輕量化技術(shù)在車身設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

徐昱 楊自斌 張繼祥

摘 要：汽車輕量化能有效的降低汽車燃油消耗，是我國(guó)現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段。在保證汽車的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等性能優(yōu)異的情況下通過(guò)運(yùn)用材料應(yīng)用輕量化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化以及制造工藝輕量化等方法，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，提高汽車的動(dòng)力性、操控性和車身安全性，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

關(guān)鍵詞：輕量化;車身;安全;節(jié)能減排中圖分類號(hào)：U463.82

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2019）04-64-04

前言

經(jīng)有關(guān)研究表明，汽車自重每降低10%，可降低燃油消耗6%～8%，減少co²排放13%^[1]，通過(guò)以上數(shù)據(jù)我們可以知道汽車輕量化對(duì)降低燃油消耗具有顯著的成效，并且《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》中也明確指出發(fā)展新能源汽車要著力突破材料和結(jié)構(gòu)的輕量化技術(shù)^[2]。2012年1月1日，強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《乘用車燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》（GB 27999--201 1）執(zhí)行，旨在“推動(dòng)我國(guó)汽車節(jié)能技術(shù)革新，鼓勵(lì)車輛小型化和輕量化，進(jìn)一步降低乘用車單車燃料消耗量水平，使我國(guó)乘用車平均燃料消耗量水平在2015年下降至7 L/100km左右。”根據(jù)以上的政策文件可以看出，輕量化仍是我國(guó)現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)最為重要的手段之一。

白車身的重量占到汽車整車重量中的30%-60%，在汽車正常行駛的過(guò)程中，其中70%的燃油消耗在白車身上^[3]。所以汽車輕量化的關(guān)鍵就是降低白車身重量，另外白車身的重量的減輕，導(dǎo)致汽車動(dòng)力系統(tǒng)功率的需求也相應(yīng)降低，使得汽車動(dòng)力部件的尺寸隨之減小，這樣部分汽車零部件的質(zhì)量隨之變輕;與此同時(shí)，車身的輕量化可以給消費(fèi)者帶來(lái)更好的操控性，所以白車身輕量化技術(shù)在汽車輕量化技術(shù)中起到了至關(guān)重要的作用。本文對(duì)白車身輕量化的現(xiàn)狀、方法、要求、發(fā)展趨勢(shì)以及安全性進(jìn)行綜述。

1 白車身輕量化的現(xiàn)狀與未來(lái)前景

現(xiàn)今，各大車企都在進(jìn)行車身輕量化研究，白車身（BIW）輕量化技術(shù)就是在保證汽車的成本不變，強(qiáng)度、剛度、模態(tài)以及安全性能不降低的前提下，通過(guò)不同材料的運(yùn)用及輕量化的設(shè)計(jì)理念來(lái)設(shè)計(jì)車身，盡可能地降低車身質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性和操控性，減少燃料消耗，降低排氣污染，并非偷工減料的做法。

隨著科技的發(fā)展，輕量化材料和技術(shù)層出不窮。高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料、復(fù)合材料等是當(dāng)前常見(jiàn)和應(yīng)用較多的輕量化材料。各種材料自身的屬性和工藝技術(shù)水平?jīng)Q定了它們的應(yīng)用范圍和推廣難度。車身輕量化研發(fā)過(guò)程中需要根據(jù)輕量化材料不同的優(yōu)勢(shì)去應(yīng)用不同的材料，從而以材料組合的形式應(yīng)用到車身。另外計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，車身CAE技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生， CAE仿真優(yōu)化功能可以對(duì)目標(biāo)車身進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等車身性能等的模擬驗(yàn)算分析，依據(jù)模擬分析結(jié)果，降低白車身重量，從而降低多次車身實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的成本。

未來(lái)，隨著新能源汽車銷量的不斷攀升，各國(guó)爭(zhēng)相加大了對(duì)新能源汽車技術(shù)的研究力度，我國(guó)要利用新能源汽車技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車領(lǐng)域的彎道超車，關(guān)鍵在于提高新能源汽車的續(xù)航里程，而汽車輕量化成為解決該問(wèn)題的重要途徑，其中車身輕量化將是未來(lái)新能源汽車發(fā)展的重點(diǎn)方向。

2 白車身輕量化方法

汽車輕量化主要有三種實(shí)現(xiàn)途徑，分別是材料應(yīng)用的輕量化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化以及制造工藝輕量化，其中材料應(yīng)用輕量化是效果最好最快的選擇。如圖1所示。

