車身輕量化技術在企業中的應用及發展趨勢

楊懷高，沈 偉

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

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車身輕量化技術在企業中的應用及發展趨勢

楊懷高，沈 偉

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

摘要：汽車輕量化技術現今已成為汽車工業發展的重要研究課題之一，也是企業提升競爭力的有力武器。主要介紹目前主流的先進的車身輕量化技術，從輕質材料、制造工藝、結構設計三方面闡述并著重分析車身輕量化技術在企業中的應用，對企業選擇與之相適應的輕量化技術具有一定的指導意義。

關鍵詞：輕量化；高強度鋼板；激光拼焊

1　汽車輕量化技術應用背景

伴隨著能源的逐漸枯竭，節能減排已然上升為國家戰略高度。實驗證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車整備質量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3～0.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%［1］.因此，在節能減排日益緊迫的背景下，汽車的輕量化已經成為當今世界汽車工業發展的潮流。汽車輕量化有效的節油的同時，還可以顯著提升汽車的操控性、減少廢氣排放、降低噪音、增加安全性。由此可見，輕量化技術的應用可極大提高汽車企業的競爭力。汽車輕量化的好處如圖1所示。

圖1　汽車輕量化的必要性

2　車身輕量化技術

汽車整車輕量化途徑可歸納為以下幾種：一是，發動機輕量化，例如全鋁發動機應用；二是，底盤機構件輕量化，主要使用底盤零件輕量化技術實現；三是，車身附件的輕量化，例如儀表臺、座椅等附件的輕量化；四是，車身輕量化，主要通過材料輕量化、制造工藝創新、結構設計優化等方面實現車身質量的減重。據統計，車身質量占整車質量30%～40%左右，制造成本占整車成本15%～30%，因此，汽車白車身的輕量化對于降低發動機的能耗和降低汽車總體重量均有益處，是當前重要汽車輕量化的手段之一。

然而車身輕量化技術并不是單純地將白車身總體重量減輕，而是在保證車身結構的強度可靠性、耐久性的前提下，特別還需考慮汽車的NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能，盡可能地使用各種先進的技術手段來降低汽車白車身的重量，同時要保證汽車白車身的制造成本控制在企業所要求的范圍內。

當前，國內外企業流行且成熟的汽車車身輕量化技術主要有：第一，輕質材料技術的應用，如高強度鋼、鋁鎂合金、塑料增強材料、仿生結構材料、復合材料及陶瓷材料等；第二，企業制造中新工藝不斷涌現，如新的成型方法和連接技術；第三，計算機有限元結構優化及CAD、CAE輔助設計和分析技術的應用。

2.1基于輕質材料的輕量化

2.1.1高強度鋼在車身上的應用

高強度鋼目前已成為被企業廣泛使用的輕量化材料。它在抗碰撞性能、加工工藝和成本方面，相比其他材料具有非常大的優勢。車身使用高強度鋼板，在改善汽車的安全和碰撞性能同時有效減輕車身重量。對于傳統的碳素鋼，其雖然可以吸收碰撞能量，但相比高強度鋼材料重量大，影響燃油經濟性。高強度鋼板應用于車身零部件，可顯著減薄車身部件厚度、降低車身重量，還可以提高汽車零部件的有效強度，在降低燃油消耗的同時又可提高汽車的安全性［2］。

現形的鋼材按強度通常可劃分為三類：普通鋼、高強鋼和超高強鋼（如圖2所示）。但對于高強度鋼板，世界上目前暫無準確的定義和規范分類方法，以下是一些國家和國際組織及協會對于高強度鋼板的界定和劃分。

圖2　鋼材的分類

（1）一些國家和組織對高強度鋼板的界定和劃分

1）國內

普通高強度鋼板：采用傳統工藝或者少許改良工藝生產出來的剛強度鋼板，其機械性能較弱：抗拉強度屈服強度相對較低。如：IF鋼板、IS鋼板、BH鋼板、HSLA鋼板。

先進高強度鋼板：采用當前先進工藝、先進設備生產出來的高強度鋼板。如：雙相鋼板（DP鋼板）、相變誘發塑性鋼板（TRIP鋼板）、馬氏體鋼板（M鋼板或Mart鋼板）、熱成型鋼。

2）日本

高強度鋼板（HSS）：σs≥340 MPa（冷軋鋼板）

σs≥490 MPa（熱軋鋼板）

3）德國（BMW）

高強度鋼板（HSS）:180MPa≤σs＜300 MPa

先進高強度鋼板（AHSS）：300 MPa≤σs＜600 MPa

超高強度鋼板（UHSS）:σs≥600 MPa

4）ULSAB組織（世界輕質鋼制車身協會）

高強度鋼板（HSS）:210 MPa≤σs≤550 MPa

超高強度鋼（UHSS）:σs＞550 MPa

5）IISI（國際鋼鐵協會）

主要通過概念上，把高強度鋼板定性的劃分為：高強度鋼板（HSS）和先進高強度鋼板（AHSS）.

