車身輕量化實現的思路及途徑

慕溫周，楊人杰，朱珍厚（韓），張 劍，羅艷路，呂 順

（北京現代汽車有限公司滄州分公司生產技術部車身工藝科，河北 滄州 061000）

1 車身輕量化的意義和必要性

1.1 減少尾氣排放，滿足法規要求

截至2016年，中國汽車保有量已近2億輛，全國機動車排放污染物達4547萬噸，汽車尾氣已成為中國空氣污染的重要來源，也是造成灰霾、光化學煙霧等污染的重要原因。實驗顯示，汽車質量每減少100kg，百公里將減少500～800 g污染物排放。所以車身輕量化是減少尾氣排放、保護環境的有效手段。

同時，以美國、歐盟、日本、中國為代表的汽車大國都在不斷制定和完善汽車排放標準，如美國的《大氣凈化法案》、歐盟的歐IV標準、中國的《輕型汽車排氣污染物排放標準》等法規。面對日益嚴格的排放法規要求，車身輕量化勢在必行。

1.2 降低油耗，提高產品競爭力

研究表明，若整車質量減輕100 kg，則百公里油耗可減少0.2～0.8 L，約4.5%左右，車身質量與油耗的關系如圖1所示。隨著人們環保和節約意識的提高，車身輕量化能夠有效提升品牌形象和產品的市場競爭力。

圖1 車身質量與油耗的關系

1.3 提升車輛操控及安全性能

車身輕量化能夠直接提高汽車的比功率，提升汽車反應速度、路感反饋，降低運動慣性，從而提升了汽車的操控性能。同時，隨著車身質量減低，加速和制動距離更短，在規避安全事故的發生起到不小的作用。一臺輕盈的車在意外狀況下，更能夠借助汽車的制動系統和其他主動安全系統，避免意外的發生。

被動安全方面，汽車在碰撞時所產生的沖擊能量與汽車的質量成正比。在同等條件下，車身質量越輕碰撞時的沖擊能量越小，對汽車、車內人員及行人造成的沖擊力也越小。

由于車身輕量化在減少環境污染、降低油耗及安全性方面意義重大，所以車身輕量化是未來汽車設計和制造的趨勢之一。汽車輕量化發展主要有3個方向：①在制造上采用新型材料，主要分為低密度材料和高強度材料兩大類；②優化車身結構設計，以減少零部件數量并提高制件強度；③為了應對材料和結構的變更，進行工藝革新。

2 輕量化材料的應用

2.1 高強度鋼

高強度鋼的分類和定義國內外尚無統一的定義和分類方法，一般按照強度劃分或按照強化機理劃分，將屈服強度小于210 MPa的鋼稱為軟鋼；210～550 MPa的稱為高強度鋼；屈服強度高于550 MPa的稱為超高強度鋼。各種強度鋼的抗拉強度和延展率如圖2所示。

圖2 各種強度鋼的抗拉強度和延展率

高強度鋼價格相對較低，具有高的結構強度、優越的碰撞吸能性和抗疲勞強度，且沖壓成型性、焊接性和可涂裝性優良。關鍵是能夠利用現有汽車生產線生產，從而節約設備投資，所以現階段高強度鋼是車身減重的首選材料。

車身側圍板、頂蓋、發動機罩、翼子板、行李廂蓋、車門板等常用高強度鋼。影響車身整體強度的車身框架部分如保險杠、底板梁、頂蓋橫梁等，多選用超高強度鋼，北京現代YC車型高強鋼應用現狀如圖3所示。

圖3 北京現代YC車型高強鋼應用現狀

2.2 鋁合金材料

鋁合金材料密度是鋼的1/3，吸能性是鋼的2倍，在碰撞安全性方面有明顯優勢，且鋁的可回收性和耐腐蝕性佳，是最常見的車身用輕金屬材料。雖然彈性模量低，但有很好的擠壓性，能夠得到復雜界面，從結構上補償部件的剛度。在滿足剛性和強度等方面力學性能的前提下，大大降低了材料消耗和制件的質量，進而實現車身輕量化、提高整車燃油效率。鋁制與鋼制發動機罩種類比較見表1。

表1 鋁制與鋼制發動機罩種類比較

由于鋁合金具有上述優良特性，自20世紀70年代石油危機以來，歐美日等汽車大國就開始在量產車上應用鋁合金，如鋁合金機罩、行李廂蓋、翼子板、保險杠、車廂地板、散熱器框架等。隨著鋁合金加工工藝和裝配工藝日漸成熟，Audi A8車型實現了全鋁車身的設計和制造，實現了車身減重40%的成績。Audi A8第1代鋁合金ASF車身如圖4所示。

