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探究新能源汽车的发展对铸造业的机遇与挑战论文
1 汽车在铸造业的地位
铸造是机械制造业毛坯和零件的主要供应者，在国民经济中占有及其重要的位置。目前，汽车行业已成为铸造业的一个重要客户，是铸造业发展的推动力，也是铸造业发展的晴雨表。汽车的零部件中，很大一部分是铸件，如：汽车发动机缸体、缸盖、变速箱壳体、曲轴、凸轮轴、活塞、车轮轮毂等。根据 2013 年的资料显示，各类行业铸件需求比例以汽车铸件为最多，达到26.5%。
一辆整车约有15%～20%的零件是通过铸造的方式得到的，因而汽车产量的不断提高也将加大对铸件的需求量。如图1.2，是我国2010-2014汽车的产量情况，从总体上看，汽车产量连年攀升，其中乘用车产量的提高是引起汽车总产量攀升的最重要的原因，并且乘用车的产量远大于商用车的产量。因此在铸件需求方面，乘用车所占比重会更大一些，并且有明显增长的态势。汽车零件大多是形状结构复杂、尺寸精度要求高、组织致密以及机械性能好的零件，压铸件则能很好的满足这些要求，因此在汽车中大量使用的铸件便是压铸件，近年来，美国用于汽车行业的压铸件占总量的 75%左右，而我国也将这一比例保持在 65%～75%之间(包括汽车与摩托车等交通工具)。由此可见，汽车业的发展必将在很大程度上影响铸造业的发展
2 新能源汽车发展现状及趋势
随着社会的不断发展与进步，环境、能源等一系列问题也日趋凸显。为应对可再生能源逐渐枯竭、气候变暖、雾霾等问题，世界各国汽车业发展的方向也逐渐由传统燃油汽车向新能源汽车转移。目前新能源汽车包括燃气汽车、燃料电池电动汽车、纯电动汽车、混合动力汽车、太阳能汽车等。在汽车领域，虽然国外传统燃油汽车的历史比中国悠久，但在新能源汽车方面，差别不大。
1974年，菲亚特推出一款混合动力汽车，填补了欧洲新能源汽车制造的空白。到 2008 年，国外众多汽车品牌，如日产，丰田、特斯拉、雪佛兰等都生产出了自己的具有一定市场价值的新能源汽车。并且欧美各国在新能源汽车发展上表现出了极大的兴趣，出台了众多鼓励政策。以德国为例，默克尔在 2014年 12 月再次强调 2020年德国电动车保有量突破 100 万辆大关的目标，也承诺不惜重金支持电动车的发展。我国在新能源汽车发展中，通过实施“863”计划，初步建立了“三纵三横”的研发布局和技术体系(如图2.1)，形成了新能源汽车技术标准和测试评价能力，部分产品已进行小批量生产和试运行。随着新能源汽车在国内越来越受到消费者的重视，其产销量也由 2012 年的 12500 辆和 12700 辆左右突破至2014 年的 7.85 万辆和 7.48 万辆。在 2014 广州车展上，为让消费者对新能源汽车有更全面的了解，专门设置了新能源汽车展厅。新能源汽车与传统汽车在动力系统方面存在着很大差别，如纯电动汽车动力系统总体上由动力电池和电动机两大部分构成，混合动力汽车则是由动力电池、电动机、发动机和发电机四个部分构成其动力系统，燃料电池汽车动力系统由燃料电池、电动机和储气罐构成，其各自的驱动装置和动力来源如表 2.1。新能源汽车与传统燃油汽车相比，关键零部件有一定差异。比如纯电动汽车，电池、电机和电控三大部件才是其核心部件，其成本占据电动汽车整车的 70%以上。在混合动力汽车上除了采用新能源标志性部件电动机等，还继续采用了传统燃油汽车的某些关键部件，如发动机、减速器、变速器等。在 2011 年 12 月的东京车展上，各生产厂商展出了很多应用于新能源汽车的零部件新技术[5]。如 NSK 轮毂电机，如图 2.2，就如轮内电机一样。其主要原理是在车轮处安装两个电机、两组行星齿轮和减速器来提高效率。丰田普锐斯是新能源汽车的典型代表，与其配套的混合动力变速器如图 2.3 所示，其外壳形状相对而言较复杂，使用铸造成型的方法更合适。随着能源危机，环境问题的不断加剧，新能源汽车的发展已是大势所趋。根据新能源汽车的动力系统的发展趋势，如图 2.4 所示，可以清楚的认识到，油电混合式动力汽车将会成为传统汽车向新能源汽车转变过程中最合适的过渡车型，而纯电动汽车以及燃料电池汽车的研制将会成为新能源汽车发展的长远目标
3 新能源汽车中铸造成型面临的挑战
3.1 新材料的使用
新能源汽车的发展给铸造业带来了发展的机遇，同时也给铸造业带来了巨大的挑战。新能源汽车大量使用新材料，如陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料、碳纤维、塑料玻璃等。复合材料在汽车中的应用主要有结构部件、车体部件、车内装饰等，其中先进复合材料在新能源汽车中的一个重要用途便是压缩天然气罐或储氢罐，天然气汽车(NGV)中多采用铝内胆缠绕碳纤维制成压缩天然气罐，使得汽车质量更轻。欧洲 EADS 等公司还用碳基或陶瓷基复合材料制成轮毂等部件。符合材料这些材料的运用很大程度上制约了铸造业的发展。因此，为使铸造业能在新能源汽车发展中立于不败之地，必定要在铸造成型工艺和材料等方面加大研究探索的力度，如加强对镁合金等易于铸造成型轻金属的研究，提高其在汽车运行过程中的使用性能，使镁合金铸件能够在众多新材料零件的激烈竞争中凸显优势。