隨著技術的進步，高強鋼的性能得以不斷的提升。現在采用先進設備及工藝方法生產出來的鋼板，其強度可達到500 MPa到1 500 MPa之間，將這類鋼板稱為先進高強鋼（AHSS），這包括雙相鋼板（DP鋼板）、相變誘發塑性鋼板（TRIP鋼板）和馬氏體鋼板（M鋼板或Mart鋼板）、熱成形鋼等。但是由于汽車企業制造過程受到成本、工藝的制約，不可能無限制的使用超高強度的鋼板來解決輕量化問題。對不同部位，起不同作用的部件，需選用不同強度的高強鋼，以達到用最小的成本、重量和工藝投入換來最優的安全性、耐久性、NVH表現并實現相應的車身功能目的。

（2）高強度鋼在汽車上的應用實例

以下列舉了目前各大汽車企業主流車型高強度鋼的選擇與應用：

1）雙相（Dual-Phase簡稱DP）鋼：一般用于需高強度、高的抗碰撞吸收能且成形要求也較嚴格的汽車零件，常被用在汽車的吸收碰撞、傳導能量的加強板的零件上，例如地板連接梁、前圍橫梁等。DP鋼是目前結構類零件的首選材料。

2）相變誘導塑性（TransformationInducedPlastic簡稱TRIP）鋼：特別適合要求具有高的脹型情況，主要用于碰撞時必須吸收較多能量的高強度結構件和安全件。

3）復相（ComplexPhase簡稱CP）鋼：因其具備優秀的吸收能和優越的擴孔性能，特別適合于前后車門夾層防撞桿、前后防撞梁和B柱加強板等安全零件。

4）馬氏體鋼（MS）：是目前應用廣泛的高強度鋼板中強度級別最高的鋼種，具有成熟的商業性。由于其硬度高成型困難，現今主要應用于車門防撞桿等零件代替管狀零件，以便于減少制造成本。

5）高強度IF鋼：IF鋼板性能高度穩定、可塑性能好。主要用于汽車板深沖級和超深沖級沖壓件如車身側圍框架、后部下車體、后部槽型梁等的生產。

6）冷軋各向同性鋼（IS鋼）：IS鋼一般為低碳鋼，主要通過Mn和P固溶強化。有好的成形性和抗時效性，適于制造汽車外板。

7）烘烤硬化鋼（BH鋼）：烘烤后易發生時效，屈服強度上升，有利于抗凹陷性。主要用于各車身覆蓋件、外板等。

8）高強度低合金鋼（HSLA鋼）：其屬于低合金鋼，主要用于強度和防撞性能需求較高的部件，其缺點就是成形度不高。可用于A柱內板、車門檻加強板、前側圍內側框架、B柱內板、發動機、變速器懸置支架等。如圖3所示。

圖3　不同強度的鋼板在車身上的分布

2.1.2鋁合金在車身上的應用［3］

鋁合金比強度高，雖然其材料特性上彈性模量低，但生產工藝上均有很好的擠壓性，可以生產出截面較為復雜的構件，從結構上來彌補零部件的剛度；此外，鋁合金的吸能性優越，碰撞安全性具有其他材料不可比擬的優勢。鋁合金密度僅為鋼材的1/3，對于車身的輕量化效果明顯，但受縛于汽車車身成本及工藝原因，鋁合金材料在汽車普通車身材料的應用中并未廣泛的普及，它僅作為中高級以上車型的標簽。中低等級車型仍采用全鋼質車身，鋁合金的使用比例極低；中高等級逐步開始增加使用量，主要用于車身發動機罩、車頂、車門板、翼子板等部位，而高等級及豪華車開始大量使用鋁合金材料以達到降低車身重量目的，鋁合金被廣泛應用于車身骨架中或直接應用全鋁車身，如新奧迪A8第二代鋁合金ASF車身，其白車身鋁合金含量就高達93%.圖4為各高級車型的鋁合金用量及輕量化效果比較：

