重型載貨汽車鋼鋁混合車身輕量化方案研究

楊麗 代金龍 王一博 肖騰 李欣 劉俊

摘要：通過對(duì)鋁合金車身不同技術(shù)路線對(duì)比研究，提出“型材框架+覆蓋件”鋼鋁混合重型載貨汽車車身輕量化方案?；谠撥嚿斫Y(jié)構(gòu)完成材料選用、連接工藝對(duì)比與方案制定，并采用CAE軟件對(duì)該車身的模態(tài)、剛度、疲勞、碰撞性能進(jìn)行仿真分析，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足產(chǎn)品要求。該鋼鋁混合車身較原鋼質(zhì)車身質(zhì)量降低81.5 kg，降幅22.4%，為后續(xù)重型載貨汽車車身輕量化設(shè)計(jì)與制造提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼鋁混合 重型載貨汽車 連接工藝 輕量化

中圖分類號(hào)：U466? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220264

Abstract： Through the comparative study of different technical routes of aluminum alloy automotive body， this paper proposed the lightweight body solution of “profile frame + cover part” steel-aluminum hybrid heavy truck. Based on the body structure， the material selection， the joining process comparison study and solution formulation were completed， and the CAE software was used to simulate and analyze the modality， stiffness， fatigue and collision performance of the body and all performance indicators meet the product requirements. Compared with the original steel body， the steel and aluminum hybrid heavy duty truck body is 81.5 kg lighter （a decrease of 22.4%）， which provides a reference for the subsequent lightweight design and manufacture of heavy duty truck body.

Key words： Steel and aluminum hybrid， Heavy duty truck， Joining process， Lightweight

1 前言

隨著全球能源與環(huán)保問題日益突出，在國家“碳達(dá)峰”、“碳中和”戰(zhàn)略推動(dòng)下，各大車企均制訂了新能源長期發(fā)展戰(zhàn)略。由于新能源汽車對(duì)“電動(dòng)化”、“智能化”技術(shù)需求，車身質(zhì)量相比傳統(tǒng)汽車有所增加，更需要通過降低車身質(zhì)量增大續(xù)駛里程，解決里程焦慮、整車耐久性等問題。研究表明，對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，整車質(zhì)量每減少100 kg，續(xù)駛里程可提升10%，降低電池成本15%～20%[1]。

目前，國內(nèi)重型載貨汽車仍為傳統(tǒng)全鋼車身，成形以冷沖壓為主，連接以電阻點(diǎn)焊為主，輔以CO2氣體保護(hù)焊，開發(fā)與制造成本相對(duì)較低，但車身質(zhì)量較大。相較傳統(tǒng)全鋼車身，鋼鋁混合車身能較好地兼顧各方面要求，尋求輕量化效果、工藝性、安全性和成本上的最優(yōu)化，是汽車車身結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)[2]。鋁合金自身物理、化學(xué)特性導(dǎo)致其焊接性較差，不論是鋁與鋁同材連接，還是鋼與鋁異種材料連接，傳統(tǒng)連接工藝均無法滿足，鋁合金在實(shí)現(xiàn)車身輕量化的同時(shí)也對(duì)傳統(tǒng)車身制造工藝提出更高要求。因此，開展重型載貨汽車鋼鋁混合車身輕量化方案研究，在保證車身性能指標(biāo)的情況下實(shí)現(xiàn)輕量化具有重要意義。

2 鋼鋁混合車身技術(shù)路線

通過對(duì)乘用車輕量化技術(shù)路線分析，鋁合金車身結(jié)構(gòu)主要分為2種，一種是以奧迪A8車型為代表的空間框架結(jié)構(gòu)，另一種是以捷豹XE車型為代表的傳統(tǒng)板材沖壓結(jié)構(gòu)，2種輕量化技術(shù)路線均可實(shí)現(xiàn)車身質(zhì)量減少35%～40%。其中，空間框架結(jié)構(gòu)采用大量型材搭建車身整體架構(gòu)，關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)鑄鋁過渡件進(jìn)行加強(qiáng)與連接，輔以少量沖壓件。板材沖壓結(jié)構(gòu)則利用鋁合金板材沖壓件構(gòu)建整體框架，輔以少量鋁合金型材搭建防撞系統(tǒng)，沖壓件成品率與沖壓質(zhì)量控制有一定難度?？臻g框架結(jié)構(gòu)因型材成型精度較高，車身加工工藝簡單，可大幅度降低沖壓模具投入，特別是前期開發(fā)及投資費(fèi)用均低于板材結(jié)構(gòu)。

