淺談汽車車身輕量化技術(shù)的應(yīng)用

廣州市交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)校 胡錫銻

如何使用新材料、新工藝、新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化，從而實(shí)現(xiàn)汽車的節(jié)能減排成為各大汽車制造企業(yè)重要的研究?jī)?nèi)容，現(xiàn)代汽車的車身上尤其是高端品牌的車身上已使用了大量的輕量化技術(shù)，下面主要以奧迪車車身為例做介紹。

1 汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

目前家用轎車基本上采用了承載式車身，沒有獨(dú)立的車架，車身所有附件均安裝在整體式車身上，這樣使得整個(gè)汽車車身的質(zhì)量相比車架式車身降低了，重心有了一定的下降，使得汽車的行駛性能更好，車內(nèi)空間更大，汽車抗擊彎曲變形的剛性更好、沖擊吸能的効果更佳。而在汽車的組成部件方面小型化、模塊化的汽車零部件設(shè)計(jì)方式也對(duì)汽車的輕量化起到了很大的作用，對(duì)于汽車整車和部件的輕量化主要是在汽車部件的厚度和橫截面積的大小方面進(jìn)行了優(yōu)化處理，從而使得汽車整體的質(zhì)量降低而強(qiáng)度增加。

2 汽車車身輕量化制造工藝

在汽車制造的過程中汽車板材處理的工藝通過優(yōu)化也可以減輕汽車的質(zhì)量提高板材的強(qiáng)度，例如常用的制造工藝技術(shù)有激光拼焊，高壓鑄造，模具成型，局部調(diào)質(zhì)等工藝。例如奧迪車車身目前最常用的技術(shù)有激光拼焊和局部調(diào)質(zhì)。激光拼焊技術(shù)是指將不同厚度或者不同材料及不同表面狀態(tài)的鋼板剪裁成一定的尺寸和形狀，用激光焊接成為一塊完整的板件，然后再進(jìn)行沖壓制造，這樣使得需要用到的零部件減少，加強(qiáng)件及緊固件均減少，同時(shí)又使用不同厚度強(qiáng)度形狀的板件進(jìn)行組合使得整車強(qiáng)度提高，增加了汽車的安全性。

局部調(diào)質(zhì)就是對(duì)一個(gè)部件的不同部位進(jìn)行差異化的調(diào)質(zhì)處理，使得同一個(gè)部件不同部位抵抗沖擊的能力不相同的一種處理方式，如圖1所示，奧迪Q3車的B柱上就進(jìn)行了局部調(diào)質(zhì)處理使得B柱最下的一小部分強(qiáng)度低于大部分區(qū)域，形成了下半部分受到撞擊之后可以有一定的變形來吸收能量。

3 汽車車身輕量化材料

汽車輕量化技術(shù)不可或缺的是汽車上新材料的運(yùn)用，以奧迪公司為例，在1990年以前主要是鋼質(zhì)車身，2000年開始部分車型使用鋁質(zhì)為主的車身，目前以鋼鋁混合車身為主，奧迪公司2020計(jì)劃是奧迪日后的車身將會(huì)是大量使用多種材料的混合式車身，其發(fā)展歷程如圖2所示。

圖1 奧迪A8L車B柱局部調(diào)質(zhì)處理

圖2 奧迪車身材料的發(fā)展

混合式車身將使用鋁合金、鎂合金、高強(qiáng)度鋼、粉末冶金、陶瓷、炭纖維等新材料，部分材料特性見表1所列。

表1 奧迪車混合式車身上的材料特性

以奧迪Q3車為例，車身上使用了深拉延軟鋼、高強(qiáng)度鋼、較高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度熱成型鋼，不同的鋼材使用部位如圖3所示。汽車廠商使用特殊技術(shù)使鋼材擁有不同的強(qiáng)度，為了保證車身的強(qiáng)度同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化，不同的材料用在不同的位置。深拉延軟鋼主要分布在車身前后的吸能區(qū)占車身總質(zhì)量的26%。車身的大部分結(jié)構(gòu)件使用的是高強(qiáng)度鋼，占比為42%。較高強(qiáng)度鋼分布在車身側(cè)面的內(nèi)層板，占比為15%。超高強(qiáng)度熱成型鋼，占比為4%。超高強(qiáng)度熱成型鋼的硬度最高，同時(shí)制造成本也非常高，所以把它用在車身強(qiáng)度要求最高的部位，主要用在車身側(cè)圍的中間層，以及主車身中央通道。

