基于多材料結(jié)構(gòu)的車門總成輕量化技術(shù)研究

摘 要：輕量化設(shè)計在汽車行業(yè)中扮演著關(guān)鍵角色，對于提升汽車的燃油效率具有顯著效果，推進(jìn)汽車輕量化仍是行業(yè)未來發(fā)展的主流方向之一。為了減輕汽車車門的重量，改善車輛的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能，文章概述了當(dāng)前汽車車門輕量化設(shè)計的發(fā)展?fàn)顩r，并提出了相應(yīng)的技術(shù)策略。研究表明，對車門結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、采用新型材料以及引入先進(jìn)的生產(chǎn)制造技術(shù)，可以有效降低車門的重量。

關(guān)鍵詞：多材料結(jié)構(gòu)車門 車門輕量化技術(shù) 車門設(shè)計

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速增長和居民生活質(zhì)量的提高，汽車已逐步成為中國家庭中常見的交通工具。越來越多的人開始關(guān)注汽車在經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排方面的表現(xiàn)。采用輕量化設(shè)計是提升汽車經(jīng)濟(jì)效益、減少能源消耗及降低污染排放的有效手段。車門作為車身的一部分，會影響整車碰撞性能。車門的輕量化設(shè)計更為可行，對于促進(jìn)汽車的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保節(jié)能具有積極的影響。

1 汽車輕量化的意義

車門的總成結(jié)構(gòu)主要包括外側(cè)板、內(nèi)側(cè)板、窗戶框架總成、防撞梁總成以及其他加固元件，其結(jié)構(gòu)布局可參見圖1。

車門的重量主要分布在幾個主要的零部件和組件上。表1展示了特定車型左前車門總成的主要部件和它們各自的重量描述。

車門內(nèi)板、外板、窗框組件和防撞梁組件的總重量占到了車門總成的大部分。因此，在車門輕量化的過程中，可以優(yōu)先考慮這些零部件。

對于汽車性能來說，減少重量能顯著提升操控和加速的表現(xiàn)，降低零件的磨損速度，并延長汽車的使用壽命。采用輕量化結(jié)構(gòu)和材料不僅可以減輕汽車的整體重量，同時還能確?；蛱嵘囕v的安全性、抗震性和乘坐舒適度，并且不會對成本效益造成負(fù)面影響[1]。研究表明，如果汽車重量減輕10%，燃油效率就能增加6%至8%，相應(yīng)地，油耗和排放量也會分別下降10%和5%到6%。此外，車身的制造成本約占汽車制造商總成本的60%；目前，大部分車身件都是通過沖壓工藝制作的，這些部件占到了汽車總重量的30%到40%。

2 汽車車門輕量化研究現(xiàn)狀

汽車種類繁多，不同種類的汽車車門設(shè)計也各不相同。部分研究人員針對汽車車門輕量化的議題，主要從三個維度進(jìn)行了深入分析：一是聚焦車門輕量化技術(shù)；二是車門結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；三是車門使用的材料技術(shù)。

在車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域，不同研究機(jī)構(gòu)的專家們進(jìn)行了關(guān)鍵的技術(shù)研發(fā)。揚(yáng)州大學(xué)的華琰和他的團(tuán)隊通過HyperMesh軟件進(jìn)行了車門防撞梁的有限元分析，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改良，從而設(shè)計出了一種新型的W型車門防撞梁。首鋼技術(shù)研究院的魏福林等人運用NSGA-Ⅱ算法對汽車車門外板進(jìn)行了多方面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，包括增強(qiáng)強(qiáng)度、提高剛度和安全性能。而陜西重型汽車有限公司的車紅江團(tuán)隊則從車門閉合力的角度出發(fā)，針對重型卡車車門結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

