輕量化在汽車車身開發中的應用

摘 要：在汽車行業，對更高汽車效率的持續監督是促使車輛減重設計的主要動力。關于輕型汽車的燃油效率和限制碳排放的標準被世界認可。為鞏固和提高汽車工業未來國際競爭力，歐美日等汽車工業發達國家都在采取積極措施，推動和促進汽車節能技術發展、提高汽車燃料經濟性水平，相繼完成新一輪針對2020年甚至更長遠的各年度乘用車燃料消耗量標準法規制定，對乘用車燃料消耗量及對應的CO2排放提出更加嚴格的要求。

關鍵詞：輕量化；汽車車身；結構優化設計；新材料

在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能多的降低汽車整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗以降低排氣污染，而汽車車身在汽車上占有重要比例，僅車身質量就約占汽車總質量的五分之二。文章通過對汽車車身結構設計進行分析，并達到車身輕量化的目的。

1.汽車車身輕量化發展現狀

歐盟和美國等國家的主要汽車生產廠商都在汽車輕量化項目上投入大量資源。歐洲的汽車制造商們正在進行“超輕型汽車”工程，力爭將汽車減重30%；而美國政府新一代汽車合作計劃中，政府每年投入約2億美元用于家用轎車的減重。國內汽車輕量化相關產業還未形成較大規模。國內汽車在輕量化技術方面與國外先進水平相比存在較大的差距。例如鋁及鋼的用量都比國際先進水平少一半，鎂合金則差距更大。目前，北美每輛車鎂合金的使用量平均為3.5千克，歐洲先進水平則能達到14千克，而國產汽車每輛僅1.5千克。

2.在汽車車身實現輕量化的過程中存在的問題

第一，車身是一個比較復雜的部位，其內部有著各種各樣的材料，隨著汽車使用年限增加，車身內部的這些材料就會出現疲勞失效的情況，從而導致汽車的性能降低。國內對零件疲勞失效的準則并沒有進行明確統一；第二，在目前國內汽車領域，高強度鋼的應用和成型工藝水平不足；鋁、鎂合金等輕質金屬材料的使用范圍有待擴大；先進的工程塑料，陶瓷等材料生產工藝能力不足；熱成型、激光拼焊、液壓成型等成型工藝水平不足；復合材料間的連接技術不夠成熟；當然最重要的是輕量化材料成本較高，在中低端汽車產品的應用較為困難。第三，在汽車設計方面，大多數汽車仍采用的是傳統設計方法，并沒有引進先進的汽車設計理念，結構優化設計能力的不足，制約了輕量化技術的廣泛應用。

3.汽車車身輕量化方法

汽車車身輕量化技術可以分為：結構優化設計、輕量化材料的應用和先進制造工藝等三個主要方面。其中，結構優化設計方面包括：汽車結構的尺寸優化、形狀優化、拓補優化和多學科設計優化；輕量化材料的應用方面包括：高強度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料和復合材料等；先進制造工藝方面包括：液壓成型和激光拼焊等。

3.1 汽車結構設計輕量化技術應用

從汽車零部件概念設計、初始結構設計、產品工程設計和樣車制造過程來做結構輕量化的設計分析。在滿足使用性能的前提下，采用優化設計去除零部件的冗余部分、減少零件搭接、改變零件結構、以減少零件數量或降低零件質量，從而實現輕量化。在考慮輕量化時，要協調總成與整車、總成與總成之間可能出現的各種矛盾。首先利用三維設計，可以準確的實現車身實體結構設計和布局設計，對各構件的形狀、配置、鈑材厚度的變化進行分析，結合運動分析解決零部件的布局的合理性，并有效解決零部件間的運動干涉問題。其次在車身輕量化設計中應大量應用拓補優化技術，可以在很大程度上保證車身結構設計后續的尺寸和形狀優化是在材料分布最優初始拓補形式下進行，能夠避免內部復雜零件設計的盲目性，保證最大的材料利用率，減輕零件質量；保證最優的模態，提高零件的總體性能；保證零件的工藝性，減少不必要的復雜結構，從而降低模具和生產成本。

車門結構優化 B柱結構優化

3.2 汽車材料輕量化技術應用

在汽車車身設計過程中，常用的輕量化材料為高強度鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維等。

高強度鋼鈑材：可大幅度減少車身結構中的附加支撐件、加強梁和嵌套截面，采用更少的部件和更薄的鈑材，從而有效減輕車身質量。高強度鋼鈑材在抗碰撞性能、耐腐蝕性能、抗疲勞性能和成本方面較其他材料仍具有較大的優勢。

鋁合金材料：鋁的密度約為鋼的1/3，具有高的導電性和導熱性，塑性好，易成型，易回收利用。可通過鑄、鍛、沖壓工藝用鋁合金制造各類汽車零部件，如全鋁車身總成，其是輕量化材料中應用比較廣泛、成熟的材料之一。鋁合金雖然提高了汽車綜合性能，但同時也提高了整車成本，鋁合金應用的局限是成本問題，所以如何在保證成本不增加的前提下提高鋁合金的使用量是我們應該關注的研究方向之一。

鎂合金材料：鎂合金在汽車上的應用大致分為兩大類。一類是非結構鑄件，這類鎂鑄件不需承受巨大的沖擊，主要運用在氣閥蓋、殼體、機罩等；另一類是結構鑄件，這類鎂鑄件需要承受特定的載荷，且能滿足一定的抗沖擊要求，主要運用在方向盤、座椅框架、座椅升降器、轉向柱部件和安全氣囊座等。

鋁合金車身 碳纖維車身 高強度鋼車身

拓補分析 - 鋁合金發動機罩

3.3 汽車制造工藝輕量化技術應用

為了達到進一步減小質量及降低成本的目的，除了開發新材料的應用，還開發了一系列基于新材料的新制造工藝。

激光拼焊工藝：減小結構件質量及材料消耗，減少零件數量，特別是減少墊板及其他一些加強元件；降低車身質量，提高汽車結構可靠性及安全性。

液壓成型工藝：主要是把成型的管件或鈑料放在密閉的模具中，再把流體介質引入管件內腔，增加水的壓力，使管件或鈑料在常溫下模具內變形。從而提高產品品質，減少零部件數量，降低質量和成本。

4.結束語

隨著汽車行業的不斷發展，汽車車身輕量化是未來汽車的發展趨勢，因此汽車企業應當加強汽車車輛輕量化的優化設計。文章通過對汽車車身輕量化發展的現狀進行了解，然后提出在這個發展過程中仍存在的一些問題，并對汽車車身輕量化優化設計進行分析。

參考文獻

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作者簡介

邱峰（1985.04-），性別：男，民族：漢，籍貫：江蘇淮安，當前職務：車身所 所長，當前職稱：助理工程師，學歷：本科，研究方向：汽車設計。

（作者單位：徐州徐工汽車制造有限公司）