圖4 Audi A8第1代鋁合金ASF車身

2.3 鎂合金材料

鎂的密度是1.74 kg/m3，是鋁的2/3，且鎂合金材料吸震性好，生產模具壽命高、尺寸穩定，作為輕量化材料應該更合適，但鎂的化學活性高，加工過程中容易發生燃燒和爆炸，存在安全生產問題，且耐腐蝕性、蠕變強度和再生技術不如鋁。所以現階段相比于鋁合金，鎂合金的研究和發展很不充分，只應用于少量車型的發動機罩蓋、轉向盤、座椅支架、車內門板、變速器外殼等方面。鎂合金轉向盤如圖5所示。

2.4 塑料和復合材料

為節約資源、滿足輕量化、防腐蝕、低成本和美觀等要求，現代汽車材料方面正在大量采用非金屬材料，目前主要有工程塑料和復合材料。

汽車用工程塑料主要有PP、PE、PVC、ABS、PA等，工程塑料具有密度小、成型性好、耐腐蝕、防震、隔音隔熱等優良特性，同時，又具有金屬鋼板不具備的外觀（顏色、光澤）和觸感，所以在汽車上廣泛應用。主要有前后保險杠、儀表板、前后照燈、行李廂蓋、翼子板及眾多內外飾件（殼體、罩蓋、手柄等）。

復合材料是指兩種或兩種以上物理性質和化學性質不同的物質結合起來而制成的一種多相固體材料，通常由增強材料和基體復合而成。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維和高分子材料。復合材料具有很多金屬材料無法比擬的優點，具有防銹、隔熱、隔聲、保護人體、密度小、強度高、抗疲勞度大等特點。近年來，復合材料主要應用于前端托架、儀表板骨架、電池托架、懸架和車架等汽車結構件上。高強度有機纖維增強復合材料有很高的機械強度，能代替鋼架材料，從而減輕車身質量；碳纖維增強復合材料能夠代替鋼板彈簧，運用于懸架系統。除零部件的應用外，克萊斯勒等車企用玻纖增強熱塑性聚酯注射成型了CCV車型，可用于大規模生產，如圖6所示。

圖5 鎂合金轉向盤

圖6 克萊斯勒CCV車身

3 輕量化結構設計

除直接運用輕量化材料代替普通鋼板外，也可以對車身整體結構進行分析和優化，實現汽車零部件的整體化、集成化和精簡化。隨著結構設計軟件的發展，一般利用CAD、CAE技術進行車身布局設計和室體結構優化，對各構件的形狀、配置、板厚進行強度、剛性的計算和分析，同時能夠在保證性能的前提下，尋求零部件壁厚減薄、數量精簡和結構的整體化、合理化設計。

3.1 布局優化

布局優化即考慮實際工況來實現車身整體或局部結構的最佳布局形式，如采用前置前驅布置可減少很多傳動系統制件，從而達到減重目的。另外，采用承載式車身，因取消了車架從而大大減少了車身質量。

3.2 尺寸優化

尺寸優化往往根據質量、強度等，優化板厚、梁截面及平面慣性矩等尺寸，以使應力分布均勻化。尺寸優化一般以汽車零部件的形狀尺寸為變量，以滿足各種工況下的剛度、振動、強度、吸能等為前提。汽車設計中線性靜力學問題和線性振動問題，可以使用傳統的數值優化算法，對輕量化直接進行設計。以線彈性尺寸優化為基礎的設計方法，可以對汽車上使用的零部件進行優化并對汽車進行減重。

3.3 形狀優化

形狀優化即通過適當改變制件的外形，使結構受力更加均勻。具體措施是對汽車結構整體或局部進行形狀優化，從而使材料能夠發揮出更大的潛力。工程師們一般利用有限元法來避免應力高峰使應力分布均勻化。具體做法是向承受高負荷的部位儲存或增強材料，在承受低負荷的部位減薄或去除材料。

3.4 拓撲優化

拓撲優化即對指定設計空間的材料分布進行分析，通過拓撲算法自動得到最優化的動力傳遞路徑，以達到盡可能多節省材料的目標。拓撲優化就是尋求材料在空間的最佳分布，被廣泛承認是一種最具有應用價值的方法，常用的結構拓撲優化方法有均勻化方法和變密度法。在工程分析過程中，為更清晰地定義設計空間、目標和約束，一般遵循如圖7所示流程。

