汽車車身輕量化節(jié)能技術(shù)

陳巖

(廣東福迪汽車有限公司，廣東 佛山 528225)

1 輕量化節(jié)能技術(shù)意義

用于改進(jìn)汽車能源消耗的技術(shù)，就是節(jié)能技術(shù)。2004年國(guó)家頒布首個(gè)油耗強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)—— 《乘用車燃料消耗量限值》，目的就是要降低汽車的燃油消耗。在汽車開發(fā)方面，降低汽車能耗的主要措施有兩條:(1)改進(jìn)汽車動(dòng)力系統(tǒng);(2)開發(fā)輕量化車身。當(dāng)前，動(dòng)力系統(tǒng)的性能已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，進(jìn)一步提高性能變得越來越難，而車身輕量化的潛力卻非常大，因而在全球范圍內(nèi)得到普遍的重視［1］。車身輕量化具有以下意義:

(1)減少燃油消耗、尾氣排放

據(jù)測(cè)算，一輛車若減重10%，可相對(duì)減少6%～8%的燃油消耗，節(jié)能明顯。同時(shí)，汽車的尾氣排放也相應(yīng)減少，資料表明，汽車每減重1 kg，每年可少排放尾氣0.8 kg。

(2)提高動(dòng)力性能

發(fā)動(dòng)機(jī)的功率主要消耗在克服汽車行駛阻力上，行駛阻力由空氣阻力、滾動(dòng)阻力、加速阻力和爬坡阻力等組成。在行駛時(shí)除空氣阻力外其他阻力均與整車的總重量成正比，所以，減輕汽車自重，能減少以上3種阻力，提高汽車動(dòng)力性能。

(3)提升車輛操控穩(wěn)定性

車輛輕量化可以減小車輪和路面的總摩擦力，降低慣性力，便于駕駛，降低阻力轉(zhuǎn)向的能耗。

(4)提高汽車安全性能

隨著汽車重量的減輕，汽車在行駛中的慣性減小，所以制動(dòng)距離減小，發(fā)生碰撞的機(jī)會(huì)減少。即使發(fā)生碰撞，由于汽車的重量輕，慣性減小，碰撞沖擊減小，危害性隨之降低，安全性提高。

(5)促進(jìn)新材料新工藝的研發(fā)

輕量化技術(shù)將大量使用新型材料，尤其對(duì)鋁合金、鎂金屬、高強(qiáng)度鋼板、復(fù)合材料、塑料等在材料性能、加工性、工藝性方面將提出新的、更高的要求。目前，國(guó)外的汽車廠商，如福特、通用、大眾等，已經(jīng)在車身上大量使用鋁合金，部分高檔車型已經(jīng)開始使用全鋁車身，而我國(guó)在此方面的技術(shù)還很落后，輕量化車身技術(shù)的研究將給新材料的研究提供良好的機(jī)會(huì)。

(6)推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［2］

輕量化車身不僅可以廣泛用于傳統(tǒng)汽車，更是電動(dòng)汽車不可或缺的重要組成部分。可以看到，世界上各種新型電動(dòng)汽車的開發(fā)，例如燃料汽車、太陽(yáng)能汽車、電動(dòng)汽車、混合燃料汽車，都伴隨著輕量化車身的開發(fā)，因?yàn)檫@些新型汽車的構(gòu)成原理不同，都不能直接應(yīng)用傳統(tǒng)汽車的車身，而必須針對(duì)性開發(fā)新車身。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

車身輕量化技術(shù)仍然掌握在傳統(tǒng)的汽車強(qiáng)國(guó)和地區(qū)——美國(guó)、歐洲、日本，幾十年來，他們通過立法，對(duì)汽車的能耗和排放提出嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，從而促進(jìn)汽車技術(shù)進(jìn)步，其中包括輕量化技術(shù)的發(fā)展。例如，美國(guó)能源部與三大汽車公司合作提出新一代汽車共同開發(fā)計(jì)劃(PNGV-Partnership for a New Generation of Vehicles)，側(cè)重于車體結(jié)構(gòu)與動(dòng)力系統(tǒng)的輕量化，表1是美國(guó)PNGV汽車計(jì)劃的質(zhì)量減輕目標(biāo)。

表1 美國(guó)PNGV汽車計(jì)劃的質(zhì)量減輕目標(biāo)

