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沈卫东:轻量化技术在车身研发中的应用

心太拥挤 2021-03-24 17:26:33

2021年3月23日-24日,由盖世汽车主办的“2021年中国车身大会”隆重召开。本次大会重点围绕整车轻量化、汽车安全法规、车身结构设计、车身先进材料、仿真技术、模块化架构车身等行业焦点话题展开探讨,为产业发展出谋划策。会议期间,上汽大众产品管理高级总监,教授级高级工程师沈卫东发表了“轻量化技术在车身研发中的应用”的主题演讲。


沈卫东:轻量化技术在车身研发中的应用


上汽大众产品管理高级总监,教授级高级工程师沈卫东


以下为演讲实录:


尊敬的各位来宾,尊敬的各位专家,大家上午好。非常感谢盖世汽车邀请,很高兴也很荣幸和大家做分享。我的题目是“轻量化技术在车身研发中的应用”。


今天汇报主要有三个方面的内容:首先会做技术背景的简述,其次和大家分享轻量化技术在汽车车身研发中的应用,最后是技术展望。

沈卫东:轻量化技术在车身研发中的应用

刚才盖世汽车研究院高级分析师卢晏谈了很多未来中国汽车的发展,在软件定义汽车的时代,我突然想起在新员工迎新的时候,一个95后的新员工给我提出一个问题:在汽车新四化快速发展的时代,我们车身研发应该做什么?能做什么事情?按照习惯思维,我们的车身研发属于传统技术领域,而新四化是未来发展的技术领域,那么车身研发怎么去做好新兴和传统技术领域的交汇发展,这是我们面临的问题。


实际上车身研发有很多事情可以做,比如说轻量化技术。随着中国改革开放的发展,人们生活水平有了非常大的提高,人们对环境和安全,从来没有像现在这样关注过。大家都很清楚,我们国家对节能减排有非常高的要求,除了国家的安全法规,还有很多消费者的测试标准,有些标准实际上已经超过欧洲标准,正因为有这么多安全标准,所以在车身上会采取很多加强措施,而这些措施就会带来车身重量的增加。车身轻量化的任务也很艰巨,国家节能与新能源汽车技术路线图已明确目标,预计2035年燃油乘用车整车轻量化系数会降低25%,纯电动乘用车会降低35%。


从另外一方面来看,中国实行的是双积分政策,不但对新能源车有要求,对传统燃油车也有要求。整车重量降低10%,燃油效率可以提高6%-8%,汽车重量降低100公斤,二氧化碳排放可以减少约5克/公里。此外,我们现在已经进入全面拥抱新四化的时代,新能源车,纯电动车就在我们身边,新能源车普遍比传统燃油车重量要增加30%。如果把新能源汽车重量降低100公斤,续航里程就可以提高10%-11%,还可以减少20%电池成本以及其它日常损耗成本。同时,大家都很清楚,通过轻量化技术,还可以提升加速性能,操作性能,安全性能。因为车身在整车重量中占30%左右,所以,车身的轻量化是永恒的主题。


怎么实现车身轻量化,有什么技术路径?各位专家很清楚,首先,通过材料轻量化,通过替代材料达到轻量化的需求。第二,优化车身结构,减少零件的数量或者不必要部分减薄,这样可以达到优化结构,降低重量。第三,在制造工艺方面创新,达到轻量化的效果。


从轻量化技术路线图来看,目前是完善高强度钢作为体系的重点,中期形成轻质合金应用为方向,远期形成多材料混合应用体系为目标。下面我和大家分享一些轻量化技术案例:


最主要的一个技术路径就是热成型技术,该技术已存在多年,在上汽大众第一款MEB纯电动车ID.4 X上采用了大量屈服强度在1300Mpa到1500Mpa热成型钢,比重超过28%。另外77.7%采用高强铁钢板,座椅横梁还采用超高强度的热成型钢,屈服强度达到1900Mpa。


还有一个比较常用的路径是通过替代材料来达到轻量化的需求,铝已成为近来关键替代材料,因为铝具有良好强度和韧性,密度较小,从而达到车身轻量化需求。现在常用车用铝型号有6系、7系、5系,实际上铝合金材料运用是整体开发体系,它不单包括结构设计,还包括防腐性能、试验、各种制造和连接工艺。在铝合金车身应用方面主要有三种:铝冲压件、铝挤压件、铝压铸件,应用在车身地板件和四门两盖等车身零件以及电池包。


铝冲压件是常用技术,和传统钢相比,实际上流程是非常相似的,包括设计和拉伸模拟,最后成型。铝冲压原理基本上也和钢的冲压类似,设计完以后进行模拟,最后进行冲压,包括了下料、拉深、切边扥该工序。但是有两点跟传统钢不一样,一个是延伸率比钢低,成型更容易开裂,另外一个铝的杨氏模量只有钢的三分之一,成型过程中回弹更大,这两方面是需要分析考虑的。以铝车门为例,总成所有内板,加强板,外板等进行分解,可以得出一个结论:钢车门总成重量一般是70-80公斤,而采用铝的工艺进行制作,减重达到30-35%。