3.2 其他成型技术的使用
新能源汽车的发展过程中，由于其部分零部件和结构等与传统燃油汽车有一定的差别，因此也相应地衍生出了其他的成型技术。另外，新能源汽车中碳纤维等复合材料的运用，也使得其他的成型工艺得到运用，如片状模塑料(Sheet Molding Compound，SMC)成型、树脂传递模塑(Resin Transfer Molding，RTM)成型以及缠绕(Winding Process)成型等。除一些已经得到运用的成型工艺对铸造技术的冲击之外，还有一些处于研发中的成型工艺也会或多或少的影响铸造技术在新能源汽车中的应用，如全塑车门一体化的成型的应用，其不仅能够减轻整车质量，还能得到美观适用的零件。再如滚塑整体成型电动车的车身，其为塑料在新能源汽车车身上提供了新思路。除此之外，还有如冲压、锻造等成型技术。因此，需加强对铸造成型技术的深入研究，改善优化铸件质量，提高铸件使用性能，从而抵抗来自其他成型零件的冲击。
4 新能源汽车给铸造带来的机遇
4.1 铸件轻量化
面对越来越严重的能源问题，汽车行业也不得不寻找新的方法实现节能减排，其中，汽车轻量化便是实现节能减排的一个重要措施。根据已有资料表明，汽车自重每减少 10%，燃油消耗可减少 6%～8%，车体质量每减少 30%，行驶里程可增加 33%。而对于新能源汽车，其在动力方面与传统燃油汽车相比还存在一点不足，因此减轻整车质量对于新能源汽车而言更加有意义。汽车中很多零部件都是经过铸造成型的方式得到的，因此，铸件质量能够减轻，在很大程度上便能减轻整车质量。就目前而言，镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，其密度小，是铝的 2/3，钢的1/4，并且具有很好的铸造性能。随着汽车行业轻量化的需求与日俱增，镁合金铸件在汽车上的应用也显示出长期增长的态势，如汽车零部件中的脚踏板、方向盘、增压器壳体、传动箱罩盖、轮毂等。除了运用轻质材料，还应注重提高材料的性能，使单位质量的零件能够承受更大的载荷。如东风汽车公司运用等温淬火球墨铸铁生产的零件替代铸钢件，得到了令人满意的轻量化效果，如表 4.1。在实际生产过程中也可运用此工艺生产某些铸件用于新能源汽车。与传统燃油汽车相比，新能源汽车轻量化的要求更加迫切，对于电动车而言，一次充电后行驶里程要长，而整车轻量化后则可以很好的实现长距离行驶，据悉，整车质量减少 30%，行驶里程则会增加 33%左右。因此，铸件向轻量化方向发展，将有利于巩固铸造技术在汽车行业的地位
4.2 铸件一体化
随着新材料的运用和铸造技术的不断发展，以及节能减排降低成本等要求不断增加，通过合理的设计和结构优化，汽车中使用的诸多零部件便可以采用集成铸造成型的方式得到，这可以有效的减轻铸件的质量和减少不必要的加工工艺过程，如一汽集团开发了一体化的桥壳，此种桥壳便可以应用在新能源城市公交车上，从而提高城市公交车的安全性。汽车上的其他部件，如车门内板、座椅骨架、仪表盘骨架、前端框架等，同样可以先集成设计，再运用高压铸造的方式生产出来。通过集成化铸造的方式，不仅可以得到复杂而理想且质量相对较轻的零件，还能得到壁厚、应力分布均匀，工作可靠的零件。新能源汽车的发展，不仅在动力方面有要求，在安全方面同样要求很高，因此，通过集成化铸造成型的方式所得的零件，将有利于新能源汽车的发展。
4.3 铸件附加值提高
不论是传统燃油汽车还是新能源汽车都需要用到铸造成型技术生产的零件。根据 2013 年的数据显示，我国铸件出口均价由 2012 年的1502 美元/吨提高到 1616 美元/吨，由此可以看出我国铸件产品的附加值得到了提高。对于铸件需求较大的汽车行业，其对铸件的附加值要求也与日俱增。通过合理的生产工艺生产高附加值的汽车铸件，是汽车铸件制造企业长久发展的保证。新能源汽车在动力系统方面与传统燃油汽车有一定的差别，从而导致一些关键零部件结构和功能上的不同。比如新能源汽车的变速器行星齿轮，如图 4.1，其在功能上与传统的变速器相比明显简化，但其在结构上却要求在离合器壳体中布置行星结构，从而实现无级变速。若要实现这种设计，就得保证变速器中的齿轮结构的质量，提高齿轮的尺寸精度以及内部质量才能很好的实现汽车安全平稳的运行和加速。铸造产品市场日益激烈的竞争以及国外高附加值铸件的冲击，迫切要求我国铸造业生产高附加值铸件，而新能源汽车的大力发展，更如助推器，促使铸造业向生产高附加值铸件方向发展。
5 总结与展望
新能源汽车的高速发展，犹如一缕春风吹向了铸造业，给铸造业带来了发展的机遇，促使铸造成型技术向轻量化、集成化发展。同时也给铸造行业的发展带来了挑战，不仅要面对新材料成型的零件的冲击，还要面对其他成型技术制造的零件的竞争。因此，汽车铸造行业需加强高端铸造成型技术的研究，探索新的铸造工艺和新材料，制定新的标准，积极促进汽车铸件企业向规模化、专业化、自动化方向发展，通过结构和功能优化、外部尺寸精度提高和内部质量提高等方面提高汽车铸件附加值，同时也要求企业在生产过程中加强节能减排，真正实现从生产到使用都符合新能源汽车发展的理念。
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