淺談汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化

段少勇

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 楊凌 712100）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，汽車已一躍成為當(dāng)前極為重要的交通運(yùn)輸工具。從全世界范圍來(lái)看，目前還找不出一個(gè)無(wú)汽車的現(xiàn)代化社會(huì)的先例。因此，汽車工業(yè)在帶動(dòng)其他各行各業(yè)的發(fā)展中，已日益顯示出其作為重要支柱產(chǎn)業(yè)的作用。

在擴(kuò)大汽車的服務(wù)領(lǐng)域和滿足各方面多樣化要求的前提下，作為汽車上三大總成之一的車身，已后來(lái)居上越來(lái)越處于主導(dǎo)地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，客車、轎車和多數(shù)專用汽車車身的質(zhì)量約占整車自身質(zhì)量的40%～60%；貨車車身質(zhì)量約占整車自身質(zhì)量的16%～30%；其各車型的車身占整車制造成本的百分比甚至還略超過(guò)以上給出的上限值。因此，僅從這個(gè)意義上來(lái)衡量汽車車身，其經(jīng)濟(jì)效益也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩大總成。

如果從節(jié)能、節(jié)材等幾方面來(lái)考慮，則其潛力更大。此外，縱觀國(guó)內(nèi)、外車身制造和裝配等工藝流程，不難發(fā)現(xiàn)，盡管隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，吸取了大量的尖端技術(shù)，機(jī)械化和自動(dòng)化程度很高，但是仍有兩化無(wú)能為力而又必須由手工操作來(lái)完成的部分（特別是車身的內(nèi)、外裝飾和附件的裝配）。

1 汽車輕量化技術(shù)應(yīng)用的必要性

汽車輕量化對(duì)于節(jié)約能源、減少?gòu)U氣排放十分重要。而在駕駛方面，汽車輕量化后其加速性能也將得到提高，而在碰撞時(shí)由于慣性小，制動(dòng)距離也將減少，便于主動(dòng)安全控制。

縱觀世界汽車工業(yè)沿革，可以看出，現(xiàn)代汽車是沿著“底盤”→“發(fā)動(dòng)機(jī)”→“車身”逐步發(fā)展完善過(guò)來(lái)的。這個(gè)發(fā)展過(guò)程在很大程度上取決于當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平和物質(zhì)生活條件。由于汽車與人們的日常生活息息相關(guān)，為了適應(yīng)各種不同的目的和用途乃至車身的更新?lián)Q代等，其關(guān)鍵在于車身。

國(guó)內(nèi)外汽車生產(chǎn)的實(shí)踐一再表明：整車生產(chǎn)能力的發(fā)展取決于車身的生產(chǎn)能力；汽車的更新?lián)Q代在很大程度上也決定于車身；在基本車型達(dá)到飽和的情況下，只有依賴車身改型或改裝才能打開銷路。凡此等等都足以說(shuō)明，汽車工業(yè)發(fā)展到今天成為重要的支柱產(chǎn)業(yè)，而重中之重則非車身莫屬。

2 汽車輕量化的效果

汽車輕量化的主要目的是降低油耗。如圖1所示，車輛行駛的燃油消耗量與車輛質(zhì)量的關(guān)系。一般情況下，對(duì)于1000kg自重的轎車，車輛質(zhì)量減輕8%，可降低油耗約10%以上。

圖1 車輛行駛油耗與質(zhì)量的關(guān)系

另外，世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)的報(bào)告指出：整車質(zhì)量每減少100KG，其百公里油耗可節(jié)降低0.4-1.0L，每公里二氧化碳排放也將相應(yīng)減少7.5克到12.5克。而車身質(zhì)量占整車質(zhì)量的1/3，空載情況下，約70%的油耗用在車身質(zhì)量上。這意味著：只要通過(guò)科學(xué)的方式，將車身輕量化后，就可以有效減少燃油消耗。

3 車身輕量化的意義

表1所示為1300cc級(jí)FF布置轎車的質(zhì)量分布情況。一般轎車車身的質(zhì)量（包括白車身和車身裝備件）約占整車質(zhì)量的一半，僅白車身就達(dá)20%以上，可見(jiàn)，車身質(zhì)量的降低對(duì)整車質(zhì)量的降低影響很大。另一方面，車身質(zhì)量的降低，可以改善懸架和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷，從而可以相應(yīng)地減輕該部分的質(zhì)量，有利于整車輕量化。

表1 1300cc級(jí)轎車質(zhì)量分布

4 車身輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)

車身輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)主要表現(xiàn)在車身構(gòu)造輕量化技術(shù)和采用輕量化車身材料。圖2所示為車身構(gòu)造輕量化技術(shù)的主要措施。

圖2 車身構(gòu)造輕量化技術(shù)措施

4.1 車身結(jié)構(gòu)合理化

過(guò)去的轎車車身結(jié)構(gòu)多采用有車架非承載式車身，不利于車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代轎車車身使用承載式結(jié)構(gòu)，將沖壓成形的薄鋼板構(gòu)件通過(guò)數(shù)千點(diǎn)的點(diǎn)焊連接組合成高剛性的承載殼體，是車身輕量化合理的結(jié)構(gòu)型式。最近車身構(gòu)件組合采用焊接和粘接并用的方式，這種車身組合方式有利于提高車體的剛性，減薄構(gòu)件板厚，提高輕量化水平。