2.1 材料應(yīng)用的輕量化

車身不同的部位對(duì)材料的剛度、強(qiáng)度等性能有著不同的要求，根據(jù)不同的需求采用不同的材料來(lái)達(dá)到所需的性能。而材料輕量化就是在保證性能滿足要求的前提下采用質(zhì)量較小的高性能材料代替原來(lái)所用的材料。比如用高強(qiáng)度鋼材來(lái)代替厚重的普通鋼材、大量使用鋁以及鋁合金的材料，這些材料的使用能在汽車碰撞時(shí)，有效的提高汽車車身剛度，車身抗沖擊能力，同時(shí)有效的降低車身重量。目前主要的輕量化材料主要有高強(qiáng)度鋼、鋁合金、以及復(fù)合材料等。

2.1.1 高強(qiáng)度鋼

高強(qiáng)度鋼是近年來(lái)應(yīng)用在車身制造上的材料之一。它是依靠自身超高抗變形強(qiáng)度等級(jí)來(lái)減薄鋼板厚度和質(zhì)量，以此代替原本的普通鋼材。出于研發(fā)效率、整車成本等因素，加上高強(qiáng)度鋼的高性價(jià)比、成熟的制造技術(shù)和成型經(jīng)驗(yàn)，使得更多車企在車身輕量化材料技術(shù)上更多的采用高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度鋼主要用于車身的前防撞梁、下車體縱梁、中央通道、地板橫梁、AB柱、車門防撞梁等駕駛乘坐艙關(guān)鍵部位。圖2為某車型的車門防撞梁，該車型的白車身共使用了64%的高強(qiáng)度鋼打造。

2.1.2 鋁合金

在材料應(yīng)用輕量化領(lǐng)域中，鋁合金因其較低的密度、較高的比強(qiáng)度以及比剛度，較好的彈性和抗沖擊性能、耐腐蝕性、耐磨性、高導(dǎo)電性、易加工成型、高回收再生性等優(yōu)異性能，加上巨大的存量，使得它成為一種非常理想的汽車輕量化材料。鋁合金的用量在汽車領(lǐng)域正逐漸增加，而且類型多樣化，有成為未來(lái)車身主材的趨勢(shì)。目前鋁合金材料在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)廣泛應(yīng)用。圖3為某美系車型白車身，其車身采用了75%的鋁材打造，車身重量?jī)H為1474kg。

2.1.3 復(fù)合材料

復(fù)合材料主要是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料組成，復(fù)合后的性能要比單一的材料優(yōu)秀不少。值得一提的是碳纖維復(fù)合材料，這種材料不僅質(zhì)量輕，強(qiáng)度更是鋼材的數(shù)倍，同時(shí)它還有很好的耐熱性、耐腐蝕性，是理想的汽車輕量化材料，在賽車、超跑上使用較多。圖4為某車型碳纖維車身。

2.2 制造工藝輕量化

制造輕量化材料往往需要先進(jìn)的制造工藝，例如高強(qiáng)度高和鋁合金等輕質(zhì)材料，如果采用傳統(tǒng)的沖壓成型工藝來(lái)制造，會(huì)造成回彈大的缺點(diǎn)，因此，針對(duì)不同的輕量化材料需要采用相應(yīng)的先進(jìn)成形制造工藝來(lái)完成。

目前輕量化材料制造工藝主要分為先進(jìn)的制造工藝和連接技術(shù)。

2.2.1 先進(jìn)的制造工藝

目前比較先進(jìn)的制造工藝主要有液壓成型技術(shù)、TRB技術(shù)（差厚板技術(shù)）、熱沖壓成形技術(shù)等，如圖5所示。

其中值得一提的是有許多車型采用了TRB差厚板的工藝技術(shù)，這種技術(shù)通過(guò)工程師們對(duì)零部件的受力情況和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析后設(shè)計(jì)制造出一張具有不同厚度的板材，相比等厚度的板材，差厚板不僅減少了材料用量，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了力學(xué)性能的合理分布，在減輕重量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了力學(xué)性能的提高。

2.2.2 先進(jìn)的連接工藝

先進(jìn)的連接工藝主要有激光焊接技術(shù)、鎖鉚連接技術(shù)、結(jié)構(gòu)膠粘接技術(shù)等，其中激光焊接技術(shù)日益成熟，廣泛的應(yīng)用到了各大汽車企業(yè)，如圖6所示。

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，激光焊接技術(shù)開(kāi)始運(yùn)用于汽車車身制造領(lǐng)域。激光技術(shù)采用集中在聚焦裝置中巨大能量的光束，使工件在瞬間熔化，從而實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程。

