王 波，范宗武，林 偉

（山東沂星電動(dòng)汽車有限公司，山東 臨沂 276017）

在燃油日益枯竭的今天，節(jié)能越來(lái)越受到世人的關(guān)注，我國(guó)也出臺(tái)了各種各樣的政策來(lái)鼓勵(lì)電動(dòng)客車的發(fā)展。但由于電池的比能量一般為7.2×105J/kg，而柴油的熱值為3.3×107J/kg，因此電動(dòng)客車電池自身質(zhì)量較大（以12 m電動(dòng)客車為例，電池質(zhì)量為2.5～3 t），整備質(zhì)量較同類型的傳統(tǒng)客車重3 t左右，導(dǎo)致載質(zhì)量相應(yīng)減少3 t。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車質(zhì)量每增加1%，能耗將增加0.7%[1]。因此，質(zhì)量問(wèn)題成了制約電動(dòng)客車發(fā)展的瓶頸之一，各大客車廠都在探索和尋求電動(dòng)客車輕量化的方法，但收效甚微[2]。本文以12 m純電動(dòng)城市客車為例，列舉多種客車輕量化方法，整備質(zhì)量可由傳統(tǒng)城市客車的15 t降低到現(xiàn)在的12 t。

1 整車輕量化設(shè)計(jì)

1.1 底盤輕量化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)客車底盤為大梁式三類底盤，12 m的底盤重量一般在6 t左右。電動(dòng)客車輕量化的底盤采用全承載設(shè)計(jì)，用16 Mn矩形鋼管設(shè)計(jì)成桁架結(jié)構(gòu)[3]，如圖1所示，其重量比傳統(tǒng)三類底盤輕1 t左右。自制底盤車架比外購(gòu)三類底盤車架成本要低8000元左右。

1.2 車身骨架輕量化

傳統(tǒng)客車的車身骨架一般為鋼骨架，即使進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，質(zhì)量減輕也非常有限（一般為300～500 kg），而且鋼材易生銹，回收利用價(jià)值不高。電動(dòng)客車車身骨架輕量化方法是兩側(cè)圍、頂蓋、前后圍骨架全部采用鋁合金，部分外覆蓋件也采用鋁合金。鋁合金作為新型材料，在國(guó)內(nèi)客車領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用仍屬空白[4]。經(jīng)過(guò)潛心研究，將鋁合金大規(guī)模應(yīng)用到大客車車身上，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的突破。鋁合金具有傳統(tǒng)車用材料不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的機(jī)械性能、耐腐蝕性，導(dǎo)熱性好，還具有高強(qiáng)度、易回收、吸能性好的特點(diǎn)，鋁在碰撞過(guò)程中比鋼多吸收50%的能量[5]。鋼的比重為7.85 g/cm3，而鋁的比重只有2.7 g/cm3，使用鋁合金能大幅度降低車身骨架質(zhì)量。鎂鋁合金雖然是當(dāng)前重量最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，但其鑄造性差，后處理工藝復(fù)雜，耐腐蝕性也差，在空氣中極易氧化生成疏松多孔氧化膜，且價(jià)格比較昂貴，目前還難以在客車骨架上推廣應(yīng)用?？蛙嚨妮p量化技術(shù)必須是兼顧質(zhì)量-性能-價(jià)格的技術(shù)[6-7]。以上三種材料的重量與成本比較見(jiàn)表1。

可以看出，鋁合金不但能大幅度降低車身骨架質(zhì)量，而且成本相對(duì)較低。我國(guó)的鋁資源豐富,鋁年產(chǎn)量已達(dá)1260萬(wàn)t，連續(xù)5年居世界榜首[8]，因此，鋁合金材料的大量使用是電動(dòng)汽車發(fā)展的趨勢(shì)之一。兩側(cè)圍、頂蓋與前后圍鋁合金骨架采用鉚接技術(shù)合成的整車骨架如圖2所示。