目前，車身輕量化技術(shù)研究主要集中在新材料、新工藝、新設(shè)計(jì)3個(gè)方面。但是無論采用什么方法和技術(shù)，車身輕量化過程中，人們必須解決好以下3個(gè)基本矛盾:

(1)降低車身質(zhì)量不能影響汽車構(gòu)架的強(qiáng)度和剛度;

(2)應(yīng)用新材料不能增加汽車制造成本;

(3)應(yīng)用新材料不能增加汽車使用維修成本。

據(jù)通用發(fā)表的數(shù)據(jù)表明，1997年一輛汽車的黑色金屬占整車總質(zhì)量的71%、中高強(qiáng)度鋼占3%、鋁合金占3%、其他占18%、塑料及復(fù)合材料占5%，但是到2004年，黑色金屬占有量明顯下降，中高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用大幅度提高，例如美國(guó)PNGVClass計(jì)劃所開發(fā)的概念車車體及外圍構(gòu)件全部采用高強(qiáng)度鋼，其中，85%采用新型高強(qiáng)度鋼，該車在2004年通過美國(guó)的正面和側(cè)面碰撞安全性能測(cè)試，同時(shí)通過了歐洲混合碰撞的評(píng)估，并于2005年10月獲得了由美國(guó)節(jié)能聯(lián)盟頒發(fā)的“能源之星杰出表現(xiàn)獎(jiǎng)”。福特2005年兩款非常受歡迎的Ford500和freestyle都大量采用高強(qiáng)度鋼。

鋁質(zhì)材料在汽車上的應(yīng)用典范代表是奧迪車系，奧迪A8已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全鋁車身，是規(guī)模生產(chǎn)的很好典范。1989年本田跑車NSX也是使用全鋁制車架，此外，寶馬5系和7系的鋁質(zhì)懸架，日產(chǎn)Altima的發(fā)動(dòng)機(jī)罩和輪轂、法拉利612車身都是鋁制車身。國(guó)產(chǎn)汽車要達(dá)到國(guó)外同類車水平，汽車用鋁增加是必然趨勢(shì)［3］。

國(guó)內(nèi)在車身輕量化技術(shù)上的基礎(chǔ)較薄弱，在電動(dòng)汽車輕量化車身開發(fā)方面才剛起步。在國(guó)內(nèi)，特別是在廣東，已經(jīng)開始具備一些重要的相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)條件。

(1)先進(jìn)制造技術(shù)

經(jīng)過“九五”CIMS工程和“十五”制造業(yè)信息化工程，先進(jìn)制造技術(shù)在企業(yè)獲廣泛應(yīng)用，廣東制造業(yè)信息化水平居國(guó)內(nèi)前列，廣東地區(qū)的高校和研究機(jī)構(gòu)也對(duì)一系列先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)開展了深入研究，掌握了三維CAD技術(shù)、有限元技術(shù)、動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)、反求工程技術(shù)、快速原型技術(shù)等先進(jìn)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。

(2)鋁合金型材制造

廣東是國(guó)內(nèi)最大的鋁型材制造大省，擁有國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的鋁型材加工技術(shù)和設(shè)備。雖然目前的主要產(chǎn)品是面向建筑行業(yè)，但是該行業(yè)也密切關(guān)注航天、航空、汽車行業(yè)中的先進(jìn)鋁合金技術(shù)的發(fā)展，并開始嘗試應(yīng)用開發(fā)，例如鳳鋁鋁業(yè)為航天運(yùn)載工具提供了技術(shù)支持。

(3)焊接工藝

廣東地區(qū)的一些重型制造業(yè)在焊接技術(shù)方面的基礎(chǔ)扎實(shí)，例如廣重企業(yè)集團(tuán)具備大型復(fù)雜零部件和成套裝備的焊接能力，其中包括鋁合金的焊接;黃埔船廠也在艦船和水下潛艇中大量采用鋁合金焊接工藝;北京航天部研究所引進(jìn)了世界先進(jìn)水平的攪拌摩擦焊技術(shù)和裝備，并且和廣東興發(fā)鋁型材廠合作，開展該先進(jìn)工藝在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用。

(4)塑料成型工藝

隨著塑料制品的普遍應(yīng)用，塑料成型技術(shù)不斷進(jìn)步。目前國(guó)內(nèi)在塑料成型技術(shù)與裝備方面已經(jīng)接近世界水平。

