淺談汽車車身結構輕量化

欒子軍 林超

摘要：輕量化技術已經成為汽車工業發展的重要研究課題之一，如何評價汽車輕量化水平已引起了汽車行業的廣泛關注，文章主要對國內的主流的汽車輕量化評價指標作了詳細論述。本文就對汽車車身結構輕量化進行分析。

關鍵詞：汽車車身；結構；輕量化

引言

車身的輕量化設計，可以保證車身具有良好的剛度性能和均勻合理的受力分布，提高材料的利用率。在保證汽車安全性的前提下，實現汽車車身結構的輕量化設計，從燃油經濟性角度看有重要的現實意義。

1汽車車身輕量化的意義

汽車車身輕量化的目的是在確保零部件的強度、剛度的前提下，減輕車身的質量，達到使整車的整備質量降低，以改善汽車的有關性能。

據有關研究資料表明，白車身和車身附件的質量之和幾乎占了轎車整備質量的一半，客車車身質量約占汽車總質量的30%～40%。可見，如使車身質量降下來，可節約大量鋼材及其他原材料，使車身或汽車的制造成本大幅度下降。由于車身質量減輕，作用到懸置及動力系統上的載荷會相應減小，從而使有關總成受力情況得到改善。如果使整車質量減小10%，則燃油消耗就可以降低8%左右，這將大大節約燃料，同時可使汽車動力性得到提高。

2實現車身輕量化的途徑

綜上所述，車身輕量化對汽車性能的提高及整車質量具有舉足輕重的作用，已成為新車開發中最重要的課題之一。

2.1選擇合理的總布置

總布置設計會對汽車車身的輕量化產生重大影響。對于同噸位的貨車，如果選用平頭布置形式代替長頭布置形式，使整車的軸距與總長縮短，從而可使車身的質量得以減輕；客車設計時，如采用承載式車身，則可省去笨重的車架而使車身質量減輕；在轎車設計中，若選用發動機前置前輪驅動的布置方式，則長的傳動軸及車身地板的中間凸起可以取消，也能使車身達到較好的輕量化效果。

2.2采用合理的汽車造型

據統計，車身外板件約占車身總質量的20%，因此合理的外形是車身輕量化的重要因素。以20世紀50年代紅旗轎車CA72型和60年代的CA70型兩種車型的前部造型為例，CA72型的前部采用燈筒形前翼子板與前照燈的造型，這對減小空氣阻力和質量都不會產生好的效果；而新型紅旗轎車采用表面光滑鏈接，減少了板料的使用量，得到了輕量化的效果。

2.3縮小整車尺寸

在不影響車內乘員活動空間的前提下，利用人機工程學原理，詳細檢驗乘員與周圍車身結構和轉向系統、座椅、前擋風玻璃等相互位置關系，在滿足法規要求的情況下，盡量縮小整車的外形尺寸，以達到車身輕量化的目的。例如，我國紅旗轎車把車身外形尺寸逐漸縮小，CA772的長、寬、高由5740×2000×1670（mm），縮小至CA750的長、寬、高為4754×1860×1441（mm），從而使車身質量減少了150～200kg。

2.4盡可能將板件設計成大型沖壓件

將車身的板件進行合理分塊，盡可能將板件設計成大型沖壓件。這樣可以免去小件焊接時的重疊部分以及為焊接而采用的較復雜的結構；同時大型零件便于采用拉深的沖壓方法制造；而且還可提高零件的剛性，從而達到輕量化的目的。