在車門材料技術(shù)研究領(lǐng)域，專家們進(jìn)行了積極探討。冀鵬來自眾泰汽車研究院，他專注于HC300/500DP材料在車門外板應(yīng)用時的力學(xué)特性研究。與此同時，上海理工大學(xué)的高大威教授及其團(tuán)隊則將注意力集中在22MnB5超高強(qiáng)度鋼在防撞桿的使用上，對其結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能如何優(yōu)化進(jìn)行了深入探討。

3 車門輕量化技術(shù)

車身輕量化是提升燃油效率、整車性能的重要手段，車身中開閉件（車門）的重量占比高，因此要開展車門輕量化技術(shù)開發(fā)。車門輕量化的探索可以從三個主要方向進(jìn)行：采用輕量化材料、應(yīng)用輕量化生產(chǎn)技術(shù)和進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

3.1 激光拼焊板應(yīng)用

隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，許多汽車制造商開始采用激光拼焊板技術(shù)。這項技術(shù)采用焊接技術(shù)結(jié)合不同厚度的金屬板材，并通過沖壓成形工藝，可以令單一零件在不同區(qū)域擁有多種板厚，以適應(yīng)不同部位對性能的特定要求，并達(dá)到輕量化的目的。通常，車門內(nèi)板是通過激光拼焊BUSD材料來制造的。在安裝車門鉸鏈的區(qū)域，內(nèi)板的厚度是1.4mm，而其余部分則是0.7mm厚。這種設(shè)計保持了鉸鏈區(qū)及整個車門的剛性與強(qiáng)度，減輕內(nèi)板重量。與全部使用1.4mm厚板材的車門相比，激光拼焊板車門的重量減輕了大約20%，輕量化效果明顯。

3.2 輥壓車門窗框

車門總成通常分為兩種結(jié)構(gòu)類型：整體式和分體式。整體式車門的內(nèi)外板是一體成型的，由于設(shè)計和結(jié)構(gòu)的限制，進(jìn)行輕量化較為困難。相比之下，分體式車門的車門窗框由上下兩部分構(gòu)成，這兩部分并非一體成型而是通過焊接方式連接，使得窗框能夠使用與內(nèi)板不同的材料和制造工藝，從而減少材料厚度，有效減低了重量。

輥壓成型技術(shù)涉及使用一系列旋轉(zhuǎn)的輥輪，對行進(jìn)中的鋼帶進(jìn)行連續(xù)的加工處理，以塑造出所需的剖面形狀[3]。例如，車門窗框能夠采用1180 MS級冷軋高強(qiáng)度鋼材，并利用輥壓成型過程來降低材料厚度和完成形狀制造。

3.3 車門外板采用烘烤硬化鋼材料

烘烤硬化鋼具有獨特的特性，在經(jīng)過烘烤處理后，不僅屈服強(qiáng)度提高，抗拉強(qiáng)度也得到增強(qiáng)。為了實現(xiàn)車身減重，可以考慮用這種鋼材替換標(biāo)準(zhǔn)的冷沖壓鋼（例如DC系列鋼），用于車身外覆蓋件的生產(chǎn)。使用烘烤硬化鋼可以使外覆蓋件更薄，有助于減輕重量，并通過烘烤處理來提升其抗凹性能。

3.4 熱成型車門防撞梁

高強(qiáng)度鋼由于其卓越的強(qiáng)度特性，被廣泛應(yīng)用于降低零件的重量同時保持其性能。傳統(tǒng)的車門防撞梁設(shè)計，不論是采用圓形管狀結(jié)構(gòu)還是通過冷軋板沖壓成型，往往都顯得過于厚重。然而，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，熱成型技術(shù)已經(jīng)使得生產(chǎn)出的高強(qiáng)度鋼板沖壓件能夠達(dá)到超過1000MPa的強(qiáng)度。這種技術(shù)的普及使得使用1500 HS級別的高強(qiáng)度鋼材成為可能，從而顯著減少防撞梁的厚度，確保性能的同時實現(xiàn)車輛的輕量化目標(biāo)。