圖4　中高級車型鋁合金用量列舉及輕量化效果

2.1.3工程塑料及復合材料在汽車上的應用［4］

工程塑料輕量化的優勢：

（1）同等強度100 kg塑料可替代其他材料200-300 kg，顯著減少車身重量，提高有效載荷；

（2）具備優越的柔韌性、耐磨性、避震性，同等質量的金屬的抗沖擊性明顯遜色于塑料；

（3）成型性好，生產效率高，單位體積的塑料生產成本僅為有色金屬的1/10，經濟效益相當明顯；

（4）具備可回收利用性，且每100 km節油在0.5 L以上；

（5）具備耐腐蝕性，例如常見的酸、堿、鹽等化學物質。

工程塑料在汽車上的使用日益廣泛，國外有機構調查顯示，目前發達國家的汽車塑料用量平均占汽車總重的10%～20%，工程塑料的使用已經不再局限于內、外裝飾件、車身覆蓋件，由于高分子材料科學的迅猛發展，塑料件已向車身結構件方向發展，像前后防撞梁、發動機罩蓋、行李箱蓋、部分頂蓋、翼子板以及某些車身骨架構件等。最近較為熱門的SUV車型后防撞梁就使用的GMT材料。

2.2基于先進制造工藝技術的輕量化［5］

車身制造從企業批量化生產的技術角度出發，選擇材料需要考慮成型性、連接性以及加工成本幾個因素。各種新的輕質材料的應用都存在著不同于當前普通鋼板的成型工藝問題，新材料的應用過程中也帶來了很多新的成型技術，例如激光焊接、液壓成型、半固態金屬加工、注射成型和噴射成型技術。新技術的應用必將進一步提升車身輕量化技術邁向新臺階。

2.2.1變截面薄板及其在車身制造中的應用

變截面薄板技術的應用，相對于傳統等厚板，其在車身的輕量化、承載結構的適應性的方面效果十分顯著，所得到的結構強度也安全性也有所提高。現今流行的，用于車身制造的變截面薄板技術可分為兩種：一種是激光拼焊板（TWB），另一種是通過柔性連續軋制生產工藝得到的變截面板（TRB）。

（1）TWB生產工藝在車身輕量化中的應用

激光拼焊板是將幾塊不同材料、不等厚度、不同表面處理的鋼板焊接成一塊整體板，可以達到零部件不同部位具備不同性能的要求，也可以把同材質、等厚度的鋼板焊接到一起再進行沖壓，這樣有助于提高材料利用率。激光拼焊技術較之傳統焊接技術具有明顯優勢：1）減輕零件重量從而降低材料損耗、物流成本、整車制造和裝配成本；2）減少零部件數量，降低模具成本、工夾具成本、沖壓成本；3）提高零部件性能，改善抗疲勞性能、增強抗沖擊性能、增強整車防撞性能；4）減少搭接，減少焊縫材料搭接提高焊縫強度、改善焊縫成形性能、增強焊縫的抗腐蝕性能。

圖5及表1為某車型側圍激光拼焊整體成型與原分塊沖壓成型的優缺點比較。

圖5　激光拼焊整體成型與分塊沖壓成型示意圖

表1　激光拼焊整體成型與分塊沖壓成型比較

據統計該車型在采用激光拼焊板材后，零件重量減輕24%，零件數量減少19%，焊點下降49%，生產時間縮短21%。圖6為該車型的激光拼焊應用范圍示意圖，具有一定的典型性。

圖6　例舉可以實行拼焊的汽車零部件

（2）TRB生產工藝在車身輕量化中的應用

TRB是不同于傳統的軋制工藝的一種新的柔性軋制技術，可以生產出連續變截面薄板。這一過程的實現是通過計算機在柔性軋制過程對軋機的實時控制，連續地調整軋輥的間距，將等厚度板軋制成TRB板。這一新技術出現，使得車身設計工程師在設計車身時，可根據車身各零部件的實際受力及變形情況，去選擇更加有利的板料型面。在現今的設計領域中，可依靠成熟的計算輔助制造軟件CAD/CAM/CAE，通過面向制造的設計（DFM）、面向裝配的設計（DFA）等手段去優化設計。

TRB工藝的出現滿足了設計者選擇更有利板料型面的需求。例如，設計師在運用有限元分析技術判斷出車身某零件在沖壓過程中因材料流動性較大可能出現拉裂情況，那么，設計師就可以在設計階段為該部件材料流動性較大的部位預先分配合理的板料厚度，進而可有效抑制零件廢品的產生。圖7為TRB在汽車車身上的應用示例。

圖7　BMW上的TRB工藝的應用

（3）TWB與TRB的比較

輕量化效果比較。TWB和TRB工藝的應用使得車身輕量化得以很大程度的提升。根據工程力學理論分析，具有同樣的剛度的TWB、TRB、普通等厚板三者輕量化程度比較，TRB最優秀，TWB其次，等厚板效果最差。

