減重瘦身，不僅僅愛美之人需要，汽車也需要。在“十三五”國家重點研發計劃“新能源汽車”重點專項中，輕量化純電動轎車整合開發已作為一項重點攻關專案。
近日，記者從重慶長安汽車獲悉，該公司聯合中國汽車工程研究院股份有限公司、中復神鷹碳纖維有限責任公司、中國科學院寧波材料所等國內13家科研院所、供應商聯合開發，從材料、分析、設計、製造、整車整合到試驗驗證等6個方面進行攻關，突破了多項技術瓶頸，開發出了一款具有國際一流技術水平的碳纖維車身純電動轎車，為新能源汽車能跑得更遠更快減去“體重”之憂。
迫在眉睫 電動車減重瘦身勢在必行
汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全效能的前提下，儘可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性。實驗證明，汽車質量降低一半，燃料消耗也會降低將近一半。由於環保和節能的需要，汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流。
“相比燃油車，新能源汽車對於減重的需求更為迫切。”長安汽車首席專家、輕量化純電動轎車專案總監趙會表示，相比燃油車，新能源汽車往往重10%，其動力電池佔到了整車重量的三分之一到二分之一，在鋰動力電池能量密度和安全性的矛盾沒有解決之前，減重是提高續航里程的有力保證之一。有研究表明，純電動汽車重量每降低10千克，續航里程可增加2.5千米。
對於新能源車來說，減重主要從三個方面進行：材料輕量化、結構輕量化和製造工藝輕量化。
對此，輕量化純電動轎車整合開發專案旨在透過“產學研用”重點突破碳纖維車身載荷分佈與結構最佳化、車用低成本碳纖維、碳纖維車身和鋁合金車架一體化整合設計等技術瓶頸，實現多種輕質材料及先進工藝的整合應用，掌握碳纖維車身純電動轎車試驗驗證和評價等核心技術，開發一款具有國際一流技術水平的碳纖維車身純電動轎車。
“我們的目標是達到國際一流水平，透過攻關能夠讓車身減重30%以上，同時保證車輛的安全效能達到五星標準。”趙會表示，當前在“電動化、網聯化、智慧化”科技革命的促進下，汽車工業正在發生重大變革，為行業發展帶來前所未有的挑戰，也帶來了千載難逢的發展機遇，正是中國品牌汽車對國外品牌彎道超車的好時候，如果能夠攻克輕量化這一共性技術難點，那麼將對中國品牌汽車高質量發展提供極大的支撐。
技術突破 掌握“材料之王”的製備秘訣
要實現輕量化，首先要突破的難點就是材料。
一般車型車架的材料會採用鋼、鐵材料，昂貴的車型有可能會使用全鋁的車身或者是碳纖維的車身，在減輕重量的同時又可以保證強度與效能。不過使用碳纖維複合材料、鋁合金這兩種材料都面臨的一大難點就是成本。
重量輕、強度高，碳纖維複合材料可以說“除了貴以外，沒有任何缺點”。這種主要應用於航空航天領域的“材料之王”，在汽車領域只有超跑等豪車會使用。它的貴不僅在於原材料成本高，也在於其生產和製造工藝難。
“它的原材料價格在國際上是120元1公斤，而且我國在材料加工技術上還沒有達到國際一流水平。”趙會介紹，對此，他們對低成本碳纖維規模化製備方式進行了研究，提高紡絲速率，縮短預氧化時間，同時開發碳化熱能迴圈利用技術，使碳纖維材料成本降低25%，工藝水平國內領先。
長安汽車輕量化純電動轎車專案設計總師張金生介紹，在模擬分析、載荷分佈和結構最佳化上，專案組採用大變形理論，透過碳纖維複合材料級—零部件級模擬與試驗分析研究，建立了準確的碳纖維複合材料本構關係模型，最終實現了複合材料CAE模擬高精度，剛度對標精度達到80%以上，在業內處於領先水平。
針對碳纖維前罩行人保護困難的行業難題，研究人員透過內板開缺口、減少鋪層、加支架、加緩衝泡沫等最佳化方案，將行人保護頭部得分提升至8.18分，且重量比鋼罩板減輕約40%，是國內首款達成行人保護五星得分率並實現小批次生產的全碳纖維前罩。
工藝攻關 搭建國內一流輕量化車身應用平臺
車子既要減重又要保證效能，為了解決這一看似矛盾的需求，研究人員不僅在材料上，更在製造工藝上使出了“十八般武藝”。
“我們的一大突破是在A柱和B柱的加強件上採用超高強鋼。”趙會解釋，A柱是左前方和右前方連線車頂和前艙的連線柱；B柱在駕駛艙的前座和後座之間，安全帶就在B柱上。A柱、B柱都是支撐車輛結構強度的主要部分，強度越高，車身抗撞擊能力越強。對此，研發人員基於碰撞傳力，國內首次在A柱的加強件上採用1700兆帕（MPa）高強鋼3D輥彎成型技術，B柱採用1800MPa熱成型技術，將減重需求、駕駛舒適性和安全性三者融合，有效保護乘員安全。
鎂合金比鋁合金輕，針對此材料工藝特點，研發團隊在座椅骨架和轉向支撐方面採用鎂合金壓鑄工藝，不僅零件整合化程度高，尺寸穩定，安裝精度高，各項效能均滿足要求，而且相比鋼製件減重30%以上。
為了讓鋁合金減重，研發團隊在鋁合金後連線件採用多腔體複雜截面設計方案，代替鋁合金壓鑄成型，大幅降低成本，並實現減重40%。張金生說，這個安裝精度要在2毫米以內，是輕量化零部件製造上的關鍵點。
同時，團隊研發了鋁合金高真空壓鑄技術，實現鋁合金減震塔一模兩件模具設計、生產及裝車效能驗證，減震塔零件可焊接可鉚接。“它的壁厚最薄處才2毫米，屈服強度達120兆帕，延伸率達12%。這對於材料製造工藝和控制要求非常高，我們在這方面達到了國內先進水平。”趙會表示。
如何將這麼多材料連線在一起也是挑戰。對此，團隊在工藝製造和設計方面，開展了碳纖維、鋁合金、鎂合金等14種輕質零部件成型技術研究，透過多種異質輕質材料連線技術研究，專案實現了多種異質材料間的高效連線。同時，專案突破多種輕量化材料整合設計技術，開發了“碳—鋁—鋼—鎂”多種材料整合車身結構，碳纖維+鋁合金佔比76%，車身減重達31%。上車身採用膠接為主、膠鉚結合的連線方式，鋁車架採用焊接、鉚接等連線方式，實現連線強度與韌性的有機統一。
在整車整合方面，專案完成車身從全傳統材料—混合材料—全新材料三階段的設計與開發，解決新材料整合設計能力和新結構設計經驗不足問題，實現了多材料輕量化車身達成碰撞安全五星結構耐撞性的目標。
“在試驗評價方面，針對碳纖維車身純電動轎車的設計、製造、服役的技術特點和零部件、系統及整車的效能要求，專案團隊完成167項試驗，建立了適用於輕量化純電動轎車的測試評價體系。”趙會表示，透過基礎技術研究與創新應用研究的有機結合，多項關鍵輕量化技術已實現在長安及行業其他車型上的成果落地。
趙會表示，接下來，他們將繼續研究輕量化的新能源汽車的量產化問題，讓更輕更安全的新能源汽車走向市場。
（記者 雍 黎）
來源： 科技日報