奧迪A 8 L 車上使用了鋁合金鑄件、鋁合金型件、鋁合金板件和碳纖維，為了保證車身組件的使用性能，不能用純鋁材質(zhì)，因?yàn)榧冧X的硬度很低，而使用鋁合金材質(zhì)。鋁合金的強(qiáng)度可以通過鍛造和熱處理硬化來提高硬度。鋁合金鑄件是鋁合金溶液通過壓力被高速壓入一個(gè)鑄模里面，這樣能制造出復(fù)雜的形狀，壁厚可以得到更好的優(yōu)化，使用部位如圖4中紅色部件。鋁合金型件是鋁合金板通過加熱變軟之后對(duì)它加壓，讓它通過一個(gè)低模制造成空心棒狀的型件，通過這樣的處理使得它特別的堅(jiān)硬，而又壁薄質(zhì)量輕，具有很好的吸能效果，使用部位如圖5中的藍(lán)色部件。鋁合金板件柔軟同時(shí)具有良好的可塑性，但是強(qiáng)度較低一般用在強(qiáng)度要求不高的覆蓋件上。

圖3 奧迪Q3車不同鋼材的使用部位

在汽車制造中，除使用金屬材料外，還廣泛使用非金屬材料。常見的如汽車燈罩、儀表板殼、轉(zhuǎn)向盤、座墊、風(fēng)窗玻璃、輪胎、傳動(dòng)帶、連接軟管等都是由各種非金屬材料制成的。非金屬材料因其具有許多優(yōu)良的理化性能，可以滿足某些特殊要求，而且原料來源豐富、加工簡(jiǎn)便，因此得到廣泛的使用。

4 汽車輕量化連接技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化，將多種新型材料混合運(yùn)用在車身上，這樣汽車各種部件的連接就更加復(fù)雜，以奧迪汽車為例，目前常用的連接方式主要有機(jī)械連接、化學(xué)連接和熱學(xué)連接，如圖6所示。機(jī)械連接常用的有螺栓連接、折邊連接、鉚接等；化學(xué)連接常用的有膠粘連接；熱學(xué)連接常用的有MAG焊、MIG焊、電阻點(diǎn)焊、激光釬焊和螺柱焊接。在混合材料的車身結(jié)構(gòu)中為實(shí)現(xiàn)輕量化，鉚接是應(yīng)用最多的一種方式，由于大量的鋁質(zhì)材料應(yīng)用在車身上，傳統(tǒng)的焊接方式無法有效的對(duì)鋁質(zhì)材料進(jìn)行連接，鉚接的優(yōu)勢(shì)就凸顯出來了，鋁鉚釘相對(duì)質(zhì)量要輕于螺栓等連接方式，而它是利用壓力使得鉚釘兩端變形而進(jìn)行的板與板之間的連接方法，不會(huì)有熱變形也不會(huì)對(duì)板件性能造成損害，是一種非常環(huán)保的連接技術(shù)。激光焊接是以聚焦的激光束作為能源對(duì)工件相應(yīng)區(qū)域，填充焊絲進(jìn)行加熱融化形成焊縫的一種連接工藝，根據(jù)是否需要填料和焊接溫度的高低又可細(xì)分為激光焊和激光釬焊，這些先進(jìn)的焊接方式提高了汽車的連接強(qiáng)度，減低了整車的質(zhì)量。隨著越來越多的混合材料車身的出現(xiàn)，越來越多的膠粘連接出現(xiàn)在汽車上，膠粘相對(duì)操作簡(jiǎn)單，而強(qiáng)度高，并且膠粘化學(xué)劑普遍的質(zhì)量較輕，適合輕量化車身的連接。

圖4 奧迪A8L車上鋁合金鑄件使用部位

圖5 奧迪A8L車鋁合金型件使用部位

圖6 奧迪汽車車身連接技術(shù)