車身輕量化實現(xiàn)的思路及途徑

慕溫周，楊人杰，朱珍厚（韓），張 劍，羅艷路，呂 順

（北京現(xiàn)代汽車有限公司滄州分公司生產(chǎn)技術(shù)部車身工藝科，河北 滄州 061000）

1 車身輕量化的意義和必要性

1.1 減少尾氣排放，滿足法規(guī)要求

截至2016年，中國汽車保有量已近2億輛，全國機動車排放污染物達4547萬噸，汽車尾氣已成為中國空氣污染的重要來源，也是造成灰霾、光化學煙霧等污染的重要原因。實驗顯示，汽車質(zhì)量每減少100kg，百公里將減少500～800 g污染物排放。所以車身輕量化是減少尾氣排放、保護環(huán)境的有效手段。

同時，以美國、歐盟、日本、中國為代表的汽車大國都在不斷制定和完善汽車排放標準，如美國的《大氣凈化法案》、歐盟的歐IV標準、中國的《輕型汽車排氣污染物排放標準》等法規(guī)。面對日益嚴格的排放法規(guī)要求，車身輕量化勢在必行。

1.2 降低油耗，提高產(chǎn)品競爭力

研究表明，若整車質(zhì)量減輕100 kg，則百公里油耗可減少0.2～0.8 L，約4.5%左右，車身質(zhì)量與油耗的關(guān)系如圖1所示。隨著人們環(huán)保和節(jié)約意識的提高，車身輕量化能夠有效提升品牌形象和產(chǎn)品的市場競爭力。

圖1 車身質(zhì)量與油耗的關(guān)系

1.3 提升車輛操控及安全性能

車身輕量化能夠直接提高汽車的比功率，提升汽車反應速度、路感反饋，降低運動慣性，從而提升了汽車的操控性能。同時，隨著車身質(zhì)量減低，加速和制動距離更短，在規(guī)避安全事故的發(fā)生起到不小的作用。一臺輕盈的車在意外狀況下，更能夠借助汽車的制動系統(tǒng)和其他主動安全系統(tǒng)，避免意外的發(fā)生。

被動安全方面，汽車在碰撞時所產(chǎn)生的沖擊能量與汽車的質(zhì)量成正比。在同等條件下，車身質(zhì)量越輕碰撞時的沖擊能量越小，對汽車、車內(nèi)人員及行人造成的沖擊力也越小。

由于車身輕量化在減少環(huán)境污染、降低油耗及安全性方面意義重大，所以車身輕量化是未來汽車設(shè)計和制造的趨勢之一。汽車輕量化發(fā)展主要有3個方向：①在制造上采用新型材料，主要分為低密度材料和高強度材料兩大類；②優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)設(shè)計，以減少零部件數(shù)量并提高制件強度；③為了應對材料和結(jié)構(gòu)的變更，進行工藝革新。

2 輕量化材料的應用

2.1 高強度鋼

高強度鋼的分類和定義國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的定義和分類方法，一般按照強度劃分或按照強化機理劃分，將屈服強度小于210 MPa的鋼稱為軟鋼；210～550 MPa的稱為高強度鋼；屈服強度高于550 MPa的稱為超高強度鋼。各種強度鋼的抗拉強度和延展率如圖2所示。

圖2 各種強度鋼的抗拉強度和延展率

高強度鋼價格相對較低，具有高的結(jié)構(gòu)強度、優(yōu)越的碰撞吸能性和抗疲勞強度，且沖壓成型性、焊接性和可涂裝性優(yōu)良。關(guān)鍵是能夠利用現(xiàn)有汽車生產(chǎn)線生產(chǎn)，從而節(jié)約設(shè)備投資，所以現(xiàn)階段高強度鋼是車身減重的首選材料。

車身側(cè)圍板、頂蓋、發(fā)動機罩、翼子板、行李廂蓋、車門板等常用高強度鋼。影響車身整體強度的車身框架部分如保險杠、底板梁、頂蓋橫梁等，多選用超高強度鋼，北京現(xiàn)代YC車型高強鋼應用現(xiàn)狀如圖3所示。

圖3 北京現(xiàn)代YC車型高強鋼應用現(xiàn)狀

2.2 鋁合金材料

鋁合金材料密度是鋼的1/3，吸能性是鋼的2倍，在碰撞安全性方面有明顯優(yōu)勢，且鋁的可回收性和耐腐蝕性佳，是最常見的車身用輕金屬材料。雖然彈性模量低，但有很好的擠壓性，能夠得到復雜界面，從結(jié)構(gòu)上補償部件的剛度。在滿足剛性和強度等方面力學性能的前提下，大大降低了材料消耗和制件的質(zhì)量，進而實現(xiàn)車身輕量化、提高整車燃油效率。鋁制與鋼制發(fā)動機罩種類比較見表1。

