淺談汽車車身結構輕量化

段少勇

（楊凌職業技術學院 陜西 楊凌 712100）

0 引言

隨著國民經濟的蓬勃發展，汽車已一躍成為當前極為重要的交通運輸工具。從全世界范圍來看，目前還找不出一個無汽車的現代化社會的先例。因此，汽車工業在帶動其他各行各業的發展中，已日益顯示出其作為重要支柱產業的作用。

在擴大汽車的服務領域和滿足各方面多樣化要求的前提下，作為汽車上三大總成之一的車身，已后來居上越來越處于主導地位。據統計，客車、轎車和多數專用汽車車身的質量約占整車自身質量的40%～60%；貨車車身質量約占整車自身質量的16%～30%；其各車型的車身占整車制造成本的百分比甚至還略超過以上給出的上限值。因此，僅從這個意義上來衡量汽車車身，其經濟效益也遠遠高于其他兩大總成。

如果從節能、節材等幾方面來考慮，則其潛力更大。此外，縱觀國內、外車身制造和裝配等工藝流程，不難發現，盡管隨著科學技術的進步，吸取了大量的尖端技術，機械化和自動化程度很高，但是仍有兩化無能為力而又必須由手工操作來完成的部分（特別是車身的內、外裝飾和附件的裝配）。

1 汽車輕量化技術應用的必要性

汽車輕量化對于節約能源、減少廢氣排放十分重要。而在駕駛方面，汽車輕量化后其加速性能也將得到提高，而在碰撞時由于慣性小，制動距離也將減少，便于主動安全控制。

縱觀世界汽車工業沿革，可以看出，現代汽車是沿著“底盤”→“發動機”→“車身”逐步發展完善過來的。這個發展過程在很大程度上取決于當時的科學技術水平和物質生活條件。由于汽車與人們的日常生活息息相關，為了適應各種不同的目的和用途乃至車身的更新換代等，其關鍵在于車身。

國內外汽車生產的實踐一再表明：整車生產能力的發展取決于車身的生產能力；汽車的更新換代在很大程度上也決定于車身；在基本車型達到飽和的情況下，只有依賴車身改型或改裝才能打開銷路。凡此等等都足以說明，汽車工業發展到今天成為重要的支柱產業，而重中之重則非車身莫屬。

2 汽車輕量化的效果

汽車輕量化的主要目的是降低油耗。如圖1所示，車輛行駛的燃油消耗量與車輛質量的關系。一般情況下，對于1000kg自重的轎車，車輛質量減輕8%，可降低油耗約10%以上。

圖1 車輛行駛油耗與質量的關系

另外，世界鋁業協會的報告指出：整車質量每減少100KG，其百公里油耗可節降低0.4-1.0L，每公里二氧化碳排放也將相應減少7.5克到12.5克。而車身質量占整車質量的1/3，空載情況下，約70%的油耗用在車身質量上。這意味著：只要通過科學的方式，將車身輕量化后，就可以有效減少燃油消耗。

3 車身輕量化的意義

表1所示為1300cc級FF布置轎車的質量分布情況。一般轎車車身的質量（包括白車身和車身裝備件）約占整車質量的一半，僅白車身就達20%以上，可見，車身質量的降低對整車質量的降低影響很大。另一方面，車身質量的降低，可以改善懸架和動力傳動系統的負荷，從而可以相應地減輕該部分的質量，有利于整車輕量化。

表1 1300cc級轎車質量分布

4 車身輕量化設計技術

車身輕量化設計技術主要表現在車身構造輕量化技術和采用輕量化車身材料。圖2所示為車身構造輕量化技術的主要措施。

圖2 車身構造輕量化技術措施

4.1 車身結構合理化

過去的轎車車身結構多采用有車架非承載式車身，不利于車身結構輕量化設計。現代轎車車身使用承載式結構，將沖壓成形的薄鋼板構件通過數千點的點焊連接組合成高剛性的承載殼體，是車身輕量化合理的結構型式。最近車身構件組合采用焊接和粘接并用的方式，這種車身組合方式有利于提高車體的剛性，減薄構件板厚，提高輕量化水平。

