摘要: 汽车轻量化是目前汽车节能减排最有效途径之一。以新能源汽车轻量化为目标，对新能源汽车轻量化进行关键技术的探索和研究。研究表明: 通过采用纤维增强热塑性材料的全塑车身、纤维增强集成地板以及铝制轻量化车身框架等技术，可以有效减轻新能源汽车的整车质量，使整车质量降至 850 kg( 包括电池) ，可改善新能源汽车的驾驶性能和行驶里程，并通过模块化旋塑模具实现全塑车身成型制造。 关键词: 超轻新能源汽车; 全塑车身; 塑化集成地板; 轻量化; 旋塑成型
    　汽车轻量化的目标是在保证汽车强度和安全性能的前提下，科学地降低车身整备质量，从而提高汽车的动力利用率，减少能源消耗，降低环境污染。目前汽车轻量化主要可通过采用形状轻量化(如采用发泡材料型芯的三明治结构)、材料轻量化(如纤维复合材料和镁铝合金材料)、制造轻量化(如内高压成型和整体构造成型)、设计轻量化(如结构虚拟仿真模拟分析)、功能轻量化(如功能集成和优化)综合运用来实现。
    质量轻的汽车意味着更高效的节能。新能源汽车轻量化主要从动力系统和车身系统进行突破。慕尼黑科技大学(TUM)联合研发的 Visio. M 轻量化概念新能源汽车采用 SABIC(saudibasicindustries corporation)研发的新型 PC(polycarbonate)材料车窗等技术成功地减轻车身质量;德国德累斯顿工业大学合作开发了一款纯电动 InEco 概念车，通过采用特殊的电驱系统以及高强度钢/CFＲP 复合车身材料，使整车总质量不到 900 kg 。
    北京化工大学高分子材料先进制造重点实验室，一直关注和深入采用高分子复合材料进行车身轻量化制造的相关研究，通过开发整体式全塑车身成型设备及工艺等相关技术，突破整体式全塑汽车车身一次成型的瓶颈，减少车身在生产过程的各部件和组件的数量，保证了车身的整体公差以及功能的高度集成化。如图1所示为用于成型全塑车身整体一次成型的大型穿梭式旋塑设备。
    1.集成化超轻新能源汽车
    超轻型新能源汽车采用成熟的电池和电机驱动技术，其关键技术主要体现在半承载式全塑车身以及车身成型设备的开发。全塑车身设计是新能源汽车轻量化设计的重要组成部分，与传统的汽车车身设计相比，全塑车身的设计是一个一体化、模块化、整体式的设计思路，同时实现功能与零部件的高度集成，从而减少零部件的数量，降低生产成本，实现车身轻量化的目标。超轻新能源汽车主要由驱动电池单元、行驶系统、转向系统、铝制车身框架、复合材料车身、塑化地板等组成，目前车身整备质量为850kg(包括电池)。超轻新能源汽车具体结构如图2所示。
    2.复合材料车身
    全塑车身的成型工艺是旋塑成型工艺，采用多次加料工艺，实现车身“实心+发泡+实心”的三明治强化效果。该车身为一次整体成型，采用的材料是纤维增强微分发泡材料，其优势在于:1)高分子复合材料相比金属材料，具有更好的产品设计自由度，以实现车身复杂的外观造型;2)减少在生产过程的各零部件数量和额外加装工序，保证车身的整体公差，节省新能源汽车组装时间。
    此外，在全塑车身的设计中，其安全性尤为重要，它必须保证车辆发生碰撞时尽可能地减少对行人和乘员的伤害。通过对全塑车身按照新能源汽车碰撞标准体系进行碰撞模拟分析，显示，车身发生了大的塑性变形，车身座舱发生较大侵入的缺陷。全塑车身碰撞模拟分析结果如图3所示。
    针对这一问题，笔者提出一种仿真结果非常好的合金6000系列铝制车身框架与复合材料车身组合使用的方案。由于铝制车身框架结构具有较高的刚性和延展性，以及良好的变形和能量吸收特性，可有效保证驾乘人员的碰撞安全;采用纤维增强材料的车身结构料具有弹性模量高、回弹效果好的优势，尤其当汽车低速行驶发生碰撞时，车身能有效地进行自行恢复。通过采用多材料的综合应用，新能源汽车实现了优势互补、协同增强的效果。全塑车身铝制框架复合结构如图4所示。
    3.集成化纤维增强热塑性地板
    热塑性地板与塑料车身和铝制框架通过通孔、孔槽和成型预埋金属件实现热塑性地板与塑料车身和铝制框架的连接，构成封闭的车身结构，共同传递工作载荷，并吸收和传递部分碰撞能量。为了让塑化地板具有高弯曲和高扭转刚度特性，塑化地板结构采用纤维增强热塑性材料，利用中央隧道结构和渐进式吻接结构来强化地板结构。
    集成化纤维增强热塑性地板是通过旋塑成型设备精密成型，加入纤维增强微分发泡材料，利用纵向、横向双轴带动模具旋转加热，使材料逐渐加热熔融并均匀涂覆于模具表面，通过空冷或水冷工艺冷却模具，最后开模实现集成化地板。超轻新能源汽车集成塑化地板总成如图5所示。
    4.大型全塑车身模块化旋塑模具
    新能源汽车全塑车身采用的是旋塑成型工艺。旋塑(滚塑)成型作为塑料成型工艺的一个重要分支，是一种热塑性塑料中空成型方法，它具有设备结构简单、模具制造成本低廉、适于加工大型制件、制品壁厚均匀且没有应力、原料利用率较高等优点，在近年来得到了较为迅速的发展。但由于全塑车身结构复杂，尺寸要求严格，车身表面的精度要求高，整体式模具设计加工困难，模具的加工维修成本高，使全塑汽车及其模具的加工制造难度大。鉴于此，文章提出一种大型复杂全塑车身模块化的旋塑模具的设计方法。旋塑模具如图6所示。
    该模块化的旋塑模具是根据所设计的汽车车身的功能、作用、位置、车身轮廓线、旋塑成型设计工艺对汽车车身进行模块化分块，形成模块化模具，各模块化模具通过模具架和夹紧装置紧固，脱模时按照各自脱模方向依次脱模。采用此方法加工制造的车身模具如7图所示。
    通过这种旋塑模具模块化分块组合设计的方法，可降低模具的制造难度，提高汽车车身塑化成型效率，同时保证车身局部特征的精度不因脱模而损害。
    5.结论
    2)超轻新能源汽车采用集成化的全塑车身结构，这不仅有效地降低了车身各部件和组件的数量，也最大限度地降低了额外制造成本和加工工序，保证新能源汽车的整体公差和功能。同时，由于塑料具有优越的可塑性，使超轻新能源汽车在外形设计上有更大的设计自由度，能达到理想的空气动力学要求。
    3)超轻新能源汽车在新材料，新结构，新工艺，新设备的研发下，绝大多数构件采用纤维复合材料加工成型，大幅降低了车身总体质量。并通过将高强度的铝制车身框架结构与超轻全塑车身的优势进行组合使用，实现了在发生撞击的情况下，超轻新能源汽车能够有效保障乘客单元的安全性。
    4)超轻新能源汽车全塑车身通过采用模块化旋塑模具实现车身成型制造，不仅降低了模具的制造难度，也提高了汽车车身塑化成型效率。