表1 鋁制與鋼制發(fā)動機罩種類比較

由于鋁合金具有上述優(yōu)良特性，自20世紀70年代石油危機以來，歐美日等汽車大國就開始在量產(chǎn)車上應用鋁合金，如鋁合金機罩、行李廂蓋、翼子板、保險杠、車廂地板、散熱器框架等。隨著鋁合金加工工藝和裝配工藝日漸成熟，Audi A8車型實現(xiàn)了全鋁車身的設(shè)計和制造，實現(xiàn)了車身減重40%的成績。Audi A8第1代鋁合金ASF車身如圖4所示。

圖4 Audi A8第1代鋁合金ASF車身

2.3 鎂合金材料

鎂的密度是1.74 kg/m3，是鋁的2/3，且鎂合金材料吸震性好，生產(chǎn)模具壽命高、尺寸穩(wěn)定，作為輕量化材料應該更合適，但鎂的化學活性高，加工過程中容易發(fā)生燃燒和爆炸，存在安全生產(chǎn)問題，且耐腐蝕性、蠕變強度和再生技術(shù)不如鋁。所以現(xiàn)階段相比于鋁合金，鎂合金的研究和發(fā)展很不充分，只應用于少量車型的發(fā)動機罩蓋、轉(zhuǎn)向盤、座椅支架、車內(nèi)門板、變速器外殼等方面。鎂合金轉(zhuǎn)向盤如圖5所示。

2.4 塑料和復合材料

為節(jié)約資源、滿足輕量化、防腐蝕、低成本和美觀等要求，現(xiàn)代汽車材料方面正在大量采用非金屬材料，目前主要有工程塑料和復合材料。

汽車用工程塑料主要有PP、PE、PVC、ABS、PA等，工程塑料具有密度小、成型性好、耐腐蝕、防震、隔音隔熱等優(yōu)良特性，同時，又具有金屬鋼板不具備的外觀（顏色、光澤）和觸感，所以在汽車上廣泛應用。主要有前后保險杠、儀表板、前后照燈、行李廂蓋、翼子板及眾多內(nèi)外飾件（殼體、罩蓋、手柄等）。

復合材料是指兩種或兩種以上物理性質(zhì)和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)結(jié)合起來而制成的一種多相固體材料，通常由增強材料和基體復合而成。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維和高分子材料。復合材料具有很多金屬材料無法比擬的優(yōu)點，具有防銹、隔熱、隔聲、保護人體、密度小、強度高、抗疲勞度大等特點。近年來，復合材料主要應用于前端托架、儀表板骨架、電池托架、懸架和車架等汽車結(jié)構(gòu)件上。高強度有機纖維增強復合材料有很高的機械強度，能代替鋼架材料，從而減輕車身質(zhì)量；碳纖維增強復合材料能夠代替鋼板彈簧，運用于懸架系統(tǒng)。除零部件的應用外，克萊斯勒等車企用玻纖增強熱塑性聚酯注射成型了CCV車型，可用于大規(guī)模生產(chǎn)，如圖6所示。

圖5 鎂合金轉(zhuǎn)向盤

圖6 克萊斯勒CCV車身

3 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計

除直接運用輕量化材料代替普通鋼板外，也可以對車身整體結(jié)構(gòu)進行分析和優(yōu)化，實現(xiàn)汽車零部件的整體化、集成化和精簡化。隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的發(fā)展，一般利用CAD、CAE技術(shù)進行車身布局設(shè)計和室體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對各構(gòu)件的形狀、配置、板厚進行強度、剛性的計算和分析，同時能夠在保證性能的前提下，尋求零部件壁厚減薄、數(shù)量精簡和結(jié)構(gòu)的整體化、合理化設(shè)計。

3.1 布局優(yōu)化

布局優(yōu)化即考慮實際工況來實現(xiàn)車身整體或局部結(jié)構(gòu)的最佳布局形式，如采用前置前驅(qū)布置可減少很多傳動系統(tǒng)制件，從而達到減重目的。另外，采用承載式車身，因取消了車架從而大大減少了車身質(zhì)量。

3.2 尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化往往根據(jù)質(zhì)量、強度等，優(yōu)化板厚、梁截面及平面慣性矩等尺寸，以使應力分布均勻化。尺寸優(yōu)化一般以汽車零部件的形狀尺寸為變量，以滿足各種工況下的剛度、振動、強度、吸能等為前提。汽車設(shè)計中線性靜力學問題和線性振動問題，可以使用傳統(tǒng)的數(shù)值優(yōu)化算法，對輕量化直接進行設(shè)計。以線彈性尺寸優(yōu)化為基礎(chǔ)的設(shè)計方法，可以對汽車上使用的零部件進行優(yōu)化并對汽車進行減重。

3.3 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化即通過適當改變制件的外形，使結(jié)構(gòu)受力更加均勻。具體措施是對汽車結(jié)構(gòu)整體或局部進行形狀優(yōu)化，從而使材料能夠發(fā)揮出更大的潛力。工程師們一般利用有限元法來避免應力高峰使應力分布均勻化。具體做法是向承受高負荷的部位儲存或增強材料，在承受低負荷的部位減薄或去除材料。

