某SUV車型車身輕量化技術及應用

佟磊，門立忠，李飛，崔健

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

某SUV車型車身輕量化技術及應用

佟磊，門立忠，李飛，崔健

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

汽車輕量化是實現降低油耗、減少排放的重要措施之一，也是提升市場競爭力的重要途徑，對汽車工業的可持續發展具有深遠的影響，目前已經成為國內外汽車工業界的研究熱點。汽車輕量化主要采取材料輕量化、結構輕量化和先進工藝相結合的方法。整備質量越輕，制動距離越小，緊急情況下采取主動安全反應時間也就越長，大大提高了安全性。

汽車輕量化材料；結構；工藝

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-26-03

前言

汽車輕量化是指汽車在滿足結構強度、剛度、振動噪聲、被動安全性和耐久性的條件下，有目標的減輕汽車自身的質量。汽車輕量化是輕質材料、結構優化和先進工藝的集成。是汽車性能提高、質量降低、價格合理等方面相結合的系統工程。

1 汽車輕量化的意義

1.1 節能減排

科學的快速發展使能源的消耗加劇。當今燃油問題已經成為世界關注的焦點之一，如何合理高效的利用現有的能源成為各界人士大力發展的目標。而且汽車尾氣是引起環境污染的主要污染源之一，因此，汽車節能減排勢在必行。

世界各國均在推行強制汽車制造商降低汽車油耗的政策。汽車輕量化對于節約能源、減少排放具有很重要的意義，根據研究顯示，若汽車質量降低 10%，燃油效率可提高6%～8%，汽車每減少100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L。輕量化對于環保也有好處，車輛每減輕 100kg，CO2排放量可減少約5g/ml。

1.2 安全性

汽車安全性是指汽車在行駛中避免事故、保障行人和成員安全的性能。一般分為主動安全性、被動安全性、事故后安全性和生態安全性。在道路交通事故中，汽車本身的安全性能也是不可忽視的因素，汽車安全性能好，往往可以避免事故的發生或減少傷亡的程度。

汽車的碰撞安全性不能用車的輕重和鈑金覆蓋件的薄厚簡單的衡量。事實證明，在各種新技術、新材料和新工藝的集成應用下，完全可以實現安全性、輕量化水平的共同提升。在滿足車身足夠的強度、剛度和疲勞耐久性能的條件下進行減重，從而使整車的質量下降。在碰撞時由于慣性小，沖擊能量也小，車身結構的變形、侵入量和乘員收到的沖擊加速度就越小，汽車對乘員的保護性能越好、越安全。

1.3 操縱性

簧下質量減輕會使避震器往復運動的慣性力量減弱，使懸掛系統擁有更好的動態響應和車輛的操縱性，以達到車身更加平穩。而簧下質量指不由懸掛系統中的彈性元件所支撐的質量，一般包括車輪、彈簧、減震器以及其它相關部件等。

1.4 動力性

汽車減重后直接提高的是汽車的比功率（發動機最大凈功率/汽車總質量），在同樣的馬力輸出下，較輕的車對于發動機來說就是較輕的負載，根據數據顯示，整車減重30kg，百公里加速時間可減少0.1s。

2 車身輕量化材料的應用

2.1 鋁合金防撞梁

鋁的力學性能良好，密度約為鋼的 1/3。向鋁中加入某種或某幾種元素后即構成鋁合金，鋁合金相對于純鋁可以提高強度、硬度、抗疲勞等性能。某些鋁合金的強度甚至高于普通結構鋼，車用普通鋼材的強度約為240Mpa左右，高強度鋼為 500～700MPa，而車用鋁合金的強度現在可達到500MPa以上，因此鋁合金的比強度（強度/密度）更高，在等強度條件下，鋁合金輕得多。

汽車用鋁合金材料可以分為鑄造鋁合金和變形鋁合金。鑄造鋁合金在汽車上的使用量較多，占鋁合金使用量的80%以上，主要用于制造發動機部件、車輪、殼體等零件。變形鋁合金主要用于車身框架及結構件上。

圖1 鋁合金防撞梁

防撞梁的重要作用是當車輛發正面碰撞或偏置碰撞時，可以使碰撞力和碰撞能量盡可能均勻的沿左右吸能盒向后傳遞，從而降低單側部件的受損程度。如圖1所示，此款SUV車型在設計保險杠時，在保證各項安全性能要求的同時，通過更換材料，由鋼改為鋁合金，使更改后的防撞梁質量僅為5.4kg，相比鋼防撞梁質量降低40%。

2.2 高強度鋼的應用

高強度鋼是一種廣泛應用的輕量化材料，在使用高強度鋼時，可以通過減少零件數量、降低零件厚度來達到減重的目的。車身用鋼板按照屈服強度大小分類，屈服強度在210～550MPa為高強度鋼板。高強度鋼板的特點是不但具有較高的拉伸強度，還有較高的屈服點。高強度鋼板用于汽車車身除能夠減薄零件降低汽車自重外，還可以提高汽車車體的抗凹陷性、耐久強度、大變形沖擊強度和安全性。目前應用在汽車車身上的高強度鋼板主要有：高強度IF鋼板，烘烤硬化鋼板（BH鋼板），雙相鋼板（DP鋼板）、相變誘發塑性鋼（TRIP鋼），含磷高強度鋼板（RP鋼板）等。