3.5 集成化的車門內(nèi)板總成

在車門設(shè)計過程中，為了降低重量，可以考慮使用輕質(zhì)材料，如玻璃纖維增強(qiáng)塑料或鋁合金，來生產(chǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)板材。詳細(xì)來說，車門內(nèi)板的中心部位可以利用一個與玻璃升降器相結(jié)合的塑料或鋁合金板材進(jìn)行替換，摒棄了更重的傳統(tǒng)材質(zhì)，如圖2所示。這樣的設(shè)計不僅有利于減輕門板重量，還有助于維持組件的結(jié)構(gòu)完整性。

3.6 鋁合金車門內(nèi)外板

鋁合金以其低密度和高的強(qiáng)度與剛度比，以及優(yōu)良的彈性、抗沖擊能力、耐腐蝕與耐磨損特性和加工特性，被認(rèn)為是實現(xiàn)汽車輕量化的優(yōu)秀材料。當(dāng)前，不少汽車廠商已經(jīng)在使用這種材料生產(chǎn)零件，如引擎蓋、防撞梁和儀表板支撐梁等。鑒于鋁合金的密度僅是傳統(tǒng)鋼材的三分之一左右，這使得在性能相當(dāng)?shù)那闆r下，使用鋁合金可以使汽車部件的重量至少減少50%，進(jìn)而有效降低整車重量。

4 汽車車門輕量化方案

為了達(dá)到車門輕量化的目的，需要從車輛的整體設(shè)計、車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新型材料的選擇以及生產(chǎn)制造工藝，這四個不同的角度來實施相應(yīng)的策略。如圖3所示，這些方面共同作用于車門輕量化的實現(xiàn)。

4.1 采用先進(jìn)方法做輕量化設(shè)計

在汽車輕量化的幾種途徑中，新材料研發(fā)和結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化這兩個領(lǐng)域目前進(jìn)展最快。然而，新材料開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)包括漫長的研發(fā)周期、高技術(shù)門檻以及較高的開發(fā)成本，這些因素限制了其在汽車行業(yè)的廣泛應(yīng)用。與此相比，結(jié)構(gòu)優(yōu)化在汽車制造中應(yīng)用更為廣泛，技術(shù)也更為成熟，被視為實現(xiàn)汽車輕量化最為有效的方法。

汽車車門輕量化可以通過多種途徑來實現(xiàn)，其中包括使用先進(jìn)的材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計以及改進(jìn)生產(chǎn)工藝。首先，可以選擇輕質(zhì)材料如高強(qiáng)度鋼、鋁合金或者碳纖維來替代傳統(tǒng)的鋼材，這些材料在保持必要的強(qiáng)度和剛度的同時，能顯著減輕重量。其次，通過采用尺寸和形狀優(yōu)化的設(shè)計理念，比如利用計算機(jī)輔助工程（CAE）軟件進(jìn)行模擬和分析，以設(shè)計出更加輕薄且中空化的車門結(jié)構(gòu)，減少不必要的材料使用。最后，運用激光焊接、熱成型等先進(jìn)制造技術(shù)，提高材料利用率和加工精度，進(jìn)一步降低車門的重量。

4.2 優(yōu)化車門結(jié)構(gòu)

車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化集中在合理配置車門的各個組件，考慮到車門和鄰近結(jié)構(gòu)件的配合、鎖裝置的位置、鉸鏈的布局、窗框構(gòu)造以及玻璃升降機(jī)制和密封系統(tǒng)的安排等[5]。鑒于設(shè)計過程中的復(fù)雜性，可以運用如遺傳算法、粒子群優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)來精細(xì)化車門的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以尋找結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳或近似最佳解。

選擇合適的材料對于車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化至關(guān)重要?？梢钥紤]使用輕質(zhì)材料，如高強(qiáng)度鋁合金或復(fù)合材料，以減輕車門的重量。采用先進(jìn)的制造工藝，如激光焊接、熱成型等，可以提高材料利用率和加工精度，進(jìn)一步降低車門的重量。通過計算機(jī)輔助工程（CAE）軟件進(jìn)行模擬和分析，可以設(shè)計出更加輕薄且中空化的車門結(jié)構(gòu)，減少不必要的材料使用。