2.5選擇合適的輕質材料制造車身

采用輕質材料代替低碳鋼板是車身輕量化的重要途徑，現在使用較多的輕質材料有高強度鋼板、鋁、塑料、復合材料等。一是高強度鋼板的應用。用高強度鋼板取代普通結構鋼能使一些零件的質量平均減少10%～25%，甚至在某些情況下可減少50%，減輕車身質量約10%以上。據有關資料介紹，美國汽車用高強度板來制造車身骨架已很普遍，約占全部薄鋼板用量的50%～85%，車身質量約減輕10%以上。二是鋁材的應用。鋁合金的優點是密度小、耐腐蝕且質量輕。有時為了使鋁零件達到與鋼鐵同樣的強度和剛度，必須使零件加厚，但即使零件加厚以后，仍比同樣的鋼制零件質量小30%～50%。車身零件制造可選用鋁合金板材、型材和采用壓鑄或鍛造方法。鋁合金制造的難點是焊接性能差，因此設計鋁合金車身時要盡量減少焊接工作量和焊縫長度。近年來，鋁制車身零部件的數量不斷增加，如奧迪A8的全鋁車身，采用了100多根鋁型材構成骨架，骨架之間的連接采用壓鑄鋁件而避免焊接，覆蓋件采用鋁板相互焊接、粘合或鑲嵌而成。該車身可減輕重量35%，而扭轉剛度則增加50%。當然，鋁制車身的缺點除焊接性能差外，其車身的碰撞安全性問題也有待研究提高。三是塑料的應用。由于塑料質量輕，造型方便，工藝簡單，易于成形和著色，且具有隔熱、隔聲、耐腐蝕、耐沖擊等特性，作為輕量化材料，其使用量在急劇增加。目前，用塑料來制作車身零部件已成為減小質量、降低油耗、提高汽車動力性的主要方式之一。例如，奔馳公司某車型塑料用量為110kg；奧迪公司的Audi100III型塑料用量為140kg；我國EQ240型貨車非金屬材料用料的總質量已達536kg，占汽車自身質量的12.5%。此外，塑料用于汽車車身可大大減少焊接點并改善裝配工藝，充分顯示了塑料的優越性。塑料的缺點是機械強度低、耐熱性差、低溫脆性大、易老化等，但通過采取共聚、共混、填充、增強、滲入各種助劑等方法，可使其性能得到改善。因此，在汽車上應用塑料及其復合材料，已成為實現車身輕量化的重要途徑。

2.6采用CAD/CAE/CAM現代設計方法

除了采用輕質材料與合理的車身零配件外，還可采用CAD/CAE/CAM現代設計方法來減輕車身的質量。可采用結構分析方法，優化結構受力性能，充分利用材料強度提高結構剛度，使車身有關零件的厚度薄壁化，體積小型化，以消除應力分布的不均性以及局部應力集中等現象，并以此為依據，改變結構的布置或改變結構的截面形狀來調節車身的剛度分配，以改善結構整體抵抗變形的能力和局部的變形分布，從而達到既減輕車身質量又經濟合理的目的。

3車身輕量化設計時應注意的問題

車身設計輕量化必須以不損害其他性能，如振動、壽命、強度和安全等要求為前提。隨著汽車產業的發展，汽車安全法規越來越嚴格。要使汽車既達到安全標準又實現輕量化設計，就必須充分利用計算機輔助設計和現代設計方法，采用有限元等方法對汽車結構進行仔細分析，同時充分利用新型材料，以解決安全性與輕量化之間的矛盾。在實現車身輕量化的同時還應注意車身防腐蝕問題。在進行結構設計時，應采用難以腐蝕的結構或在結構中涂以石蠟、聚乙烯等防腐蝕材料，這要與輕量化設計綜合考慮。在使用防振、隔聲材料時，應選擇質量輕、效果好的材料。即使在進行舒適性設計和環保設計過程中，也應考慮影響輕量化的綜合因素。

4結束語

汽車輕量化推動了汽車制造業在成形加工和連接技術上不斷創新。隨著輕量化技術的發展，在材料、工藝、設計等方面已逐漸成熟。針對不同的產品，材料、工藝的混合結構設計，即同一總成的零件可由不同材料制造，以實現所用的材料與零件功能最佳組合，成為未來汽車設計發展的方向。

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