針對(duì)重型載貨汽車專用車型品種多、產(chǎn)量低的特點(diǎn)和鋁型材截面易實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合產(chǎn)品定位、性能要求、制造成本、投資和鋁合金車身首次開發(fā)，為降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，車身采用“型材框架+覆蓋件”鋼鋁混合結(jié)構(gòu)。

3 鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼鋁混合重型載貨汽車車身在原鋼質(zhì)車身基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用鋁合金替代部分鋼質(zhì)沖壓件，充分發(fā)揮鋁合金輕量化和吸能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兼顧鋼材的強(qiáng)度與成本優(yōu)勢(shì)。鋼鋁混合車身仍采用非承載式車身，保持前圍、側(cè)圍、頂蓋外覆蓋件造型面不變，前后懸置安裝點(diǎn)、前風(fēng)窗配合面、車門及鉸鏈與側(cè)圍配合結(jié)構(gòu)保持不變。不同之處在于，車身為骨架加蒙皮結(jié)構(gòu)形式，骨架采用鋁合金型材組成承力框架，再用鋁板密封，車身整體依靠鋁型材骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行力的傳遞，前風(fēng)窗上下橫梁和側(cè)圍門洞沿用原鋼質(zhì)沖壓件本體，其余采用鋁合金型材替換原鋼質(zhì)沖壓件；覆蓋件中地板、后圍為鋁合金沖壓件，其余為原鋼質(zhì)本體；車門采用鋼鋁混合結(jié)構(gòu)，車門外板采用鋁合金板材沖壓成形，內(nèi)板總成沿用原鋼質(zhì)本體，車門鉸鏈采用高強(qiáng)韌鍛造鋁合金。與原鋼質(zhì)車身相比，該鋼鋁混合車身較原鋼質(zhì)車身質(zhì)量減少81.5 kg，降幅達(dá)22.4%，車身結(jié)構(gòu)及材料分布如圖1所示。

4 車身鋁合金材料選用

4.1 覆蓋件用鋁合金板材

汽車用鋁合金板材主要為5000系和6000系。5000系（Al-Mg）具有良好成形性、抗腐蝕性，但易出現(xiàn)延遲屈服和呂德斯線，沖壓成形后表面易起皺，影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量。因此5000系鋁合金板材常用于汽車結(jié)構(gòu)件和非外露內(nèi)部件。5000系鋁合金由于無后續(xù)熱處理工藝，時(shí)效變化很小，可認(rèn)為無時(shí)效硬化現(xiàn)象。6000系（Al-Mg-Si）具有較高的強(qiáng)度和良好的成形性能，無屈服點(diǎn)延遲，可熱處理強(qiáng)化，具有烘烤硬化性，涂裝烘烤硬化可提升零件抗凹陷性。以6016-T4P鋁板為例，其標(biāo)準(zhǔn)板常溫屈服強(qiáng)度為90～140 MPa，經(jīng)涂裝烘烤后可提升至160～230 MPa。因此，6000系鋁合金板材常用于汽車覆蓋件外板。但6000系鋁合金經(jīng)熱處理后有時(shí)效硬化現(xiàn)象，隨著存放時(shí)間延長其強(qiáng)度和硬度增大、塑性降低，需要按先進(jìn)先出原則安排庫存，時(shí)效控制時(shí)間為在生產(chǎn)之日起6個(gè)月內(nèi)。

