淺談汽車車身設(shè)計(jì)與制造工藝新技術(shù)

樂雪勝，孫東洋，劉明

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淺談汽車車身設(shè)計(jì)與制造工藝新技術(shù)

樂雪勝，孫東洋，劉明

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

汽車車身的設(shè)計(jì)與制造是汽車生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，也是汽車生產(chǎn)新技術(shù)研究的主要內(nèi)容。文章主要闡述了汽車車身相關(guān)設(shè)計(jì)方法及新工藝的應(yīng)用，希望對(duì)車身相關(guān)從業(yè)人員予以借鑒參考。

車身；設(shè)計(jì)；新技術(shù)

前言

低碳環(huán)保、安全節(jié)能、智能化、輕量化是汽車行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，車身設(shè)計(jì)開發(fā)與制造是整車開發(fā)重要組成部分。隨著中國汽車保有量的不斷增加，汽車增速逐漸放緩，更新?lián)Q代周期越來越短，汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也越來越激烈，如何提高車身的設(shè)計(jì)及制造水平，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

1 汽車車身設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1 車身的設(shè)計(jì)開發(fā)流程

當(dāng)前主流汽車廠商通常將整車開發(fā)過程分為多個(gè)閥門進(jìn)行管控，并對(duì)每個(gè)閥門制定了通過原則，以確保每個(gè)階段開發(fā)活動(dòng)滿足要求，可以進(jìn)入到下一個(gè)階段。全新整車設(shè)計(jì)開發(fā)一般分為預(yù)研立項(xiàng)階段、概念設(shè)計(jì)階段、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段、生產(chǎn)認(rèn)證與量產(chǎn)階段。每個(gè)閥門點(diǎn)都有相應(yīng)的核心工作和通過原則，只有滿足相應(yīng)的要求，才能進(jìn)入下一個(gè)閥點(diǎn)。各個(gè)開發(fā)階段相互交叉、同步進(jìn)行，通過項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)對(duì)整車開發(fā)質(zhì)量、成本、進(jìn)度進(jìn)行協(xié)調(diào)管控。車身設(shè)計(jì)開發(fā)是整車開發(fā)的一個(gè)重要組成部分，遵循整車開發(fā)流程并貫穿整車開發(fā)的全過程。

1.2 車身平臺(tái)化模塊化

隨著汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇以及消費(fèi)者對(duì)汽車品質(zhì)要求的不斷提高，各大汽車廠商推出新車型的速度不斷加快。車身平臺(tái)化、模塊化開發(fā)的運(yùn)用，不但可以大幅縮短研發(fā)的周期、降低開發(fā)成本，提升規(guī)模效益，而且可以有效降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、提高產(chǎn)品可靠性?；谛碌钠脚_(tái)發(fā)展規(guī)劃策略，豐田、大眾、通用、日產(chǎn)等主流汽車企業(yè)越來越多的新車型逐步上市，增強(qiáng)了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)自主品牌也從早期的完全逆向開發(fā)逐漸進(jìn)入到正向開發(fā)階段，并開始重視并加大平臺(tái)化研究。

1.3 車身新結(jié)構(gòu)新材料的運(yùn)用

（1）車身新結(jié)構(gòu)

車身概念設(shè)計(jì)階段通常會(huì)根據(jù)總布置和造型進(jìn)行主體架構(gòu)的設(shè)計(jì)構(gòu)想，再進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)階段運(yùn)用先進(jìn)的仿真分析方法，不需要詳細(xì)的3D幾何模型就可構(gòu)建前期概念有限元模型，進(jìn)行大量有較大差異的方案分析并逐漸優(yōu)化，按照先整體后局部的設(shè)計(jì)思路，在概念設(shè)計(jì)階段確定車身整體框架結(jié)構(gòu)。通過大量典型的閉環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)用并配合接頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)使整個(gè)車身框架構(gòu)成一個(gè)整體，載荷的傳遞更順暢更直接，可以大大提高車身彎扭剛度，疲勞耐久和碰撞性能。

（2）車身新材料

汽車車身用鋼通常分為低碳鋼（LSS）、普通高強(qiáng)度鋼（HSS）、先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS）、超高強(qiáng)度鋼（UHSS）和熱成型鋼（PHS）五類，其中以相變強(qiáng)化為主的鋼板統(tǒng)稱為先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板，通常強(qiáng)度范圍為500-1500MPa，具有輕質(zhì)、碰撞性、疲勞強(qiáng)度和成型性能好等優(yōu)勢(shì)，在白車身輕量化設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用[1]。汽車用鋼中AHSS所占得比例逐漸上升，世界各國正致力于第三代 AHSS 的研究與開發(fā)。目前，主要應(yīng)用于汽車的車身底板、行李架、車門內(nèi)板等部件上AHSS有高強(qiáng)度IF鋼、DP鋼等。應(yīng)用于保險(xiǎn)杠、前/后縱梁、底板/頂蓋橫梁、車門防撞梁、門檻、ABC柱等部件上的AHSS有DP鋼、CP鋼、TRIP鋼、馬氏體鋼等。

鋁合金材料在國外以及國內(nèi)新能源車身中已獲得廣泛的應(yīng)用。主要用于覆蓋件（如發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、車門、地板面板等）和結(jié)構(gòu)件（如前后保險(xiǎn)杠橫梁、減振塔、前后縱梁、門檻梁等）。由于綜合成本因素以及鋁合金在成形性、力學(xué)性能、焊接性能上存在的問題，目前國內(nèi)傳統(tǒng)燃油車車身仍然以鋼制為主。隨著鋁合金技術(shù)的發(fā)展，更多高性能低成本鋁合金將不斷取代鋼材，應(yīng)用于車身設(shè)計(jì)。