4.2 車身尺寸小型化和驅(qū)動(dòng)方式FF化

現(xiàn)代轎車廣泛采用FF化驅(qū)動(dòng)方式，約占70%以上的轎車產(chǎn)品。FF化車身的最大優(yōu)點(diǎn)在于：

a）地板通道減小，室內(nèi)空間增大；

b）后地板下降，后座空間增大；

c）油箱布置位置更加合理，有利于碰撞安全性提高。

由于FF化驅(qū)動(dòng)方式的車身室內(nèi)空間得到改善，有利于外形尺寸進(jìn)一步設(shè)計(jì)小型化，從而提高設(shè)計(jì)的輕量化水平。

總之，車身尺寸小型化和驅(qū)動(dòng)方式FF化設(shè)計(jì)技術(shù)，都是在確保乘員空間的前提下，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的有效措施。由于現(xiàn)代轎車車身布置設(shè)計(jì)已非常成熟，采用此兩種方法進(jìn)一步減輕車身質(zhì)量，其效果是有限的。

4.3 減去車身部件上多余的質(zhì)量

車身上的部件，特別是內(nèi)板、加強(qiáng)板等，在滿足剛度和強(qiáng)度要求的前提下，減去多余的質(zhì)量，如采用減輕質(zhì)量的空穴，切去托架類構(gòu)件的端角，梁構(gòu)件形狀最佳化設(shè)計(jì)等方法，能實(shí)現(xiàn)部分部件的輕量化。應(yīng)用有限元解析法分析計(jì)算各部件的結(jié)構(gòu)特性，會(huì)取得良好的輕量化效果。

4.4 車身部件整體化、大型化

車身部件整體化、大型化設(shè)計(jì)能減少部件的數(shù)量，避免由于焊接等因素造成的部件剛度和強(qiáng)度的下降，從而實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)要求，并可省去一些不必要的構(gòu)件。

4.5 部件尺寸緊湊化和板厚減薄化

采用機(jī)械性能好的鋼板材料，如高強(qiáng)度鋼板和表面處理鋼板等，在滿足構(gòu)件功能要求，如剛度、強(qiáng)度、防腐、結(jié)構(gòu)裝配等條件下，使部件尺寸減小，或減薄板厚，從而達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。但是，在輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)振動(dòng)、噪聲等方面的影響。

4.6 采用輕量化的車身材料

車身設(shè)計(jì)采用輕量化材料是車身輕量化設(shè)計(jì)的主流，能帶來(lái)明顯的輕量化效果。其研究有兩種方法：

① 通過(guò)采用低密度的輕質(zhì)材料（如塑料、輕合金等）代替高密度的鋼板材料，實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)輕量化；

表2所示，車身外板采用鋼板、鋁合金板、樹脂板材料的特性比較，及等剛性條件下的板厚比和輕量化率。可見(jiàn)，在外板形狀不變的情況下，講采用0.7mm厚的鋼板換成1.0mm厚的鋁合金板，或3.5mm厚的PPO/PA樹脂板，可分別實(shí)現(xiàn)輕量化50%或30%。

表2

表3所示為轎車發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板和前翼子板采用鋁合金板厚的輕量化率。

表3

②通過(guò)采用高強(qiáng)度鋼板代替普通鋼板，由于能減薄板厚，從而達(dá)到輕量化目的。如將0.7mm厚的鋼板件減薄至0.6mm，可實(shí)現(xiàn)輕量化15%。

在現(xiàn)有的中級(jí)車市場(chǎng)中，睿翼、邁騰等車型都是車輛輕量化設(shè)計(jì)的代表產(chǎn)品。以德系車邁騰為例，這款車采用了HSB超高強(qiáng)度車身結(jié)構(gòu)，74%采用了高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼板，其中16%為強(qiáng)度更高的輕質(zhì)熱成型鋼板，每平方厘米可以承受10噸以上的壓力而不變形。所以邁騰并不是依賴于厚重的鋼板去贏得高安全性的，而靠的是超強(qiáng)剛性和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)車身。

5 安全與車身薄厚輕重沒(méi)有絕對(duì)關(guān)系

專家表示，車輛的安全性能與車身的薄厚沒(méi)有絕對(duì)關(guān)系，因此車的安全性能不能簡(jiǎn)單地由車身的薄厚來(lái)衡量。車身整備質(zhì)量越重，并不能代表車身剛度就越高。相反那些采用新技術(shù)新材料的車型，其車身強(qiáng)度與安全性并不亞于那些整備質(zhì)量重的車型。事實(shí)上，汽車的安全性對(duì)于不同部位有不同要求。比如沒(méi)有緩沖區(qū)的左右兩側(cè)，必須通過(guò)碰撞鋼梁等剛性車身來(lái)提高安全性。而對(duì)于有緩沖區(qū)的前后部分，保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)、行李箱的吸能更加重要。

現(xiàn)代轎車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將輕量化、高剛度和高強(qiáng)度、安全性、新材料應(yīng)用、耐腐蝕性、舒適性等性能特征作為車身技術(shù)發(fā)展方向已充分體現(xiàn)在汽車產(chǎn)品中，而應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解析分析，解決車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、噪聲等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，以及采用高強(qiáng)度鋼板、表面處理鋼板和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造車身，是現(xiàn)代轎車車身開發(fā)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段之一。

［1］吳亞良.現(xiàn)代轎車車身設(shè)計(jì)[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1999(3).

［2］樂(lè)玉漢.轎車車身設(shè)計(jì)[M].高等教育出版社,2000(7).

［3］黃金陵.汽車車身設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007(9).

［4］黃天澤，黃金陵.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2006(8).