考慮6000系鋁合金成本較高，國內(nèi)研發(fā)尚處于起步階段，而5000系鋁合金具有成本低，同時(shí)具有良好的成形加工性能，本次鋼鋁混合車身車門外板、地板面板、后圍外板表面較平整、無復(fù)雜曲面，首次開發(fā)試制采用國內(nèi)目前開發(fā)應(yīng)用較成熟的5182-0鋁板作為覆蓋件，連接用支架及加強(qiáng)件因結(jié)構(gòu)簡單則采用成形性能稍弱但強(qiáng)度較高的鋁板5052-H22。為探索鋁合金沖壓成形性能，采用現(xiàn)有鋼質(zhì)車門沖壓模具進(jìn)行鋁合金車門外板試制，拉延工序車門外板窗框處易開裂及起皺，通過調(diào)整壓邊力及沖壓速度解決了該問題，試制件沖壓效果如圖2所示。后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化需增加車門外板造型處過渡圓角半徑，同時(shí)對(duì)沖壓模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2 框架用鋁合金型材

汽車用鋁型材主要為6000系（Al-Mg-Si）合金和7000系（Al-Zn-Si）合金，均屬于可熱處理強(qiáng)化變形鋁合金。其中，6000系鋁合金由于其優(yōu)異的可擠壓性、良好的耐腐蝕性和表面處理性，應(yīng)用更為廣泛，占汽車用擠壓制品的90%以上。7000系鋁合金強(qiáng)度較6000系更高，屬于超硬鋁，因其工藝性較差，不易焊接，擠壓成形和零部件制造成品率低，生產(chǎn)制造成本較高，目前主要用于航空方面及高端車型防撞系統(tǒng)。

選取6000系中具有中高強(qiáng)度6061-T6擠壓型材作為車身骨架，對(duì)于需彎曲成形的地板縱梁、頂蓋骨架等零部件，采用T4態(tài)彎曲成形后再將零部件熱處理至T6態(tài)，2種熱處理狀態(tài)材料性能如表1所示。

5 車身連接工藝研究

5.1 連接工藝分析

對(duì)于鋁與鋁同材連接，鋁合金具有熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱性好等特性，因此鋁合金電阻點(diǎn)焊必須采用大電流、短時(shí)間、多脈沖、大電極壓力，傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊無法焊接鋁合金。對(duì)于鋼鋁異種材料焊接，由于兩者物理、化學(xué)性能差異較大，焊接時(shí)易在界面處生成脆性金屬間化合物（IMC）導(dǎo)致接頭力學(xué)性能下降，極大影響了接頭質(zhì)量及穩(wěn)定性；且因鋼和鋁熱膨脹系數(shù)差異較大，焊接時(shí)鋼、鋁膨脹和收縮程度不一致，導(dǎo)致接頭成形后存在變形和內(nèi)應(yīng)力，影響車身疲勞性能和裝配精度。對(duì)此，國內(nèi)外技術(shù)人員做了大量研究，至今沒有完全解決，因此，鋼鋁異種材料之間不論是熔焊還是固相焊，均未在車身制造中大規(guī)模推廣應(yīng)用[3-4]。此外，鋼和鋁化學(xué)電位相差較大，接觸界面易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，影響接頭質(zhì)量及后續(xù)使用性能。因此，傳統(tǒng)鋼質(zhì)車身用電阻點(diǎn)焊、CO2氣體保護(hù)焊均不能滿足鋼鋁混合車身連接要求。

目前，車身鋁與鋁、鋼與鋁零件之間連接主要采用機(jī)械連接、新型焊接、膠粘混合應(yīng)用。其中，機(jī)械連接工藝被普遍運(yùn)用在異種材料零件之間連接，可有效克服鋁等輕金屬導(dǎo)熱率高、熱容小、易氧化的缺陷，且鉚接過程能耗低、無熱效應(yīng)、不會(huì)破壞涂層。鋼鋁混合車身常用連接工藝對(duì)比如表2所示。

