

铝车身：铝车身包含全铝车身及以铝为主的车身。如果对零件简单地以铝代钢，减重可达40%-50%，比使用高强度钢代替普通软钢减重更多。但由于铝材价格高，铝车身一般用于高级轿车。对于低速电动车来说，可以考虑采用铝合金来制作模块化的底盘车架结构，如下图所示。

复合材料车身：以复合材料为主的车身。复合材料也是轻质材料，减重效果明显。

从轻量化车身材料上看，镁合金、钛合金及碳纤维复合材料的工艺要求和制造成本都非常高，尚有许多关键技术没有突破，目前还不太适合低速电动车轻量化车身制造。

在相当长的时间里，钢作为车身主体材料的地位会继续保持；多种材料混合车身则是发展趋势，钢的用量会逐渐减少；高价格车及小众车型的车身更多应用铝、复合材料等材料也是发展趋势。

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