車身輕量化與鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)技術(shù)分析

戴云鵬 姜慧波 覃毅良

（福建省汽車工業(yè)集團(tuán)云度新能源汽車股份有限公司，莆田 351100）

車身輕量化與鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)技術(shù)分析

戴云鵬 姜慧波 覃毅良

（福建省汽車工業(yè)集團(tuán)云度新能源汽車股份有限公司，莆田 351100）

隨著人們汽車保有量的不斷增加，對(duì)汽車的性能、質(zhì)量、安全等也提出了更高要求。其中，車身輕量化、鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)是當(dāng)前汽車發(fā)展的主要方向。基于此，本文主要對(duì)車身輕量化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)技術(shù)未來的發(fā)展進(jìn)行分析和探討，以期推動(dòng)汽車工業(yè)的更大發(fā)展與進(jìn)步。

車身輕量化 鋼鋁一體化 結(jié)構(gòu)技術(shù)

引言

在當(dāng)前汽車工業(yè)的發(fā)展中，對(duì)于環(huán)境污染的降低和資源能源的節(jié)約十分關(guān)注。其中，這些參數(shù)指標(biāo)與汽車車身的重量有著直接聯(lián)系。如果將汽車車身減重10%，能夠節(jié)省6%到8%的油耗。因此，車身輕量化成為未來汽車的主要發(fā)展方向。而為了實(shí)現(xiàn)這一目的，可以對(duì)質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高的材料進(jìn)行應(yīng)用，也可對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì)。其中，鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)技術(shù)是一項(xiàng)較為先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)于車身輕量化發(fā)展十分有幫助。

1 車身輕量化技術(shù)

1.1 新材料

在當(dāng)前的汽車中，主要的材料包括玻璃、陶瓷、復(fù)合材料、鋁、塑料、鑄鐵、鋼等。在車身輕量化技術(shù)中，應(yīng)采用新型材料實(shí)現(xiàn)車身重量的減輕。當(dāng)前，很多汽車企業(yè)已經(jīng)研制和應(yīng)用了新型鋼板，即增加鋼板強(qiáng)度，降低鋼板厚度。高強(qiáng)度新型鋼的應(yīng)用，能夠有效降低振動(dòng)、噪聲，提升汽車的燃油效率和安全性，使汽車重量降低[1]。鋁及其合金材料的重量要輕于鋼60%左右，在碰撞中能夠多吸收50%的能量，且不需要進(jìn)行防銹處理，因而在車身輕量化技術(shù)中得到了更廣泛的應(yīng)用。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在車身結(jié)構(gòu)方面，空間框架式結(jié)構(gòu)、無骨架式結(jié)構(gòu)是主要的發(fā)展方向。目前，大多采用了鋁擠壓型材。采用車身空間框架式結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用改進(jìn)斷面形式，使得車身重量降低了47%，車身抗扭抗彎能力也提升了13%。例如，在奧迪A8系列車型中，采用鋁合金空間框架結(jié)構(gòu)，極大降低了車身重量，同時(shí)提升了碰撞安全性。另外，可以通過減少零部件的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)車身輕量化。在一些車型中，將數(shù)百個(gè)零部件減到100個(gè)以下，可實(shí)現(xiàn)30%左右的減重。同時(shí)，在減少零部件連接的同時(shí)，提升了車身的剛度。

1.3 制造工藝和成型技術(shù)

在當(dāng)前的車身輕量化技術(shù)中，對(duì)使用的復(fù)合材料、塑料、鎂鋁合金的高強(qiáng)度輕型材料中，可采用半固態(tài)成型、液壓成型、拼焊板成形等成型技術(shù)。在車身制造中，采用塑料中空成型技術(shù)、關(guān)鍵液壓成型技術(shù)、內(nèi)高壓成型技術(shù)等車身制造工藝，能夠優(yōu)化車身的壁厚和斷面，從而提升局部硬度、剛度、強(qiáng)度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)車身的輕量化[2]。同時(shí)，還具有良好的靈活性、成型自由性等特點(diǎn)。制造工藝和成型技術(shù)的不斷發(fā)展，促進(jìn)了車身表面平整化、車身構(gòu)件大型化，降低了車身結(jié)構(gòu)件數(shù)量，對(duì)于車身輕量化有著重要意義。

2 鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)技術(shù)

2.1 電化學(xué)腐蝕

在鋼和鋁之間，電化學(xué)效能不同，因此存在較大的電極電位。所以，在鋼鋁一體化連接中，很容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕的情況，如應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕、膏狀腐蝕、絲狀腐蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕等。如果采用鉚接工藝，在鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)中將會(huì)造成更為嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。