5.2 鋼鋁混合車身連接方案

鋼-鋁混合車身綜合應(yīng)用了鋁型材、鋁板材、鋁鑄件、鋼板材等多種零件形式，根據(jù)不同連接工藝特點(diǎn)及適用范圍，同時(shí)考慮車身不同部位性能要求、工藝成熟度、生產(chǎn)效率、制造成本，車身連接采用自沖鉚接（SPR）、熱熔流鉆鉚接（FDS）等先進(jìn)連接工藝及MIG焊、抽芯拉鉚等經(jīng)濟(jì)型技術(shù)方案，鋼鋁接觸面涂結(jié)構(gòu)膠，防止電化學(xué)腐蝕，同時(shí)提升接頭連接強(qiáng)度。

其中，車身型材骨架連接以MIG焊為主，壁厚≥2.5mm型材端頭開剖口，提升接頭焊接強(qiáng)度，關(guān)鍵部位增設(shè)鑄鋁連接件，與型材抽芯拉鉚。覆蓋件之間連接時(shí)，鋼鋁沖壓件連接以自沖鉚接（SPR）為主，空腔部位輔以抽芯拉鉚；鋁與鋁沖壓件連接采用鋁合金電阻點(diǎn)焊（RSW）；鋼與鋼沖壓件連接沿用原焊接工藝。鋁型材骨架與覆蓋件連接以FDS為主，設(shè)備不可達(dá)部位采用抽芯鉚接替代。對(duì)于可熱處理強(qiáng)化的6000系鋁合金，母材狀態(tài)為T6態(tài)時(shí)由于焊接熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象，接頭強(qiáng)度僅能達(dá)到母材退火狀態(tài)（O態(tài)）時(shí)的強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮焊縫強(qiáng)度弱化對(duì)車身結(jié)構(gòu)的影響，仿真分析時(shí)可對(duì)焊接接頭兩側(cè)進(jìn)行弱化處理盡可能模擬實(shí)際狀況，如對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行減薄等。

6 CAE仿真分析

6.1 剛度與模態(tài)仿真分析

白車身模態(tài)參數(shù)是影響駕駛舒適性的重要指標(biāo)，低階模態(tài)反映了車身整體剛度性能，從整車振動(dòng)角度考慮，白車身低階主要振型（一階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)）應(yīng)控制在3～30 Hz[5]。鋼鋁混合白車身一階扭轉(zhuǎn)振型計(jì)算分析結(jié)果如圖3所示，扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度計(jì)算分析結(jié)果如表3、圖4所示。由分析結(jié)果知，鋼鋁混合車身一階扭轉(zhuǎn)自由模態(tài)固有頻率為24.4 Hz（原鋼質(zhì)車身為23.0 Hz），可避免共振現(xiàn)象發(fā)生；鋼鋁混合車身扭轉(zhuǎn)剛度較原鋼質(zhì)車身提升33%；彎曲剛度工況1提升30%，彎曲剛度工況2降低5%，均滿足車身相應(yīng)指標(biāo)要求。

6.2 疲勞仿真分析

采用基于試驗(yàn)場實(shí)車測量強(qiáng)化工況下的載荷譜數(shù)據(jù)對(duì)鋼鋁混合車身的疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測，考慮仿真分析模型簡化、疲勞概率問題及以往鋼質(zhì)車型計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，要求疲勞周次不低于1.0×105次。扭轉(zhuǎn)疲勞與振動(dòng)疲勞分析結(jié)果如表4、圖5所示。與原鋼質(zhì)車身相比，鋼鋁混合方案前圍、側(cè)圍、后圍、頂蓋疲勞性能提升，地板疲勞周次略微降低，最小疲勞周次位置為后懸安裝區(qū)域，根據(jù)分析結(jié)果在懸置安裝點(diǎn)型材上下分別設(shè)高強(qiáng)鋼加強(qiáng)件，并在后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證過程中關(guān)注該處及其它最小疲勞周次部位。