非金屬材料，如工程塑料、復(fù)合材料等廣泛應(yīng)用于車身設(shè)計(jì)中。工程塑料較多應(yīng)用在汽車外覆蓋件上，如翼子板、車門內(nèi)板等。復(fù)合材料具有密度小、設(shè)計(jì)靈活、易成形、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)，并且能夠達(dá)到和金屬材料相近的性能，在車身加強(qiáng)件、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、后背門、后防撞梁等部件上獲得應(yīng)用。

2 制造工藝的新技術(shù)

2.1 新成形技術(shù)

（1）內(nèi)高壓成型技術(shù)

內(nèi)高壓成形工藝屬于液力成形技術(shù)范疇，其工作原理是通過內(nèi)部加壓和軸向加力補(bǔ)料，把管狀坯料壓人到模具型腔，使其形成各種所需零部件[2]。與傳統(tǒng)沖焊零件相比，內(nèi)高壓成型具有材料利用率高、減少零件數(shù)量、提高強(qiáng)度與剛度等優(yōu)點(diǎn)。理論上，所有帶腔體的車身結(jié)構(gòu)件都可以采用內(nèi)高壓成型技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北美生產(chǎn)的車輛中有50%的結(jié)構(gòu)件采用內(nèi)高壓成形技術(shù)。

（2）熱成型技術(shù)

與冷沖壓相比，熱成形過程中板料是在紅熱狀態(tài)下沖壓成形的。先將常溫下強(qiáng)度為500～600MPa的硼合金鋼板送入加熱爐內(nèi)加熱到880～950℃，使之奧氏體化，然后送入內(nèi)部帶有冷卻管道的沖壓模具上沖壓成形，在成形同時(shí)由模具表面將鋼板冷卻、淬火，使之發(fā)生相變，把奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，零件強(qiáng)度可以達(dá)到1500MPa，可廣泛用于A柱、B柱、C柱、車門防撞梁等安全結(jié)構(gòu)件。近年來，熱成型技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，可在傳統(tǒng)熱成型零件基礎(chǔ)上設(shè)置軟區(qū)，在設(shè)定的軟區(qū)位置獲得較低的剛度和硬度，可改善碰撞性能和連接性能，避免碰撞時(shí)焊點(diǎn)開裂。

2.2 新連接技術(shù)

（1）等離子焊接技術(shù)

等離子焊接技術(shù)是通過產(chǎn)生高強(qiáng)度等離子束針對(duì)材料進(jìn)行特殊的熔化，并且隨著等離子弧的推進(jìn)關(guān)閉待焊接的孔，從而有效地減少變形。其主要優(yōu)點(diǎn)是：提高焊接韌性和強(qiáng)度，避免了焊接變形，車身表面更加美觀，提高生產(chǎn)效率，有效降低設(shè)備的日常維護(hù)費(fèi)用。

（2）膠接技術(shù)

膠接技術(shù)是通過膠粘劑與被連接件之間的化學(xué)反應(yīng)或物理凝固等作用將材料連接在一起，采用膠接技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)良好的抗疲勞性、隔音性和減振性。對(duì)于多材料混合車身，目前多采用機(jī)械連接+結(jié)構(gòu)膠的形式，如結(jié)構(gòu)膠+FDS、結(jié)構(gòu)膠+SPR、結(jié)構(gòu)膠+鋁點(diǎn)焊，可以隔絕異種金屬接觸從而避免電化學(xué)腐蝕，因此在鋁合金及鋼鋁混合車身上具有明顯的優(yōu)越性。

（3）激光焊接技術(shù)

激光焊接技術(shù)是將高強(qiáng)度激光束焊接到鋼板表面，以促進(jìn)兩者之間的作用，使金屬通過激光熔化和結(jié)晶冷卻的焊接。激光焊接的顯著特點(diǎn)是焊接速度快，形成深而窄、熱影響區(qū)小的焊縫。焊接一致性、穩(wěn)定性好，一般不添加填充金屬和焊劑，并能實(shí)現(xiàn)部分異種材料的焊接。光束易于控制，焊接定位精確易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

3 結(jié)語

綜上所述，汽車車身新技術(shù)的研究，主要可分為汽車車身設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝技術(shù)這兩個(gè)方面。隨著整車開發(fā)流程的不斷改善，仿真分析方法的不斷創(chuàng)新提升，以及新的工藝技術(shù)突破，車身平臺(tái)化模塊化是大勢(shì)所趨，先進(jìn)高強(qiáng)鋼、鋁合金、復(fù)合材料的使用將會(huì)越來越普及，高性能車身開發(fā)周期將會(huì)越來越短。

[1] 王小川,孫琦,秦信武.白車身新材料應(yīng)用及制造工藝發(fā)展研究[J].汽車工藝與材料,2015（3）:10-15.

[2] 王磊,師德欽,李國亮.汽車車身設(shè)計(jì)及制造工藝新技術(shù)研究.河南省汽車工程科學(xué)技術(shù)研討會(huì).2013（01）.

New Technology of Vehicle Body Design and Manufacturing

Le Xuesheng, Sun Dongyang, Liu Ming

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd.. Automobile Engineering Research Institute, Guangdong Guangzhou 511434 )

The design and manufacture of automobile body is an important link in automobile production, and is also the main content of new technology research in automobile production. This paper mainly elaborates the automobile body rela -ted design method and the application of new technology, hoping to provide reference for the automobile body related practitioners.

car body; design; new technology

U466

A

1671-7988(2019)07-121-02

樂雪勝，就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院。

U466

A

1671-7988(2019)07-121-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.040