铝压铸件,压铸是液态成型工艺,其工艺比较适合于形状比较复杂、薄壁深腔零件。举一个例子,比如说上汽大众过得辉昂前轮罩就是采用该工艺,该工艺如果用传统钢做会非常重,而采用铝压铸件其重量只有4.2公斤,不仅大大减轻重量,而且同时提高强度。此外,电池包壳体采用铝压铸件重量只有17公斤。


比较常见的还有铝挤压件,以ID.4 X挤压型材铝合金门槛为例,通过这样一个零件,在纯电动车的应用,可以在侧面柱碰时,把碰撞能量主要消耗在门槛中,可以保护电池包受冲击的变形影响。


铝挤压基本的流程是挤压成型是一种固态成型,实际上是用固态的型材,通过模具来实现挤压,最后完成一个零件,挤压工艺适用于截面形状是一致的零件,比如门槛、纵梁前部和保险杠等零件。


在车身轻量化方面还有一部分就是电池包壳体怎么做到轻量化,主要也是采用铝型材,通过各种工艺来达到减重的要求。


铝合金件需要特殊的连接技术,这里罗列了很多,在座都是专家,所以我就不再重复了。


以铝车门总成为例,对比钢件来说,铝件的连接的方式有很大的改变。通过激光焊和铝点焊和SPR来完成这样一个连接。对防腐也有新的要求,因为铝跟铝的连接、铝跟钢连接、铝跟各种其他材料连接,这些对于防腐都有比较高的要求。我们不但是通过零部件层面的防腐实验,还通过整车的防腐试验来满足严苛的设计和试验标准。比如说整车动态各种路面的防腐蚀试验,还有路面动态的试验和环境舱试验达到零部件和整车的防腐要求。


轻量化技术中还有碳纤维技术,这个大家都非常熟知,比如宝马i3车身重量只有139公斤,两个人就可以抬起侧框,如果采用钢件是不可想象的。


最后是轻量化技术的展望。

沈卫东:轻量化技术在车身研发中的应用

看一下车身轻量化发展的路径,90年代是钢密集型的车身,到了2000年开始铝密集型的车身,包括现在有几家初创公司用全铝的车身。在2015年全铝车身和碳纤维得到了非常迅猛的发展,在这段时间全铝车身和碳纤维是一种潮流。在2020年之后进入了多材料车身发展路径的时代。


首先,看一下碳纤维,因为比重不到钢的1/4,而且它的强度远远超过了钢,所以在赛车上首先用的都比较多。目前国外公司在某些零部件方面用的比较多,在内饰门板,前后盖,也许是前盖上面用的相当多,包括电池包壳体等。但是在国内车企里面,因为成本的问题实际上整车的碳纤维应用相对来说比较少。


那么,是否全铝车身就是未来的技术趋势?我们可以看到奥迪A8,其铝合金占比从92%降到了58%,这是为什么呢?大家都知道,铝合金件有明显的缺点,比如说制造工艺比较复杂,材料成本比较高,维修成本也比较高。如果奥迪A8门板发生碰擦可能就直接更换铝门,不会用传统的刮腻子再喷漆这种方式去解决。另外,国产材料性能和进口材料还有差距。


总得来说,不管是制造成本,还是维修成本,相对来说都比较高,这些都给全铝车身带来一定的劣势。怎么去攻克材料成本难关呢?或许大力发展国产铝型材,通过完善工艺、完善制造流程等,通过这些环节把铝合金材料成本降下来,从而更广泛的应用,这可能是未来的一个趋势。


最后是车身一体化铸造技术,特斯拉在Model Y后轮罩从Model S原有的70个冲压零件,现在通过一体化压铸技术变成了2个零件。这是一个颠覆性的制造工艺,为什么呢?因为一般的OEM公司在方圆30公里左右都集中了很多冲压厂,还有车身分总成供应商。另外在传统车企的工厂都有四大制造车间,如果采用像特斯拉现在这样的工艺,可能改变了传统车身制造的方式或者车身结构的设计。这就意味着方圆30公里周围这些供应商可能要重新思考未来的产品,而传统车企可能也不再有冲压和车身两大车间了。


再看一下,特斯拉已经发布了一个汽车车架多向单体铸造机的专利,可以从它的图片上发现,它是整个车身,我们第一印象就是“不可能”,为什么呢?因为用传统的思维来说,这里面有很多技术问题,比如说圆角缝隙、平整度面差、车身尺寸精度控制以及外观表面质量,所有这些都是问题。但是特斯拉前面已经做了一个案例,可以把70个零件变成2个零件,后一步可能把一个车身变成现实,这些可能都是未来的趋势。


对于中国汽车人或者对于中国的车身人来说,我们的使命是,在中国是不是能够实现像特斯拉这种车身一体化铸造的技术?这样可以把车身轻量化做到极致,这可能是我们未来的使命。


以上就是我的汇报,谢谢大家。

来源:盖世汽车资讯

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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