2.2 成型工藝技術(shù)

對(duì)于應(yīng)用成型過程中存在的沖壓件性能參數(shù)變化、殘余應(yīng)力等問題，可采用相應(yīng)的技術(shù)進(jìn)行處理[3]?，F(xiàn)代汽車的零部件、儀表板裝飾、輪圈、擋泥板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車門、發(fā)動(dòng)機(jī)等部分，都廣泛采用了鋁。在鋁及其合金材料自身的力學(xué)性能來看，車身制造中，其成型性能仍然存在一定的問題。對(duì)此，可以將鋁合金板的成型溫度提升，從而優(yōu)化其成型性能。

2.3 鋼鋁連接技術(shù)

目前，車身主要承載構(gòu)件都是空間薄壁梁結(jié)構(gòu)。在鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)中，也采用了這種結(jié)構(gòu)。在復(fù)合材料車身中，難以利用傳統(tǒng)的點(diǎn)焊完成材料的連接，因此需要采用現(xiàn)代化的連接技術(shù)。在鋼鋁連接技術(shù)中，通常采用冷沖壓成型工藝對(duì)車身覆蓋件、骨架等進(jìn)行加工制造。這種工藝具有很多方面的優(yōu)勢(shì)，如成本低、互換性好、效率高等。在車身連接中，主要采用有機(jī)械連接、粘接、焊接等。

在鋼鋁一體化車身結(jié)構(gòu)中，有很多種焊接種類，如等離子電弧焊、攪拌摩擦焊、激光焊、電弧焊、電阻電焊等。粘結(jié)連接，在鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛。運(yùn)用鋼鋁一體化技術(shù)，利用鋼鋁結(jié)合替換的位置，替換后車身的動(dòng)態(tài)特性、剛度、強(qiáng)度等，都得到了較為良好的提升。例如，福特、本田、美洲豹等一些車型，都采用了這種連接技術(shù)。此外，在鋼鋁連接技術(shù)的運(yùn)用過程中，應(yīng)當(dāng)注重對(duì)具有良好耐腐蝕性的鋼板進(jìn)行選擇，要對(duì)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件、緊固件等進(jìn)行有效的防腐處理，更要采用科學(xué)的連接方式和涂裝工藝。

2.4 輕量化車身技術(shù)

基于傳統(tǒng)的車身骨架鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，采用鋁及合金材料制作組件或構(gòu)件，根據(jù)性能模擬、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方式，對(duì)鋁代鋼和鋼鋁的比例加以確定，從而提高車身的力學(xué)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)車身的輕量化[4]。對(duì)此，可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行CAE分析，明確車身整體性能中受到斷面結(jié)構(gòu)、連接方法、鋼鋁部位、鋼鋁比例等方面因素的影響。綜合各方面的影響因素及條件，對(duì)最佳的方案進(jìn)行確定。

3 結(jié)論

汽車是當(dāng)前社會(huì)中一種十分重要的交通工具，是人們?nèi)粘３鲂兄械氖滓x擇。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，越來越多的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于汽車制造。為了提高汽車的整體性能與質(zhì)量，車身輕量化和鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)揮了重要作用。利用該技術(shù)能夠有效降低車身重量，提升車身堅(jiān)固性，降低燃油消耗?？梢姡ㄟ^運(yùn)用新型材料和結(jié)構(gòu)成型技術(shù)，對(duì)于現(xiàn)代汽車的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用。

[1]鐘長藝，余本善.鋼鋁一體化車身框架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)及最新進(jìn)展[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012，（1）：251-253.

[2]胡群林，溫秀海，陳曉鋒.汽車車身輕量化發(fā)展方向探討[J].成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2014，（4）：38-45.

[3]龍江啟，袁章平，符興鋒，周斯加.基于正面碰撞安全性的增程式純電動(dòng)汽車車身輕量化研究[J].汽車工程，2015，（4）：466-471.

[4]李奇，張勇，張成，周莎.靈敏度分析的客車車身模塊重構(gòu)與結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，（4）：377-382.

The Technology Analysis of Light Weight and Steel Aluminum Integrated Structure

DAI Yunpeng, JIANG Huibo, TAN Yiliang
(Fujian automobile industry group, new energy vehicle Limited by Share Ltd, Putian 351100)

With the continuous increase in the amount of car ownership, the performance, quality and safety of the car also put forward higher requirements. Among them, the light weight of the body, steel and aluminum integrated structure is the main direction of the current development of the car. Based on this, this paper mainly analyzes and discusses the development status of lightweight technology and the future development of steel and aluminum integrated structure technology, in order to promote the development and progress of the automobile industry.

body weight, steel and aluminum integration, structural technology