迫于成本的壓力，汽車車身無法大量采用鋁合金材料，但是通過加大高強鋼的應用比例，既可以有效的控制成本，又可以達到減重目的。表1為此款SUV部分高強度鋼零部件，高強度鋼的應用比例達到 46.7%，在國產車上達到了領先水平。

表1 某SUV車型車身部分高強度鋼零部件

3 先進工藝

3.1 熱成型工藝

圖2 熱成型B柱、A下柱、A上柱

當板材的抗拉強度提高到1000～1200MPa時，冷沖壓模具需要使用昂貴的材料和高噸位的壓機才能使零件成型，且冷沖壓工藝在成型過程中極易產生破裂回彈現象，無法適應超高強度鋼板的制造需求。熱成型工藝采用的鋼材屈服強度和抗拉輕度分別在300MPa和500MPa左右，斷后延伸率達到30%以上，機械性能屬于普通高強度鋼的范疇，但板材經過高溫加熱、沖壓再冷卻后，板材的力學性能發生了巨大變化，屈服強度和抗拉強度分別提高到 1100MPa和 1500MPa左右，是一項專門用于成型高強度鋼板沖壓件的新技術，具有成型精度高、成型性能好等優點。通過大量熱成型零部件的應用可有效減少板材數量、零件厚度、加強筋數量。圖 2為此款SUV通過采用熱成型工藝加工的部分零部件，使車身質量降低8kg。

3.2 激光拼焊技術

激光拼接技術是從20世紀60年代發展起來的以高能量密度的激光為熱源的精密焊接技術，主要用于車身框架結構的焊接。與傳統焊接方法相比，激光焊接具有焊接速度快、效率高、焊縫深寬比小等優點，且激光焊接板材的成形性良好，因此被大規模應用在汽車制造領域。

激光焊接在汽車制造中的一個重要應用是車身框架的激光焊接。汽車車身部件的傳統連接方式為點焊連接，屬于間斷連接，而激光焊接是連續焊接，比點焊的間斷連接能夠更好的傳遞載荷，提高了車身的剛度和強度，同時激光焊接技術可將不同厚度、不同材質、不同表面狀態的鋼板通過激光拼焊成一個整體板材，在進行沖壓制造，采用這種拼接板坯可減少零部件的數量，使車身沖壓件的搭接邊寬度減小，減少了鋼板的使用量，減輕了車身質量。圖3為某SUV車型通過門止口采用激光焊接工藝，使止口邊寬度降低，實現減重的目的，車身通過激光焊接減重8kg。

圖3 門止口采用激光焊接

4 車身輕量化評價

車身輕量化系數是目前被行業普遍接受的一個評價車身輕量化水平的指標。式（1）為車身輕量化系數的定義：

式中，L為車身輕量化系數；m為白車身質量；CT為車身的靜態扭轉剛度；A為車身腳印面積。

車身輕量化系數僅可作為一個參考指標，不是評判一個車身輕量化水平的絕對指標。車身輕量化應朝著減輕車身質量和提高車身剛度兩個方面努力。此款SUV車身通過以上技術合計減重50kg，輕量化系數達到 2.8，在國內處于領先水平。

5 結論

汽車輕量化顧名思義就是在不影響汽車性能的前提下盡可能的減少整車質量，而實現輕量化的主要技術包括輕質材料、結構優化和先進工藝。輕質材料技術日漸成熟，新材料不斷出現，而基于這些新材料的結構優化設計和新型制造工藝推陳出新，只有各種輕量化技術相輔相成，充分發揮不同輕量化手段的優勢，才能更好的實現汽車輕量化，也是未來汽車輕量化的發展方向。

[1] 范子杰,桂良進,蘇瑞意.汽車輕量化技術的研究與進展[J].汽車安全與節能學報,2014.5(1)：1-16.

[2] 喬曉勇.從 SGMW 某轎車車身設計看現金高強鋼的應用[J].企業科技與發展,2010(14)：16-19.

[3] 高云凱,高大威,余海燕等.汽車用高強度鋼熱成型技術[J].汽車技術,2010(8)：56-60.

[4] 王非森.激光拼焊板的研究現狀[J].電焊機,2010,40(5)：177-179.

[5] 張屹林,王洪民,王海濤等.汽車輕量化與鋁合金[J].內燃機與配件,2004(5)：37-40.

Lightweight technology and application of a SUV

Tong Lei, Men Lizhongi, Li Fei, Cui Jian
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Automobile lightweight is one of the important measures to reduce fuel consumption and emissions, it has become a research hotspot in automobile industry ,and has far-reaching influence on the sustainable development of automobile industry. At present, Automobile lightweight mainly adopts the method combining material lightweight, structure lightweight and advanced process. Meanwhile, lightweight is one of the most important way to improve competition. The lighter the curb weight, the shorter the braking length, and the longer the active safety response time in an emergency, improve the safety.< class="emphasis_bold">Keywords: AutomobileLightweightMaterial; Structure; Technology

AutomobileLightweightMaterial; Structure; Technology

U466 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-26-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.009