激光焊接技術(shù)主要用于車身不等厚板的拼焊和車身焊接，對(duì)實(shí)現(xiàn)多種材料混合使用的輕量化車身有著很重要的作用。激光焊接主要用于車身框架結(jié)構(gòu)的焊接，例如頂蓋與側(cè)圍的焊接，通過(guò)激光焊接技術(shù)提高車身的裝配精度，使車身剛度提升30%，從而提高車身安全性;降低汽車車身制造過(guò)程中的沖壓和裝配成本，減少車身零件的數(shù)目，提高車身一體化程度，進(jìn)而減輕車身重量。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化

通過(guò)優(yōu)化車身造型設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化也是非常靠譜的方法，主要由車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和汽車實(shí)體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)這兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3.1 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是重要的輕量化方法，也在眾多車企中被設(shè)計(jì)師們所青睞，它能在已有車身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上盡量少增加成本達(dá)到比較理想的車身性能效果。車身優(yōu)化設(shè)計(jì)這種輕量化方法結(jié)合了設(shè)計(jì)概念和理論來(lái)對(duì)車身設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，在結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)車內(nèi)空間結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化，使車內(nèi)布局達(dá)到最佳，并且將汽車的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，用更加先進(jìn)的碰撞吸能結(jié)構(gòu)來(lái)保證乘客的安全，以及行人的安全。在保證各方面性能不降低的前提下最大限度的減少車身零部件使用，已達(dá)到輕量化的目的，圖6為某車型白車身優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖。

2.3.2 車身結(jié)構(gòu)布局

隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化工具應(yīng)運(yùn)而生，它不僅能提高車輛研發(fā)效率還能降低研發(fā)成本。通過(guò)CAD對(duì)汽車結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，用仿真軟件模擬實(shí)車，對(duì)整車進(jìn)行分析，得到零部件的安置情況以及選擇合適的輕量化材料。在對(duì)整車設(shè)計(jì)完成以后，可以通過(guò)CAE分析輕量化材料是否達(dá)到預(yù)期的各項(xiàng)性能指標(biāo)，確保在車身重量減輕后，這輛車還是一輛安全的車。

3 輕量化技術(shù)背后汽車安全的關(guān)鍵

消費(fèi)者抱怨自己的車身蒙皮鋼板薄，通過(guò)這來(lái)驗(yàn)證車輛的安全性能。其實(shí)不然，真正決定車輛碰撞安全強(qiáng)度的還是車輛自身的車身結(jié)構(gòu)，在碰撞發(fā)生的過(guò)程中由不同的車身區(qū)域進(jìn)行能量的吸收和傳遞，從而保證駕駛艙的堅(jiān)固不變形，即便是在大家心目中車身蒙皮鋼板厚實(shí)的歐美車系，在碰撞發(fā)生過(guò)程中領(lǐng)先的仍舊是車身結(jié)構(gòu)，而非鋼板厚度。

汽車的底盤在交通事故中是最重要的吸能部分。好的底盤結(jié)構(gòu)可以快速、合理的傳遞能量，從而降低乘員在碰撞中的傷害，圖7為日本某汽車品牌新老車型底盤的對(duì)比圖，該車型運(yùn)用輕量化技術(shù)相比上代車型實(shí)現(xiàn)車身減重8%。通過(guò)圖看出，舊車型底盤只設(shè)計(jì)了兩條能量傳輸路徑，而全新的車型在靠近車輛傳動(dòng)軸區(qū)域的對(duì)角線位置另外加入了一條縱梁，增加了能量傳遞路線，形成了三條能量傳輸路徑，從而更有效地吸收沖撞能量，加固底盤剛度。經(jīng)過(guò)測(cè)試，底盤加固后的全新車型在絕大多數(shù)細(xì)分項(xiàng)目測(cè)試中拿到了優(yōu)秀成績(jī)。

4 總結(jié)

汽車輕量化對(duì)降低燃油消耗具有顯著的成效，是我國(guó)現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段，其中白車身輕量化技術(shù)在汽車輕量化技術(shù)中起到了至關(guān)重要的作用。汽車白車身輕量化技術(shù)主要包括材料應(yīng)用的輕量化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化以及制造工藝輕量化等方法，其中車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用不僅實(shí)現(xiàn)了汽車白車身輕量化、白車身實(shí)驗(yàn)成本最小化，而且增強(qiáng)了汽車白車身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高了汽車的安全性。通過(guò)運(yùn)用汽車白車身輕量化技術(shù)在保證汽車的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等性能不降低的情況下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，提高汽車的動(dòng)力性、操控性和車身安全性，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

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