3.4 拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化即對指定設(shè)計空間的材料分布進行分析，通過拓撲算法自動得到最優(yōu)化的動力傳遞路徑，以達到盡可能多節(jié)省材料的目標。拓撲優(yōu)化就是尋求材料在空間的最佳分布，被廣泛承認是一種最具有應用價值的方法，常用的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法有均勻化方法和變密度法。在工程分析過程中，為更清晰地定義設(shè)計空間、目標和約束，一般遵循如圖7所示流程。

4 輕量化制造工藝

在使用輕量化材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計后，往往需要革新制造工藝來滿足材料和結(jié)構(gòu)的變化，如目前已廣泛應用的激光拼焊板、熱沖壓成型、液壓成型等工藝。

圖7 拓撲優(yōu)化的基本流程

4.1 激光拼焊板

激光拼焊板（Tailor Welding Blanks， TWB）可將不同材質(zhì)、不同厚度、不同強度和不同表面鍍層的板坯拼合起來，然后整體進行壓型。激光拼焊板工藝已在汽車領(lǐng)域成熟應用，如大眾第5代Golf車身激光焊達到了70 m。激光拼焊的工藝流程如圖8所示。

圖8 激光拼焊的工藝流程

激光拼焊板存在焊縫，所以主要應用于車門內(nèi)板、加強板、立柱、底板和輪罩等部件，該工藝通過減少制件數(shù)量、減薄鋼板局部及去除點焊凸緣來實現(xiàn)輕量化目的。激光拼焊板在車身上的應用如圖9所示。圖9中車門內(nèi)板邊緣因需加裝鉸鏈，需要在0.8 mm的主板基礎(chǔ)上應用2 mm厚的（加強）裁剪板，因無需加裝額外的增強板，故車門整體減重1.4 kg。

圖9 激光拼焊板在車身上的應用

4.2 熱沖壓成型工藝

隨著屈服強度和抗拉強度的提高，高強度鋼板其沖壓成型性能下降，主要表現(xiàn)為成型缺陷多、所需成型力大、回彈嚴重制件尺寸精度難以保證。如當強度超過1 000 MPa時，對于一些幾何形狀比較復雜的零件，使用常規(guī)的冷沖壓工藝幾乎無法成型，所以高強度鋼的熱沖壓工藝應運而生。

熱沖壓成型工藝是將高強度鋼板加熱至奧氏體化狀態(tài)，然后快速轉(zhuǎn)移到模具中沖壓成型，在保證一定壓力的情況下，制件在模具本體中以大于27℃/s的冷卻速度進行淬火處理，保壓淬火一段時間，以獲得具有均勻馬氏體組織的超高強鋼零件的成型方式。如圖10所示的車身B柱熱成型工藝。

圖10 車身B柱熱成型工藝

4.3 液壓成形工藝

液壓成型工藝采用液態(tài)的水、油作為傳力介質(zhì)代替剛性的凸凹模，使坯料在傳力介質(zhì)的壓力下貼合凸凹模成型。液壓成型工藝在管材、板材加工方面制模簡單、周期短且產(chǎn)品形狀和尺寸精度高。液壓成型工藝特別適合成型性差和高強度材料，所以在高強度鋼、鋁合金、鎂合金和復合材料等輕量化材料的使用上起到重要支撐作用。

液壓成型工藝一般有預成型、成型、校準3個過程，可用于板材和管材成型。

板材液壓成型技術(shù)適用于有深沖要求的復雜工件及較少凹槽的大型工件，如車身的結(jié)構(gòu)件和外覆蓋件，如圖11所示車門外板的液壓成型過程。由于預成型使材料產(chǎn)生了期望的預應力，可以使車門等外板件在保持耐沖擊性不變的情況下減少壁厚，從而達到輕量化目的。

圖11 液壓成型的車門外板

管材液壓成型工藝是指管坯在內(nèi)外部液體壓力作用下貼合內(nèi)部的芯棒成型，如圖12所示。該工藝可提高管件的內(nèi)、外表面精度，也可用于兩個部件的連接。主要車身制件有車頂支架、側(cè)門橫梁、散熱器支架、傳動軸零件等。

圖12 管材液壓成型原理

4.4 鋁合金壓鑄新工藝

鋁合金加工方法有鑄造、壓鑄、輥壓、擠壓、沖壓等。普通壓鑄是當金屬液在高壓下以5～50 m/s高速注入型腔，此時型腔內(nèi)氣體很難排除，必然被壓縮注入制品內(nèi)部，從而形成氣孔、變形等表面缺陷。隨著鋁合金在車身上的應用日益廣泛，工程師們開發(fā)了一系列鋁合金壓鑄新工藝，如沖壓壓鑄法、針孔壓鑄法、無孔性壓鑄法等。其中無孔性壓鑄法最受歡迎，壓鑄時注入型腔的金屬液與氧氣發(fā)生反應，型腔內(nèi)隨即形成真空狀態(tài)，從而實現(xiàn)無氣孔且可熱處理的高品質(zhì)壓鑄件。目前用無孔性壓鑄法生產(chǎn)的鋁合金大量應用于車輪、進氣歧管、動力轉(zhuǎn)向殼等部件上。由于應用鋁材且壁厚減小，輕量化效果顯著。

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