6.3 碰撞安全仿真分析

根據(jù)ECE R29-03《關(guān)于對(duì)商用車駕駛室乘員保護(hù)方面車輛認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》中前擺錘撞擊安全法規(guī)要求，對(duì)鋼鋁混合駕駛室進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證駕駛室在打擊能量為55 kJ工況下，是否可以滿足法規(guī)規(guī)定的乘員生存空間及碰撞后車架與駕駛室能否保持有效連接。計(jì)算分析結(jié)果如下：

a. 方向盤、儀表臺(tái)侵入量分析：前擺錘打擊之前，方向盤、儀表臺(tái)與人體間距分別為89 mm、75 mm，碰撞開始后0.03 s時(shí)方向盤、儀表臺(tái)侵入量最大，分別為-8.3 mm、-7.8 mm，碰撞結(jié)束后，方向盤、儀表臺(tái)與人體間距分別為46.9 mm、26.7 mm，滿足法規(guī)對(duì)駕乘人員安全生存空間要求。方向盤、儀表臺(tái)侵入量測量方式及結(jié)果如圖6所示。

b. 變形及碰撞能量分析：鋼鋁混合車身與鋼質(zhì)車身相比，地板縱梁更強(qiáng)，能量不易傳遞到后方。因此，后圍和側(cè)圍吸能比例減少，車架和懸置端吸能增多，其余部位吸能相差不大，鋼鋁混合車身和鋼質(zhì)車身不同部位吸能占比如圖7所示。

c. 車身與車架有效連接分析：前擺錘打擊過程中，駕駛室懸置最大應(yīng)變均小于材料的斷裂延伸率，滿足強(qiáng)度要求；駕駛室后懸彈簧最大拉力未超過60 kN，即碰撞后，駕駛室與車架仍保持有效連接。

d. 車門開啟性分析：門鎖連接點(diǎn)塑性應(yīng)變?yōu)?.007，小于材料最大應(yīng)變要求的0.22，說明碰撞過程中車門門鎖未被拉開，車門保持關(guān)閉狀態(tài)，可有效防止駕駛室變形后車門不易打開的風(fēng)險(xiǎn)。

鋼鋁混合車身采用整體式鋁合金型材地板縱梁，提高了駕駛室縱向剛度，前圍下橫梁及立柱同樣采用鋁合金型材，起到很好的防撞吸能效果，在受到正面撞擊時(shí)能有效保證駕乘安全空間，鋼鋁混合車門防撞結(jié)構(gòu)沿用原高強(qiáng)鋼，有效防止駕駛室變形后車門不易打開的風(fēng)險(xiǎn)。鋼鋁混合駕駛室滿足ECE R29-03法規(guī)對(duì)乘員保護(hù)方面的要求，因各種新型材料、連接工藝實(shí)測數(shù)據(jù)參數(shù)庫較少，碰撞中連接點(diǎn)、焊縫模擬與實(shí)際性能或有差異。

7 結(jié)束語

本文通過輕量化車身技術(shù)路線及發(fā)展趨勢(shì)分析，提出了一種重型載貨汽車鋼鋁混合車身輕量化方案，基于該鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)完成材料選型與連接工藝研究。并通過CAE仿真分析對(duì)鋼鋁混合車身模態(tài)、剛度、強(qiáng)度、疲勞、碰撞性能進(jìn)行了仿真分析，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足車身設(shè)計(jì)指標(biāo)，且較原鋼質(zhì)車身有所提升，為后續(xù)鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、連接工藝制定等提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王鴻波， 何昌協(xié). 鋁合金車身板材在汽車輕量化中的應(yīng)用[J]. 世界有色金屬，2018（7）： 186-187.

[2] 趙海峰. 鋼/鋁異種材料在熱力載荷共同作用下的結(jié)合行為研究[D]. 北京： 北京工業(yè)大學(xué)， 2015.

[3] 李永兵， 馬運(yùn)五， 樓銘， 等. 輕量化多材料汽車車身連接技術(shù)進(jìn)展[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2016， 52（24）： 1-23.

[4] 李巖， 胡志力， 于海洋， 等. 鋁與鋼異種材料連接技術(shù)及其研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào)， 2020， 34（13）： 13167-13174.

[5] 鄧超. 某重型卡車白車身模態(tài)分析[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)， 2012（1）： 5-9.