3 輕量化節(jié)能技術(shù)的路線

輕量化車身從開發(fā)設(shè)計(jì)階段就要打下良好的輕量化基礎(chǔ)，主要從緊湊型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算以及材料輕量化等方面開展研究。在制造工藝方面主要是采用激光拼焊板、深拉延件和液壓成形、輕量化的鑄件，先進(jìn)的點(diǎn)焊和激光拼焊等連接技術(shù)，以及鋁合金板材的自鉚技術(shù)和翻邊連接技術(shù)，熱成形與液壓成形技術(shù)以及滾壓成形技術(shù);解決高強(qiáng)度零件的成形，減少零件數(shù)量，減少結(jié)構(gòu)的焊點(diǎn)，提高零件的性能。在材料技術(shù)方面，采用高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼、鋁合金與鎂合金、不同材料的復(fù)合應(yīng)用技術(shù)、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用等，最終達(dá)到開發(fā)時(shí)間最短、成本最低和白車身性價(jià)比最佳化的目標(biāo)。

3.1 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開發(fā)設(shè)計(jì)車體和部件更趨合理化的中空型結(jié)構(gòu)。主要途徑就是在結(jié)構(gòu)上采用“以空代實(shí)”，即對(duì)于承受以彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷為主的構(gòu)件，采用空心結(jié)構(gòu)取代實(shí)心結(jié)構(gòu)，同時(shí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局，使之更加緊湊，這樣既可以減輕質(zhì)量，節(jié)約材料，又可以充分利用材料的強(qiáng)度和剛度。

通過CAD來優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車結(jié)構(gòu)，減少車身質(zhì)量和鋼板厚度，使部件薄壁化、中空化，小型化及復(fù)合化達(dá)到輕量化目的，采用CAE技術(shù)計(jì)算汽車強(qiáng)度和剛度，確保加強(qiáng)整車的性能。

結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)，制作外形比例模型并進(jìn)行風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)字模擬技術(shù)優(yōu)化整車外形，目的是降低風(fēng)阻系數(shù)，并獲得良好的覆蓋件外形。

覆蓋件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):根據(jù)車身覆蓋件要滿足的功能，以及它與車門、車架等其他零部件的聯(lián)接方案，來開展覆蓋件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);采用反求工程和曲面CAD技術(shù)構(gòu)造曲面模型;采用三維CAD技術(shù)構(gòu)造覆蓋件的結(jié)構(gòu)模型;采用有限元技術(shù)進(jìn)行重要覆蓋件的結(jié)構(gòu)計(jì)算，優(yōu)化結(jié)果。

覆蓋件與車架的聯(lián)接方案設(shè)計(jì):綜合考慮聯(lián)接的可靠性、振動(dòng)性、密封性、裝配性等因素，實(shí)現(xiàn)一種可快捷拆卸、更換的聯(lián)接方案。

3.2 輕量化材料及熱成型技術(shù)

車身覆蓋件輕量化中常采用的材料有高強(qiáng)度鋼板、鍍鋅鋼板、復(fù)合鋼板、鋁合金、復(fù)合材料等。高強(qiáng)度鋼板目前主要的先進(jìn)成型制造技術(shù)包括熱沖壓成型、液壓成型、激光拼焊成型、管材內(nèi)高壓成型等。

熱成型技術(shù)廣泛應(yīng)用于國(guó)外汽車上的各類強(qiáng)度高達(dá)1500 MPa的汽車前后保險(xiǎn)杠、保安件和碰撞件的加強(qiáng)件，為汽車輕量化和提高安全性做出了突出貢獻(xiàn)。根據(jù)有關(guān)資料記載，德國(guó)大眾汽車公司在其開發(fā)的PassatB6車型中就對(duì)大部分車身零件采用了熱沖壓成形技術(shù)，其典型應(yīng)用為側(cè)邊防撞桿，前后保險(xiǎn)杠防撞梁、橫梁和邊梁，A、B、C柱增強(qiáng)件和腰部導(dǎo)軌增強(qiáng)件等。

【1】朱平，張寧，葛龍，林忠欽．基于正面耐撞性仿真的轎車車身材料輕量化研究［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，41(9):207 －212．

【2】李秀芬，黃妙華．輕型材料在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用與發(fā)展［J］．汽車工藝與材料，2006(7):7－8．

【3】肖軍．現(xiàn)代轎車全鋁車身的研究進(jìn)展［J］．上海有色金屬，2006，27(1):24－28．