4 輕量化制造工藝

在使用輕量化材料和優化結構設計后，往往需要革新制造工藝來滿足材料和結構的變化，如目前已廣泛應用的激光拼焊板、熱沖壓成型、液壓成型等工藝。

圖7 拓撲優化的基本流程

4.1 激光拼焊板

激光拼焊板（Tailor Welding Blanks， TWB）可將不同材質、不同厚度、不同強度和不同表面鍍層的板坯拼合起來，然后整體進行壓型。激光拼焊板工藝已在汽車領域成熟應用，如大眾第5代Golf車身激光焊達到了70 m。激光拼焊的工藝流程如圖8所示。

圖8 激光拼焊的工藝流程

激光拼焊板存在焊縫，所以主要應用于車門內板、加強板、立柱、底板和輪罩等部件，該工藝通過減少制件數量、減薄鋼板局部及去除點焊凸緣來實現輕量化目的。激光拼焊板在車身上的應用如圖9所示。圖9中車門內板邊緣因需加裝鉸鏈，需要在0.8 mm的主板基礎上應用2 mm厚的（加強）裁剪板，因無需加裝額外的增強板，故車門整體減重1.4 kg。

圖9 激光拼焊板在車身上的應用

4.2 熱沖壓成型工藝

隨著屈服強度和抗拉強度的提高，高強度鋼板其沖壓成型性能下降，主要表現為成型缺陷多、所需成型力大、回彈嚴重制件尺寸精度難以保證。如當強度超過1 000 MPa時，對于一些幾何形狀比較復雜的零件，使用常規的冷沖壓工藝幾乎無法成型，所以高強度鋼的熱沖壓工藝應運而生。

熱沖壓成型工藝是將高強度鋼板加熱至奧氏體化狀態，然后快速轉移到模具中沖壓成型，在保證一定壓力的情況下，制件在模具本體中以大于27℃/s的冷卻速度進行淬火處理，保壓淬火一段時間，以獲得具有均勻馬氏體組織的超高強鋼零件的成型方式。如圖10所示的車身B柱熱成型工藝。

圖10 車身B柱熱成型工藝

4.3 液壓成形工藝

液壓成型工藝采用液態的水、油作為傳力介質代替剛性的凸凹模，使坯料在傳力介質的壓力下貼合凸凹模成型。液壓成型工藝在管材、板材加工方面制模簡單、周期短且產品形狀和尺寸精度高。液壓成型工藝特別適合成型性差和高強度材料，所以在高強度鋼、鋁合金、鎂合金和復合材料等輕量化材料的使用上起到重要支撐作用。

液壓成型工藝一般有預成型、成型、校準3個過程，可用于板材和管材成型。

板材液壓成型技術適用于有深沖要求的復雜工件及較少凹槽的大型工件，如車身的結構件和外覆蓋件，如圖11所示車門外板的液壓成型過程。由于預成型使材料產生了期望的預應力，可以使車門等外板件在保持耐沖擊性不變的情況下減少壁厚，從而達到輕量化目的。

圖11 液壓成型的車門外板

管材液壓成型工藝是指管坯在內外部液體壓力作用下貼合內部的芯棒成型，如圖12所示。該工藝可提高管件的內、外表面精度，也可用于兩個部件的連接。主要車身制件有車頂支架、側門橫梁、散熱器支架、傳動軸零件等。

圖12 管材液壓成型原理

4.4 鋁合金壓鑄新工藝

鋁合金加工方法有鑄造、壓鑄、輥壓、擠壓、沖壓等。普通壓鑄是當金屬液在高壓下以5～50 m/s高速注入型腔，此時型腔內氣體很難排除，必然被壓縮注入制品內部，從而形成氣孔、變形等表面缺陷。隨著鋁合金在車身上的應用日益廣泛，工程師們開發了一系列鋁合金壓鑄新工藝，如沖壓壓鑄法、針孔壓鑄法、無孔性壓鑄法等。其中無孔性壓鑄法最受歡迎，壓鑄時注入型腔的金屬液與氧氣發生反應，型腔內隨即形成真空狀態，從而實現無氣孔且可熱處理的高品質壓鑄件。目前用無孔性壓鑄法生產的鋁合金大量應用于車輪、進氣歧管、動力轉向殼等部件上。由于應用鋁材且壁厚減小，輕量化效果顯著。

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