淺談汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化

欒子軍 林超

摘要：輕量化技術(shù)已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要研究課題之一，如何評(píng)價(jià)汽車輕量化水平已引起了汽車行業(yè)的廣泛關(guān)注，文章主要對(duì)國(guó)內(nèi)的主流的汽車輕量化評(píng)價(jià)指標(biāo)作了詳細(xì)論述。本文就對(duì)汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：汽車車身；結(jié)構(gòu)；輕量化

引言

車身的輕量化設(shè)計(jì)，可以保證車身具有良好的剛度性能和均勻合理的受力分布，提高材料的利用率。在保證汽車安全性的前提下，實(shí)現(xiàn)汽車車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，從燃油經(jīng)濟(jì)性角度看有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1汽車車身輕量化的意義

汽車車身輕量化的目的是在確保零部件的強(qiáng)度、剛度的前提下，減輕車身的質(zhì)量，達(dá)到使整車的整備質(zhì)量降低，以改善汽車的有關(guān)性能。

據(jù)有關(guān)研究資料表明，白車身和車身附件的質(zhì)量之和幾乎占了轎車整備質(zhì)量的一半，客車車身質(zhì)量約占汽車總質(zhì)量的30%～40%?？梢?jiàn)，如使車身質(zhì)量降下來(lái)，可節(jié)約大量鋼材及其他原材料，使車身或汽車的制造成本大幅度下降。由于車身質(zhì)量減輕，作用到懸置及動(dòng)力系統(tǒng)上的載荷會(huì)相應(yīng)減小，從而使有關(guān)總成受力情況得到改善。如果使整車質(zhì)量減小10%，則燃油消耗就可以降低8%左右，這將大大節(jié)約燃料，同時(shí)可使汽車動(dòng)力性得到提高。

2實(shí)現(xiàn)車身輕量化的途徑

綜上所述，車身輕量化對(duì)汽車性能的提高及整車質(zhì)量具有舉足輕重的作用，已成為新車開(kāi)發(fā)中最重要的課題之一。

2.1選擇合理的總布置

總布置設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)汽車車身的輕量化產(chǎn)生重大影響。對(duì)于同噸位的貨車，如果選用平頭布置形式代替長(zhǎng)頭布置形式，使整車的軸距與總長(zhǎng)縮短，從而可使車身的質(zhì)量得以減輕；客車設(shè)計(jì)時(shí)，如采用承載式車身，則可省去笨重的車架而使車身質(zhì)量減輕；在轎車設(shè)計(jì)中，若選用發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)的布置方式，則長(zhǎng)的傳動(dòng)軸及車身地板的中間凸起可以取消，也能使車身達(dá)到較好的輕量化效果。

2.2采用合理的汽車造型

據(jù)統(tǒng)計(jì)，車身外板件約占車身總質(zhì)量的20%，因此合理的外形是車身輕量化的重要因素。以20世紀(jì)50年代紅旗轎車CA72型和60年代的CA70型兩種車型的前部造型為例，CA72型的前部采用燈筒形前翼子板與前照燈的造型，這對(duì)減小空氣阻力和質(zhì)量都不會(huì)產(chǎn)生好的效果；而新型紅旗轎車采用表面光滑鏈接，減少了板料的使用量，得到了輕量化的效果。

2.3縮小整車尺寸

在不影響車內(nèi)乘員活動(dòng)空間的前提下，利用人機(jī)工程學(xué)原理，詳細(xì)檢驗(yàn)乘員與周圍車身結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、座椅、前擋風(fēng)玻璃等相互位置關(guān)系，在滿足法規(guī)要求的情況下，盡量縮小整車的外形尺寸，以達(dá)到車身輕量化的目的。例如，我國(guó)紅旗轎車把車身外形尺寸逐漸縮小，CA772的長(zhǎng)、寬、高由5740×2000×1670（mm），縮小至CA750的長(zhǎng)、寬、高為4754×1860×1441（mm），從而使車身質(zhì)量減少了150～200kg。

2.4盡可能將板件設(shè)計(jì)成大型沖壓件

將車身的板件進(jìn)行合理分塊，盡可能將板件設(shè)計(jì)成大型沖壓件。這樣可以免去小件焊接時(shí)的重疊部分以及為焊接而采用的較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)；同時(shí)大型零件便于采用拉深的沖壓方法制造；而且還可提高零件的剛性，從而達(dá)到輕量化的目的。