1.3 車身外覆蓋件輕量化

車身外覆蓋件即前后圍蒙皮、頂蓋蒙皮和兩側(cè)圍蒙皮。用作車身外覆蓋件的材料很多，目前主要有鋼板、鋁板、玻璃鋼、DCPD（聚雙環(huán)戊二烯）、碳纖維復(fù)合材料等。傳統(tǒng)客車一般采用薄鋼板作為外蒙皮，無(wú)論怎樣優(yōu)化設(shè)計(jì)，質(zhì)量都難以減輕。碳纖維復(fù)合材料雖然強(qiáng)度高、耐熱性好、耐腐蝕，但其價(jià)格昂貴，難以在客車上推廣應(yīng)用。DCPD雖然抗沖擊性和絕緣性好，重量輕，但價(jià)格比玻璃鋼要貴4倍，也不易在客車上推廣使用。采用鋁板作為電動(dòng)客車車身的兩側(cè)圍蒙皮及頂蓋蒙皮，用玻璃鋼作為前后圍蒙皮，重量比用鋼板輕114 kg，而且玻璃鋼的拉伸強(qiáng)度和比強(qiáng)度都比鋼的還大（鋼的拉伸強(qiáng)度是1.03 GPa,玻璃鋼的拉伸強(qiáng)度是1.06 GPa；鋼的比強(qiáng)度是130,玻璃鋼的比強(qiáng)度是530）[9]。鋁、玻璃鋼比重介于鋼和碳纖維之間，且價(jià)格適中。以12 m車身覆蓋件為例，使用不同材料，其質(zhì)量與成本比較見(jiàn)表2。

表2 不同材料的車身覆蓋件質(zhì)量與成本比較

綜合以上分析可知，采用鋁板和玻璃鋼作為車身外覆蓋件，其質(zhì)量和價(jià)格均介于鋼板和碳纖維之間，質(zhì)量可減輕，價(jià)格也適中。

1.4 零部件輕量化

電動(dòng)客車在零部件方面也采取了減重措施，如將鋼質(zhì)輪輞改為鋁合金輪輞,質(zhì)量可減輕115 kg；將驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器、DC-DC等外殼由鋼殼改為鋁合金殼，質(zhì)量可減輕95 kg；車內(nèi)扶手由鋼管改為鋁合金管，質(zhì)量可減輕75 kg；重新選配轉(zhuǎn)向助力泵和空壓機(jī)，質(zhì)量可減輕55 kg。

1.5 電池輕量化

造成電動(dòng)客車質(zhì)量高于傳統(tǒng)客車的最主要因素就是因?yàn)閯?dòng)力電池的比能量比液體燃料的比能量低得多，而動(dòng)力電池之間的比能量又千差萬(wàn)別：鉛酸電池的比能量是30 W·h/kg,鎳鎘電池的比能量是55 W·h/kg,鎳氫電池的比能量是80 W·h/kg，磷酸鐵鋰電池的比能量是90～120 W·h/kg，因此，我們選磷酸鐵鋰電池作為動(dòng)力電池，其質(zhì)量要比其他電池小得多。如果用鉛酸電池，其質(zhì)量約4 t，而用磷酸鐵鋰電池，其質(zhì)量約為2.5 t。

2 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上輕量化措施，底盤可減重1 t，車身骨架可減重1.5 t，車身外覆蓋件可減重114 kg，系統(tǒng)零部件可減重340 kg，總計(jì)整車整備質(zhì)量可減重3 t左右,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排、低碳環(huán)保的目的。在底盤、鋁合金骨架、外覆蓋件材料成本方面由原來(lái)的31241元升高為33541元，成本僅增加2300元。因此，在電動(dòng)客車上，大量使用鋁合金來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化不失為一種行之有效的手段,也是必然趨勢(shì)。

[1]敖炳秋.輕量化汽車材料技術(shù)的最新動(dòng)態(tài)[J].汽車工藝與材料，2002，（S0）：8-9.

[2]倪晉尚.輕量化技術(shù)在現(xiàn)代汽車中的應(yīng)用[J].公路與汽運(yùn)，2008，（5）

[3]羅朝暉，李紀(jì)雄.混合動(dòng)力旅游客車整車輕量化設(shè)計(jì)[J].客車技術(shù)與研究，2011，33（2）：29-32.

[4]莫海鷹.客車輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)探討[J].城市車輛，2009，（10）

[5]龍江啟，蘭鳳崇，陳吉清.車身輕量化與鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)新技術(shù)的研究發(fā)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，（6）

[6]燕戰(zhàn)秋，華潤(rùn)蘭.論汽車輕量化[J].汽車工程，1994，(6)

[7]李洪波，周維林.重型汽車車架輕量化設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，（12）：110-113.

[8]李建湘，劉靜安，楊志兵.鋁合金特種管、型材生產(chǎn)技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008.8.

[9]梁基照.聚合物基復(fù)合材料設(shè)計(jì)與加工[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.4.