機械性能和應用效果。由于TWB工藝存在厚度突變以及焊縫的影響，以及焊接添加材料的差異性，使得TWB板在沿焊接垂直方向上的硬度必然會發生階躍式的突變。在后續成型加工中會產生很多不利的影響。其次，TWB板的焊縫涂裝手段無法掩蓋，在外觀上相當明顯，因而TWB板并不適宜用作車身外覆蓋件的材料，通常情況只用做內覆蓋件或結構件的材料。與之不同，TRB板的機械性能就更為良好，其軋制方向上的硬度變化連續且平緩，并不像TWB板那樣具有突變性，因此相對之下具有優良的成型性能。另外，TRB板所生產的零部件厚度是連續變化的，可滿足各部位的承載要求；與等厚板一樣，TRB板材的表面是連續、光滑的，因而它非常適合用作車身外覆蓋件的材料。

工藝復雜程度。TWB工藝具有很大的靈活性，可以通過激光焊接的方式進行任意板厚的拼接。同時也正因為不等厚度板材的對接，焊接焊縫處存在材料厚度的突變。另外，焊縫及其鄰近區域會產生局部硬化，我們通常還需要一道退火的熱處理工藝來消除硬化效應，這就增加了工藝的復雜性。TRB是靠柔性軋制工藝，生產出連續變截面的板材，因此不存在硬度階躍變化、焊縫區域硬化等問題。TRB由于受工藝及軋制設備的限制厚度變化的方向只能發生在原始板材的軋制方向。另外，目前的柔性軋制工藝只能是同一板材截面變化即無法將不同板材軋制形成變截面板料，這一點不比TWB工藝的“任意板料拼接”更具優勢。

從以上的對比分析，TWB和TRB各自具有自己的優勢，兩者都存在不足的地方。取長補短，業內有人提出一種似乎更好的解決方案：把兩者的優勢結合在一起，即TWB與TRB聯合應用，生產出更加靈活的“任意拼接板”，從而得到一種更加合適的車身輕量化材料。如圖8所示。

圖8　TWB、TRB、等厚板的比較

2.2.2熱沖壓成型工藝的應用

熱沖壓成形技術：將初始強度為500～600 MPa鋼板加熱至奧氏體形態，在此狀態下進行沖壓，與同時以20～300℃/s的速度快速冷卻進行淬火處理，并保壓一段時間以保證淬透，獲得具有均勻馬氏體組織的高強鋼構件的成形方式。目前熱成形用鋼有4種：Mn-B系列，Mn-Mo-B系列，Mn-Cr-B系列，Mn-W-Ti-B系列（B鋼的應用主要是為了提高鋼板的淬透性）。

熱沖壓成形的優點：產生超高強度的零部件；減輕車身重量；能提高車身安全性、舒適性；改善了沖壓成形性；另外顯著提高了零部件尺寸精度；以及改善焊接性、增強零件表面硬度、抗凹性及耐腐蝕性；同時還降低了沖壓機床壓力的要求。

熱成形鋼板主要應用于前、后防撞梁以及A柱、B柱等需要高強度結構件的重點部位，在正面或側面發生撞擊時，形成“安全籠”有效減少駕駛艙變形，減輕外部碰撞成員的傷害。

2.2.3輕質車身結構的連接工藝

汽車車身制造過程中，目前行業普遍采用的連接工藝主要有：熱裝配、機械裝配和粘接三大類。輕質材料常見的連接工藝主要是：點焊、激光焊、膠接、鉚接等技術。而電焊屬于傳統工藝范疇，激光焊目前主要應用于復合板、非等厚板的拼焊，膠接、鉚接工藝主要用于一些特殊連接件上。

2.3基于設計的輕量化技術的應用

2.3.1汽車車身結構設計

目前汽車車身結構可分為：（1）非承載式車身：剛性好、安全系數高，但不利于輕量化，空間利用率低，制造、裝配要求高；（2）承載式車身：輕量化、低成本、空間利用率高、利于批量化生產，但剛性、承載能力較弱；（3）半承載式車身：其特點是車身與車架用螺釘連接、鉚接或焊接等方法剛性地連接，介于前面兩者之間的結構形式。非承載式車身主要應用于越野車及載貨要求較高的商用車。而承載式車身的輕量化及可空間利用率高的特點，被現代轎車所廣泛使用。因此我們重點討論承載式車身的輕量化結構設計。