2.5選擇合適的輕質(zhì)材料制造車身

采用輕質(zhì)材料代替低碳鋼板是車身輕量化的重要途徑，現(xiàn)在使用較多的輕質(zhì)材料有高強(qiáng)度鋼板、鋁、塑料、復(fù)合材料等。一是高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用。用高強(qiáng)度鋼板取代普通結(jié)構(gòu)鋼能使一些零件的質(zhì)量平均減少10%～25%，甚至在某些情況下可減少50%，減輕車身質(zhì)量約10%以上。據(jù)有關(guān)資料介紹，美國(guó)汽車用高強(qiáng)度板來(lái)制造車身骨架已很普遍，約占全部薄鋼板用量的50%～85%，車身質(zhì)量約減輕10%以上。二是鋁材的應(yīng)用。鋁合金的優(yōu)點(diǎn)是密度小、耐腐蝕且質(zhì)量輕。有時(shí)為了使鋁零件達(dá)到與鋼鐵同樣的強(qiáng)度和剛度，必須使零件加厚，但即使零件加厚以后，仍比同樣的鋼制零件質(zhì)量小30%～50%。車身零件制造可選用鋁合金板材、型材和采用壓鑄或鍛造方法。鋁合金制造的難點(diǎn)是焊接性能差，因此設(shè)計(jì)鋁合金車身時(shí)要盡量減少焊接工作量和焊縫長(zhǎng)度。近年來(lái)，鋁制車身零部件的數(shù)量不斷增加，如奧迪A8的全鋁車身，采用了100多根鋁型材構(gòu)成骨架，骨架之間的連接采用壓鑄鋁件而避免焊接，覆蓋件采用鋁板相互焊接、粘合或鑲嵌而成。該車身可減輕重量35%，而扭轉(zhuǎn)剛度則增加50%。當(dāng)然，鋁制車身的缺點(diǎn)除焊接性能差外，其車身的碰撞安全性問(wèn)題也有待研究提高。三是塑料的應(yīng)用。由于塑料質(zhì)量輕，造型方便，工藝簡(jiǎn)單，易于成形和著色，且具有隔熱、隔聲、耐腐蝕、耐沖擊等特性，作為輕量化材料，其使用量在急劇增加。目前，用塑料來(lái)制作車身零部件已成為減小質(zhì)量、降低油耗、提高汽車動(dòng)力性的主要方式之一。例如，奔馳公司某車型塑料用量為110kg；奧迪公司的Audi100III型塑料用量為140kg；我國(guó)EQ240型貨車非金屬材料用料的總質(zhì)量已達(dá)536kg，占汽車自身質(zhì)量的12.5%。此外，塑料用于汽車車身可大大減少焊接點(diǎn)并改善裝配工藝，充分顯示了塑料的優(yōu)越性。塑料的缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度低、耐熱性差、低溫脆性大、易老化等，但通過(guò)采取共聚、共混、填充、增強(qiáng)、滲入各種助劑等方法，可使其性能得到改善。因此，在汽車上應(yīng)用塑料及其復(fù)合材料，已成為實(shí)現(xiàn)車身輕量化的重要途徑。

2.6采用CAD/CAE/CAM現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

除了采用輕質(zhì)材料與合理的車身零配件外，還可采用CAD/CAE/CAM現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法來(lái)減輕車身的質(zhì)量。可采用結(jié)構(gòu)分析方法，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力性能，充分利用材料強(qiáng)度提高結(jié)構(gòu)剛度，使車身有關(guān)零件的厚度薄壁化，體積小型化，以消除應(yīng)力分布的不均性以及局部應(yīng)力集中等現(xiàn)象，并以此為依據(jù)，改變結(jié)構(gòu)的布置或改變結(jié)構(gòu)的截面形狀來(lái)調(diào)節(jié)車身的剛度分配，以改善結(jié)構(gòu)整體抵抗變形的能力和局部的變形分布，從而達(dá)到既減輕車身質(zhì)量又經(jīng)濟(jì)合理的目的。

3車身輕量化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

車身設(shè)計(jì)輕量化必須以不損害其他性能，如振動(dòng)、壽命、強(qiáng)度和安全等要求為前提。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，汽車安全法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格。要使汽車既達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)又實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，就必須充分利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，采用有限元等方法對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行仔細(xì)分析，同時(shí)充分利用新型材料，以解決安全性與輕量化之間的矛盾。在實(shí)現(xiàn)車身輕量化的同時(shí)還應(yīng)注意車身防腐蝕問(wèn)題。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用難以腐蝕的結(jié)構(gòu)或在結(jié)構(gòu)中涂以石蠟、聚乙烯等防腐蝕材料，這要與輕量化設(shè)計(jì)綜合考慮。在使用防振、隔聲材料時(shí)，應(yīng)選擇質(zhì)量輕、效果好的材料。即使在進(jìn)行舒適性設(shè)計(jì)和環(huán)保設(shè)計(jì)過(guò)程中，也應(yīng)考慮影響輕量化的綜合因素。

4結(jié)束語(yǔ)

汽車輕量化推動(dòng)了汽車制造業(yè)在成形加工和連接技術(shù)上不斷創(chuàng)新。隨著輕量化技術(shù)的發(fā)展，在材料、工藝、設(shè)計(jì)等方面已逐漸成熟。針對(duì)不同的產(chǎn)品，材料、工藝的混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即同一總成的零件可由不同材料制造，以實(shí)現(xiàn)所用的材料與零件功能最佳組合，成為未來(lái)汽車設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬東輝，馬少康，閆祿平.電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與輕量化策略[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018（10）：6-8+21.

[2]趙賢珠.以輕量化為目標(biāo)的汽車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法綜述[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（19）：87+89.

[3]王騫，劉軍，張亞軍，謝書(shū)港.基于側(cè)面碰撞安全性的電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車技術(shù)，2017（02）：44-50.