4.2 車身尺寸小型化和驅動方式FF化

現代轎車廣泛采用FF化驅動方式，約占70%以上的轎車產品。FF化車身的最大優點在于：

a）地板通道減小，室內空間增大；

b）后地板下降，后座空間增大；

c）油箱布置位置更加合理，有利于碰撞安全性提高。

由于FF化驅動方式的車身室內空間得到改善，有利于外形尺寸進一步設計小型化，從而提高設計的輕量化水平。

總之，車身尺寸小型化和驅動方式FF化設計技術，都是在確保乘員空間的前提下，實現輕量化設計的有效措施。由于現代轎車車身布置設計已非常成熟，采用此兩種方法進一步減輕車身質量，其效果是有限的。

4.3 減去車身部件上多余的質量

車身上的部件，特別是內板、加強板等，在滿足剛度和強度要求的前提下，減去多余的質量，如采用減輕質量的空穴，切去托架類構件的端角，梁構件形狀最佳化設計等方法，能實現部分部件的輕量化。應用有限元解析法分析計算各部件的結構特性，會取得良好的輕量化效果。

4.4 車身部件整體化、大型化

車身部件整體化、大型化設計能減少部件的數量，避免由于焊接等因素造成的部件剛度和強度的下降，從而實現輕量化設計要求，并可省去一些不必要的構件。

4.5 部件尺寸緊湊化和板厚減薄化

采用機械性能好的鋼板材料，如高強度鋼板和表面處理鋼板等，在滿足構件功能要求，如剛度、強度、防腐、結構裝配等條件下，使部件尺寸減小，或減薄板厚，從而達到輕量化設計的目的。但是，在輕量化設計的同時，應考慮對振動、噪聲等方面的影響。

4.6 采用輕量化的車身材料

車身設計采用輕量化材料是車身輕量化設計的主流，能帶來明顯的輕量化效果。其研究有兩種方法：

① 通過采用低密度的輕質材料（如塑料、輕合金等）代替高密度的鋼板材料，實現車身結構輕量化；

表2所示，車身外板采用鋼板、鋁合金板、樹脂板材料的特性比較，及等剛性條件下的板厚比和輕量化率。可見，在外板形狀不變的情況下，講采用0.7mm厚的鋼板換成1.0mm厚的鋁合金板，或3.5mm厚的PPO/PA樹脂板，可分別實現輕量化50%或30%。

表2

表3所示為轎車發動機罩外板和前翼子板采用鋁合金板厚的輕量化率。

表3

②通過采用高強度鋼板代替普通鋼板，由于能減薄板厚，從而達到輕量化目的。如將0.7mm厚的鋼板件減薄至0.6mm，可實現輕量化15%。

在現有的中級車市場中，睿翼、邁騰等車型都是車輛輕量化設計的代表產品。以德系車邁騰為例，這款車采用了HSB超高強度車身結構，74%采用了高強度和超高強度鋼板，其中16%為強度更高的輕質熱成型鋼板，每平方厘米可以承受10噸以上的壓力而不變形。所以邁騰并不是依賴于厚重的鋼板去贏得高安全性的，而靠的是超強剛性和穩定的結構車身。

5 安全與車身薄厚輕重沒有絕對關系

專家表示，車輛的安全性能與車身的薄厚沒有絕對關系，因此車的安全性能不能簡單地由車身的薄厚來衡量。車身整備質量越重，并不能代表車身剛度就越高。相反那些采用新技術新材料的車型，其車身強度與安全性并不亞于那些整備質量重的車型。事實上，汽車的安全性對于不同部位有不同要求。比如沒有緩沖區的左右兩側，必須通過碰撞鋼梁等剛性車身來提高安全性。而對于有緩沖區的前后部分，保險杠、發動機、行李箱的吸能更加重要。

現代轎車車身結構設計將輕量化、高剛度和高強度、安全性、新材料應用、耐腐蝕性、舒適性等性能特征作為車身技術發展方向已充分體現在汽車產品中，而應用計算機進行車身結構設計解析分析，解決車身結構強度、剛度、應力、應變、振動、噪聲等結構設計問題，以及采用高強度鋼板、表面處理鋼板和纖維增強復合材料制造車身，是現代轎車車身開發設計的重要技術手段之一。

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