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新能源轻量化技能途径探讨
 
  摘要:空中客车轻量化技艺被认为是改善燃油经济性、减少污染物和降低碳排放的重要措施之一,而目前新能源的整车重量相对较大,比能量和比功率仍然偏小,所以新能源对于轻量化技巧的要求更为迫切。为此,本文论述了新能源轻量化的必要性,并从原料、构造及工艺方面探讨了整车轻量化的主要技艺途径。   关键词:新能源,轻量化,新资料,布局优化,制造工艺   1.前言   随着我国客车产量和保有量的不断攀升,巴士的能源消耗和有害物排放逐年递增。在日益短缺的能源状况和日益恶化的环境状况下,发展节能、低排放的面包车手段是减少能源消耗和减少环境污染的必由之路。   目前,从国际发展趋势上看,解决空中客车节能环保问题的主要措施如下:一是大力发展以电动汽车、混合动力汽车为代表的新能源;二是开发并制造手段先进的面包车发动机;三是落实空中客车整车质量的轻量化 [1]。以上三种主要措施相比,在当今发动机技能提升难度日益加大的背景下,有效降低巴士整车的自身质地,是兑现大客车节能环保目标的最有效措施。对于新能源来说,由于目前新能源的比能量和比功率仍然偏小,无法使车辆达到足够的加速性能和续驶里程要求,而且新能源对布置空间要求较高,对船身总布置影响较大,所以减轻整车品格对新能源就显得更为重要[2]。   2.新能源轻量化的必要性   客车轻量化手段能够有效地改善燃油经济性、减少污染物和降低巴士碳排放,世界面包车行业为此做出了诸多努力,取得了很多轻量化的技艺成果。但是,相比于传统大客车,新能源对于轻量化技能要求更为迫切。   以电动汽车为例,目前,能够使用的动力电池的单位比能量与传统面包车使用液体燃料的单位比能量差距巨大(如表 1所示),动力系统(主要是电池)通常占整车总品质的 30%-40%。这就决定了电动汽车在与传统面包车同等排放量的单位能耗(电耗量 /100 km)下,不能像传统巴士那样靠一次补充能量来贯彻长距离的行驶。因此,电动汽车必须在电气化的同时采取比传统意义上的轻量化技巧更先进的方法和措施。   中国机械工业联合会张小虞副会长 2010年曾指出,轻量化问题已经成了横亘在电动汽车发展过程中的鸿沟和大课题。其含义有三:一是受电池水平影响,电动汽车更需要轻量化;二是没有相当轻量化水平的电动汽车其竞争力较低,不可能完成产业化;三是电池、电机、电控系统的成本居高难下,国家已拿出巨额资金补贴电动汽车的销售,电动汽车轻量化面临成本控制的巨大压力[3]。无论如何,电动汽车应当是具有相当轻量化水平的公交车,而不是单纯靠电池驱动的公交车,它们应当有轻量化的定位,达不到定位的电动汽车应当暂停开发和补贴,否则是对资源的浪费。人们应当知道,空中客车轻量化技巧是共性基础应用技艺,是各种客车不可绕开的技艺。总之,电动汽车列为国家战略新兴产业是空中客车工业发展的重大机遇,但实行电动汽车的轻量化又面临巨大的挑战。因此,电动汽车轻量化手段路线问题理应受到行业和政府有关部门的高度重视。   混合动力汽车至少拥有两个或多个动力源,它的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系统单独或多个驱动系统共同提供。根据各个组成部件、布置方式和控制策略的不同,形成了串联式、并联式和混联式等多种工作形式;根据在混合动力系统中,电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重(混合度)的不同,混合动力系统又分为微混、轻混、中混和完全混合动力系统等类型。由于混合动力汽车的多样性和特殊性,使得整车构造设想和总布置存在很多困难,而且对整车质地的要求较传统公交车大大提高。