輕量化設計和碰撞安全性是分不開的，避開車身安全去談輕量化設計將沒有任何意義，車身的安全是輕量化設計的前提。車身的剛度分配是碰撞安全性的決定因素。在設計安全車身時，前后兩端的剛度應低于中間乘坐艙的剛度，這樣的設計有利于吸能。輕微碰撞時保險杠系統及其碰撞變形零部件能緩和沖擊、吸收能量，降低損失。然而在發生重大事故時，設計要求乘員艙變形應盡可能小，給乘客保留有足夠的安全生存空間。乘坐艙以外的部件，比如車身的前后艙，應盡量參與變形同時吸收和衰減沖擊能量。如圖9所示，車身結構的每個部分所扮演的角色不盡相同。前后為饋縮區，在碰撞過程中起吸能緩沖作用，該部分可應用普通高強度鋼板或者BH鋼；中間為安全籠設計，需要較高的剛度盡可能的降低變形量，形成安全空間，該部位一般應用超高強度鋼板以達到剛度要求，同時降低車身重量，如使用M鋼、B鋼和熱成形鋼。“將合適的材料應用于合適的部位”是輕量化設計的精髓。

圖9　安全車身結構

在對車身實體結構的設計和布局時候，需要協調汽車各總成結構之間的配合，實現對汽車零部件的精簡、整體化、輕量化。在此過程使用計算技術進行輔助設計：（1）使用輕質材料的零部件時，可借助計算機CAE技術實現零件的布局干涉分析和運動干涉分析、利用有限元法對零部件的結構力學性能進行分析和優化設計，從而使得所應用的輕量化材料既能達到車身輕量化的同時又能滿足車身設計的各項需求。（2）使用CAD技術，可以快捷便利地實現零部件實體結構設計和總體布局設計，這包括對各零部件的形狀、結構、板材厚度的變化、總體布置方案進行分析。

2.3.2零部件結構的優化設計

在車身零部件結構優化設計中，通常采用的優化方法有：（1）拓撲優化：在預定的設計區域，給定零部件結構內選擇最優化的材料分布。現今廣泛應用的連續體結構的拓撲優化方法有:變密度法、變厚度法及均勻化方法；（2）形貌優化：不改變材料特性，不增加零件整體料厚的情況下，解決零部件本身局部剛度或模態問題的方法。例如對加強筋的布置形式、方向以及位置深度等參數進行優化，只針對對零件局部形貌進行優化，零件本身結構、材料特性并不改變；（3）形狀和尺寸優化：受仿生學的啟發，這種方法采用一種建立在生物學自然規律基礎上的數值計算方法，它是一種基于經驗去模仿自然界生物體形態，利用有限元法研究自然界生物體增長載體（如骨骼、樹木等）的力學特性。由此達到輕量化的前提下避免出現應力集中的效果：在承受高載荷的部位增加材料用量，減少承受低載荷部位的材料用量，使得零件應力均勻分布避免出現應力集中的現象，消除零件材料冗余或不足的情況從而達到材料“物盡其用”；（4）減重孔的優化設計：采用減重孔的優化設計，合理去除不必要的材料，從而達到零件輕量化效果。

3　結束語

面對著日益緊迫的新能源危機和環境污染問題，汽車的輕量化的要求越來越迫切，輕量化技術的應用也越來越廣泛。在各大汽車企業中，新的輕量化技術不斷的涌現并得以應用。本文主要闡述了某汽車企業所推廣應用的輕量化技術：兼顧成本優勢的輕量化材料選擇，及相應新輕量化工藝運用，并在最初設計狀態下注重優化車身結構、各零部件輕量化設計。文章對于輕量化技術的討論可為其他汽車企業選擇與之相適應的車身輕量化技術提供參考，同時對企業輕量化技術推進具有一定的指導意義。

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［5］王鏑.現代車身設計的輕量化技術［J］.上海汽車，2008，（1）：15-19.

Application and Development Trend of Lightweight Technology forVehicle Body

YANG Huai-gao，SHEN Wei
（SAIC GM Wuling Automobile Limited by Share Ltd，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Abstract：As an effective energy saving means，auto lightweight technology has become one of the important research topics in the development of the automobile industry，also a powerful weapon to the cmpetitive enterprises.This paper mainly introduces the current mainstream of advanced lightweight technology，which mainly analyzes the application of lightweight technology in the enterprise，from the three aspects of light material，manufacturing process and structure design，and has certain guiding significance for the enterprises to choose the suitable light weight technology.

Key words：lightweight；high strength steel；laser welding

中圖分類號：TG156

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0084-06

收稿日期：2015-12-08

作者簡介：楊懷高（1987-），男，廣西貴港人，本科，工程師，研究方向：整車零部件質量；沈偉（1984-），男，湖北荊州人，在職研究生，工程師，研究方向：整車零部件質量。