汽車車身輕量化設(shè)計(jì)探討

劉海亮 劉鵬凱

摘 要：汽車輕量化越來越多的被人們所熟知，但是輕量化到底是什么，汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的發(fā)展目前是一個(gè)什么情況，輕量化有什么優(yōu)勢(shì)，這將是本文的主要研究?jī)?nèi)容。

關(guān)鍵詞：汽車；車身；輕量化；設(shè)計(jì)

汽車輕量化是近幾年行業(yè)內(nèi)一直熱議的話題，各大廠商在推出換代產(chǎn)品時(shí)，經(jīng)常會(huì)宣稱相對(duì)上一代產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了整車質(zhì)量減重XX公斤。這對(duì)消費(fèi)者的傳統(tǒng)觀念是一種挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)消費(fèi)者對(duì)于車身的重量有很大的執(zhí)念，并不能很快接受駕駛感官實(shí)際主要與底盤和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的調(diào)教，以及空氣動(dòng)力學(xué)等因素有關(guān)，與車重并不是直接劃等號(hào)的關(guān)系。

1 汽車輕量化的理論和意義

難道說輕量化就一定會(huì)使安全性下降嗎？那要看減少的鋼板厚度是不是減到了點(diǎn)子上，單從車身鋼板的角度來講，蒙皮鋼板由于對(duì)車身安全起不到有效作用，所以對(duì)于這部分的“肥肉”而言，甩掉一部分反而更好，而發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板上的蒙皮鋼板更不宜過厚，過厚會(huì)影響到正面撞擊時(shí)的潰縮吸能能力，反而會(huì)對(duì)乘員安全造成影響。汽車輕量化的概念就是在保證汽車車體的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)以及碰撞性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性和安全性，減少燃料消耗，降低排氣污染。世界各國(guó)均在推行強(qiáng)制汽車制造商降低汽車油耗的政策。有研究數(shù)據(jù)顯示，汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽車整車重量，每減少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6升，CO2排放量可減少約5g/km。由此可見，汽車輕量化可以提高燃油效率和降低油耗，進(jìn)而環(huán)保節(jié)能。所以，汽車輕量化已成為汽車企業(yè)的共識(shí)。如果不能保證行駛安全，汽車再輕再省油，沒有誰敢開。如果追求絕對(duì)的安全和耐撞，那就只能開重達(dá)數(shù)十噸的坦克，忍受每小時(shí)數(shù)百升的耗油量。因此輕量化是汽車制造的趨勢(shì)，目前輕量化主要是減少汽車自重，但是，車身作為汽車的主要承載件，需要保證足夠的剛度、強(qiáng)度和疲勞耐久性能，從而使整車具有良好的安全、振動(dòng)噪音和耐久性能，而輕量化無疑對(duì)上述要素提出了更高的要求，這對(duì)倒逼汽車制造技術(shù)升級(jí)換代無疑是一大刺激。

2 汽車輕量化的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

在目前車身設(shè)計(jì)中高度智能化、仿真精度高的三維設(shè)計(jì)軟件的輔助下，車身設(shè)計(jì)目前實(shí)現(xiàn)輕量化的最主要的兩種方法：一種是用密度相近，但是強(qiáng)度更高的鋼材去替換低強(qiáng)度的厚鋼板；一種是用密度更小，強(qiáng)度更高的復(fù)合材料去替換低強(qiáng)度的厚鋼板。

2.1 優(yōu)化車聲結(jié)構(gòu)，提高材料利用率

比如車身下部由非連續(xù)性改為連續(xù)性，使得汽車在碰撞時(shí)有效分散撞擊能量；增加加強(qiáng)筋；加強(qiáng)防滾架平衡桿；有限元法設(shè)計(jì)；采用承載式車身，減薄車身板料厚度等。

2.2 優(yōu)化制造工藝

比如激光焊接、攪拌摩擦焊、擠壓成型、熱處理、鎖錨連接等。

2.3 新材料的研發(fā)與應(yīng)用

比如使用高強(qiáng)度鋼材（熱成型鋼材）、輕合金（鋁合金、碳纖維、鎂合金）、記憶金屬（微晶鋼）、工程塑料、陶瓷、玻璃纖維等。剛度指的是材料抵抗外力變形的能力，通常在車身開發(fā)中特指材料在屈服前的彈性特性，良好的剛度是整車NVH性能、車輛動(dòng)力性能和疲勞耐久性能的基礎(chǔ)，常見的評(píng)判指標(biāo)有車身扭轉(zhuǎn)剛度等。剛度與材料的彈性模量相關(guān)，基本上材料種類確定，彈性模量也就確定了，比如采用高強(qiáng)鋼并不會(huì)提升車身的剛性，因?yàn)殇摰膹椥阅Ａ慷家粯印?/p>