4.3 選擇新材料

利用新材料和復(fù)合材料是降低汽車車門重量的有效方法。選擇這些材料應(yīng)基于車門各部分的特定功能需求，以達(dá)到輕量化的目的。例如，使用高強(qiáng)度鋼來制造車門的外皮，而采用密度更低的球墨鑄鐵來代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材，目的是降低重量。同時，也利用了低密度金屬，如鋁合金、鈦合金、鎂及鎂合金等也有助于顯著減輕車門的重量。在某些情況下，塑料和陶瓷可以作為鋼材的替代品。碳纖維和玻璃纖維等增強(qiáng)型復(fù)合材料也是制作車門結(jié)構(gòu)件的合適選擇。

輕質(zhì)材料包括輕質(zhì)金屬和非金屬材料，輕質(zhì)金屬如高強(qiáng)鋼、鎂合金和鋁合金，而非金屬材料則包括塑料、復(fù)合材料和陶瓷。目前，汽車行業(yè)的一個重要趨勢是使用這些輕質(zhì)金屬材料來替代傳統(tǒng)的鋼鐵材料。舉例來說，鋁合金因其出色的物理和化學(xué)特性而被廣泛采用，它適應(yīng)多種制造工藝，包括鑄造、鍛造和沖壓等。使用鋁合金不僅可以顯著降低汽車的重量，還可以在整個使用壽命期間減少廢氣排放量。數(shù)據(jù)顯示，汽車中使用1公斤的鋁可以減輕2.25公斤的重量，具有高達(dá)125%的減重效果，并能在車輛使用周期內(nèi)減少20公斤的廢氣排放。全球有12%至15%的鋁被用于汽車工業(yè)，而在一些發(fā)達(dá)國家，這一比例超過了25%。到2006年為止，歐美和日本的汽車平均用鋁量已經(jīng)達(dá)到了127公斤/輛。根據(jù)歐洲鋁協(xié)的預(yù)測，到2015年歐洲汽車的用鋁量有望增至300公斤/輛。

4.4 應(yīng)用新的制造技術(shù)

輕量化工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化以及新材料的應(yīng)用是相輔相成的，它們共同促進(jìn)了汽車行業(yè)的輕量化發(fā)展。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計往往要求采用新制造技術(shù)以滿足生產(chǎn)需求，同時，運用新材料也需要依賴高級的制造與焊接技術(shù)。開發(fā)新工藝不僅為材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了更多選項，而且在產(chǎn)品的設(shè)計初期就考慮輕量化工藝，可以更有效地規(guī)劃結(jié)構(gòu)和材料，縮短產(chǎn)品開發(fā)的時間。目前，輕量化工藝主要包括零件制造的技術(shù)革新和形狀成型的創(chuàng)新兩個方面。零件制造工藝的革新是通過整合產(chǎn)品開發(fā)過程中的材料和工藝，顯著簡化了生產(chǎn)工藝鏈，使產(chǎn)品更加輕便，還減少了生產(chǎn)成本。同時，形狀成型技術(shù)的創(chuàng)新涉及運用CAD/CAE/CAM技術(shù)來提升沖壓模具設(shè)計的精確度和成型零件的質(zhì)量。

5 結(jié)語

目前，國內(nèi)汽車制造商主要采用鋁合金與高強(qiáng)度鋼材打造車門，以提升汽車的性能。為了進(jìn)一步優(yōu)化國內(nèi)汽車的性能，通過精細(xì)的整車設(shè)計布局優(yōu)化、創(chuàng)新車門的結(jié)構(gòu)設(shè)計、引進(jìn)前沿的新型材料以及采納尖端的制造技術(shù)來實現(xiàn)車門輕量化，從而提高汽車的整體性能。

參考文獻(xiàn)：

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