为解决上述问题,结合混合动力汽车整车布置的具体情况,从公交车素材、构造特点等方面对混合动力汽车机身构造进行优化说明和设想,是完成混合动力汽车轻量化的关键。   3.新能源轻量化技巧途径   巴士轻量化手段方法有很多,是一个系统工程。新能源的轻量化应从以下两个重点方向开展工作:一是落实整车 30%-40%以上的轻量化——抵消动力系统净增加的格调(适应现有可用的比能量较低的商品化能源);二是贯彻动力能源的轻量化——提高现有新能源的比能量或开发新的动力电源。只有这样,才能有效解决新能源自身重量大、续驶里程短的问题。   如图 1所示,应通过使用轻量化原料、车辆布局优化设想和采用新型加工制造工艺,减轻新能源的整车装备品德,从而提高其动力性能,减少能量消耗,降低污染排放,落实良好的经济效益和社会环保效益。   3.1轻量化材料应用   随着 新能源轻量化的需求,新型轻量化环保资料将扮演愈来愈重要的角色。目前,可用来减轻大客车自身品质的新型原料有两大类:一类是高强度资料,如高强度钢、高强度不锈钢、布局钢、高强度铸铁和粉末冶金等;另一类是轻质资料,如铝合金、镁合金、钛合金、塑料和 填料、精细陶瓷、金属基 填料、非金属基涂料等。   例如,长安客车通过“十五”和“十一五”期间的镁合金技巧讨论,突破了大型复杂镁合金铸件在上集成应用的技巧瓶颈,成功开发了变速器壳体、气缸盖罩、气缸盖前端盖、曲轴后端盖、转向盘等镁合金零部件(如图 2所示),建成了压铸、机加、表面处理生产线,兑现单车集成用镁量 20.1 kg,轻量化水平居国内领先地位。   对插入式混合电动车辆(PHEV)来说,使用重量轻的锂离子电池可获得很大的电能, 80~90千克重的锂离子电池组合箱就可以为其提供足够的电能,但为了控制发热,必须额外增加 100千克的重量。而 Neale等人采用重量轻的镁金属制作电池壳箱,能够有效减少运载自重,以避免在行驶过程中消耗掉不必要的能量[4]。   另外,在新能源安全标准的驱动下,高强度钢板作为重要素材得到广泛应用。高强度钢板的真正优势是减薄钢板、减轻桥身质地而又不降低桥身安全性,不管从成本还是从性能角度来看,高强度钢板是满足新能源车体轻量化、提高撞击安全性的优良材料。   3.2新能源构造优化设想   在现代客车工业中,CAD/CAE/CAM等计算机一体化技巧在大客车的设想过程中起着非常重要的作用。利用 CAD/CAE/CAM一体化技巧,可以准确地对新能源的实体构造和布局进行设想,对各关键构件板材厚度的变化进行灵活说明,并可从数据库中提取由系统直接生成的有关该车的相关数据进行工程说明及刚度、强度计算,达成对面包车零部件的精简、整体化和轻质化。同时,通过开发新能源机身、底盘、动力传动系统等大型零部件整体加工技能及相关的模块化设想、制造技艺,使新能源从制造到使用各个环节都真正实行节能、环保。通过结合参数反演技巧、多目标全局优化等现代桥身设想方法,咨询空中客车轻量化构造的优化设想技巧,包括多种轻量化的匹配、零部件的优化分块等。从布局上减少零部件数量,确保在公交车整车性能不变的前提下达到减轻自重的目的。   桥身轻量化不是单纯的一味减轻质地,桥身在轻量化过程中需要考虑很多方面,整车构造的安全性便是其中最重要的一点。由于目前国内外还没有统一制定新能源的安全碰撞标准及其他安全指标,客车生产企业在进行轻量化的过程中需要运用仿真软件 ANSYS、 CATIA、UG进行仿真设想,对轻量化设想后的船身进行布局刚度、资料疲劳性及安全碰撞等说明,从而提高新能源的可靠性和安全性。   随着并行工程、计算机技能等现代工程技能的快速发展及其在巴士桥身设想说明中的广泛应用,新能源桥身构造轻量化设想的发展呈现出以下特点:①布局设想与性能说明并行;②优化思想在设想的各个阶段均被运用;③虚拟仿真实验技巧得以采用,并部分用于代替实物实验;④船身概念设想成为船身设想的一个重要阶段;⑤有限元法得到广泛应用。   