2.3.1 碳纖維

越來越多的新車上市，其中標(biāo)榜的一項(xiàng)特點(diǎn)便是車身輕量化，而我們聽到最多的一個(gè)詞就是"碳纖維"。碳纖維又稱碳化纖維，泛指一些以碳纖維編織或多層復(fù)合而成的材料。因?yàn)樗州p又堅(jiān)硬，所以它的用途很廣泛。碳纖維在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用率先從賽車開始，近年來在民用汽車中得到了廣泛的引用。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為23000～43000Mpa也高于鋼。但碳纖維材料也只是沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，其耐沖擊性卻較差，容易損傷，所以在制造成為結(jié)構(gòu)組件時(shí)，往往利用其耐拉質(zhì)輕的優(yōu)勢(shì)而避免去做承受側(cè)面沖擊的部分。

2.3.2 結(jié)構(gòu)膠

再比如結(jié)構(gòu)膠，過去烘烤硬化結(jié)構(gòu)膠只在車身上有少量應(yīng)用，但是現(xiàn)在的趨勢(shì)是可以通過采用更多的結(jié)構(gòu)膠提升車身剛度性能，從而降低結(jié)構(gòu)件的重量，奧迪、沃爾沃的一些車身上采用了超過100米的結(jié)構(gòu)膠；再比如填充在車身接頭的發(fā)泡硬化材料，可以有效替代傳統(tǒng)加強(qiáng)板形式的加強(qiáng)件，即提升性能，又降低重量。2.3.3 鎂合金

鎂合金是工程應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)材料，也是汽車輕量化材料中的一員。純鎂的密度僅為鋁的2/3，鋼的1/4，接近工程塑料的密度。而且鎂合金的比強(qiáng)度也比鋁合金、鋼鐵高。因此在不降低零部件強(qiáng)度條件下，鎂合金鑄件比鋁鑄件的重量減輕大約25%。此外，鎂合金還有良好的焊接和鑄造性能、對(duì)振動(dòng)與沖擊的吸收性能好，抗凹陷性能好，易于機(jī)械加工。但是由于價(jià)格較高和高溫抗蠕變問題尚未得到有效解決，鎂合金目前主要應(yīng)用于儀表盤基座、風(fēng)扇架、方向盤軸、燈托架等汽車零部件中。工程塑料具有質(zhì)輕、防銹、吸震、可設(shè)計(jì)自由大等特點(diǎn)，工程塑料在汽車零部件，特別是內(nèi)飾部件的應(yīng)用越來越大。工程塑料在汽車上的用量，甚至超過了鑄鐵的用量。很多塑料零件應(yīng)用于車身上，比如大眾系的車子都采用了塑料的前端水箱框架，有些車子有塑料的后地板等等。

可見目前幾乎所有的優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路都是在保持車身性能不下降的前提下降低車身重量，通過給定的工況下求出載荷的最佳傳遞路徑，從而設(shè)計(jì)出最優(yōu)的車身結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，大量的新材料新工藝也在幫助車身降低重量。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，能源消耗過快和環(huán)保形勢(shì)日趨嚴(yán)峻的今天，輕量化設(shè)計(jì)是汽車設(shè)計(jì)發(fā)展不可避免的趨勢(shì)，所帶來的效果也是非常直觀而有效。在汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的過程中，我們要轉(zhuǎn)變理念，不斷的創(chuàng)新和研究新型材料，實(shí)現(xiàn)車身輕量化的要求和安全性的保障，為汽車的現(xiàn)代化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]范子杰，桂良進(jìn)，蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2014，01：1-16.

[2]馬鳴圖，易紅亮，路洪洲，萬鑫銘.論汽車輕量化[J].中國(guó)工程科學(xué)，2009，09：20-27.

[3]魯春艷.汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其實(shí)施途徑[J].上海汽車，2007，06：28-31.