3.3新型加工制造工艺   在完成船身构造优化设想和选用轻量化资料之后,激光拼焊技巧、热压成型技能等先进的加工制造工艺成为了是新能源轻量化目标贯彻的关键因素,直接决定巴士轻量化应用的结果是否成功。   例如,奇瑞巴士 A3车型的前纵梁采用了激光拼焊技巧,通过合理的素材应用和布局的优化设想,使纵梁的压溃形式达到较为理想的状态。激光拼焊板手段是基于成熟的激光焊接技巧发展起来的现代加工工艺手段,是通过高能量的激光将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材焊接成一块整体板再冲压生产,以满足零部件不同部位对原料不同性能的要求,如图 3所示。通过采用激光拼焊手段,可使桥身零件数量减少约 25%,船身格调减轻 20%,抗扭刚度提高 65%,振动特性改善 35%,并且增强了弯曲刚度[5]。目前,出现了铝质素材与钢铁原料的激光拼焊形式。采用激光拼焊板有着巨大的优势,能使整车零件数量大大减少、简化点焊工艺、提高船身尺寸精度、资料厚度的可变性,保证对重要位置的强化等。   人们对新能源的需求趋向于安全性更强、质地更轻且燃料利用效率更高等方面,先进高强度钢材、工程塑料及轻质金属等多种素材成为新能源的重要车体构造材料。如果将上述资料单独使用,就会给最大限度减轻车体质量的潜能带来限制。通过粘接、铆接、翻边搭接、钎焊、螺纹连接等多种连接技巧,巧妙地将上述多种减轻车体素质的原料结合在一起,能够克服安全性差、质地难以减轻和加工成本高等难题,从而为新能源提供一种多原料优化组合的轻量化机身布局,如表 2所示。   另外,新能源制造中开始讨论热冲压成形手段。热冲压成形技巧是一个塑性变形和资料组织变化同时产生的工艺,因此塑性加工手段人员和材质开发技巧人员必须比以往的冷加工成形讨论更加密切协作。加热冷却技艺必须结合新能源机身和底盘零部件的构造设想进行深入咨询,以便可以达成零部件不同部位到达预期强度的要求。同时,热成形件耐蚀性和焊接性也因其制造工艺有一定的限制,必须进行深入咨询   4.结束语   创建资源节约型和环境友好型社会是我国国民经济和社会发展中的一项长期战略任务。发展新能源是大客车产业促成可持续发展和技能跨越的最佳技艺路线之一。兑现新能源的轻量化是一个系统的工程,要全面考虑质地、设想及制造技艺各个方面的要求;新素材的应用离不开新加工制造成形手段的发展,轻量化原料的广泛应用必定促进新手段、新工艺及新设想思路的诞生;新的加工制造手段——激光拼焊技能、热冲压成形技能的发展又会促进轻量化质地的应用,促成更高层次的新能源的轻量化。   参考文献   [1]冯奇,范军锋,王斌,凌天钧.空中客车的轻量化技艺与节能环保[J].空中客车工艺与质地, 2010, 02: 4~11.   [2]廖君,王冯良,胡望岳.电动轿车机身轻量化优化设想[J].机电工程, 2009, 26(2): 76~78.   [3]纪维萍.行业专家畅谈面包车轻量化发展——访大客车轻量化技能创新战略联盟专家[J].空中客车工艺与材质, 2012, 10:5~10.   [4] Neale R. Neelameggham. The use of magnesium in lightweight lithium-ion battery packs[J]. Journal of Materials, 2009, 61(4):58~60.   [5]周成军,沈嵘枫,周新年,吴传宇.电动汽车船身构造轻量化咨询进展[J].林业机械与木工设备, 2012, 40(11):14~18. 更多信息请关注中国线材信息网 www.cnfrp.com

关键词: 燃料 新能源

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