車身輕量化設計方法

郎 勇

（吉利汽車前瞻技術研究部，上海 201501）

引言

隨著汽車設計技術水平的提高，輕質材料的推廣，工藝制造水平的提高，通過合理的車身結構、新材料的應用、新工藝實施，以更低的重量，實現整車性能目標成為可能。

1 車身輕量化評價方法

目前汽車行業內公認的評價車身輕量化設計指標是白車身輕量化系數。

白車身輕量化系數作為汽車輕量化的評價指標，考慮了車身扭轉剛度、車身大小、質量水平，對白車身材料的合理使用、結構優化設計有重要意義。

1.1 車身輕量化評價方法

輕量化系數計算公式，如下：

其中：

— L為輕量化系數；

— m為白車身重量(不包含四門兩蓋及玻璃)；

— KTG為車身扭轉剛度；

— A為四輪的正投影面積(即輪距×軸距)。

2 車身輕量化設計方法

依據車身輕量化系數公式可知，隨著車身質量減輕與車身扭轉剛度提高，車身輕量化系數將減少，車身輕量化水平將提高。

2.1 減輕白車身重量m

輕量化系數主要考核的是單位重量的白車身所實現的車身性能。

在保證車身性能的前提下，降低白車身質量，可能通過如下途徑實現。

2.1.1 提高高強度鋼板用量，減少材料厚度

零件材料厚度的減少，必須提高材料強度，以保證零件可靠性。

高強度鋼板 除了隨著強度增加，沖壓性能變差，回彈量大尺寸難以控制外，其優勢如下：

——高成型性，高強度及抗凹陷性；

——屈服強度高，是能夠減薄板厚，降低重量；

——吸能性強，在減重的同時提高汽車安全性；

——耐腐蝕性好，使用壽命長。

——相對于傳統 340MPa的材料，600MPa級鋼種的減重潛能約為20%。

——經濟性好，可以沿用原有的沖壓設備及焊接設備。

目前鋼板車身已大量使用高強度鋼板（包括高強度、超高強度和夾層減重鋼板），可以在不增加成本的前提下，實現車身降重25%（以4門轎車為參照），且靜態扭轉剛度提高80%，靜態彎曲剛度提高52%，車身強度極大的增加，滿足全部碰撞法規要求。

目前高強度鋼主要應用在汽車安全件、底盤及車身等方面，特別是車身座艙的A、B柱，門檻，車頂邊梁以及底盤中央通道等關鍵部位上，可以大幅度提高車輛保護車內人員安全的能力。

如圖1所示，高強度鋼板在車身上的應用。

圖1

2.1.2 減少車身零件數量，降低車身質量

高強鋼強度越高，成形難度越大，尤其是當鋼板強度達到1500MPa時，常規的冷沖壓成形工藝幾乎無法實現，只能采用熱成形技術。

圖2

目前，車身應用的超高強鋼的零件主要有前、后防撞梁、A柱加強板、B柱加強板、車門防撞梁等構件。通過熱成形零件的使用，可以有效的減少加強板零件的數量，并減輕車身質量。

以某傳統車型為例，B柱結構如圖2所示，包括側圍外板、側圍內板、B柱加強板及鎖扣加強板等零件。其中，B柱加強板的料厚為1.5mm，鎖扣加強板的料厚為2.0mm。

通過對設計進行變更，B柱加強板采用熱成形工藝的高強度鋼板，則可以省去鎖扣安裝板，減重大約2.5kg。

2.1.3 采用多種材料，降低車身質量

以鋼板車身、鋁合金車身或鋼鋁混合車身為主，復合材料或塑料零件為輔，多種材料組成的車身日益成為輕量化車身的趨勢。

鋁合金材料具有如下優勢：

——鋁的密度約為鋼的1/3；

——鋁合金具有質量輕、耐腐蝕性好、耐磨性好，比強度高及可回收等優點；

——鋁合金減重效果優于鋼鐵，汽車使用1kg鋁可替代2.25kg鋼材，相比于鋼板車身，輕質鋁合金車身可以減重30%～40%。

復合材料的優勢：

——復合材料綜合性好；

——復合材料具有密度低、體積質量小、強度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優點。

——如碳纖維增強復合材料（CFRP）車身比鋼質車身可減輕50%的質量，比鋁車身輕約30%，如寶馬I3。

工程塑料的優勢：

——成形性好，質量輕，減重約20%～30%

——能夠緩沖吸能，抗沖擊性好，抗腐蝕性好，具有一定的耐熱性。

在車身設計中，可以利用各種材料的性能優勢，在滿足車身性能的前提下，降低車身質理。

2.1.4 合理選擇材料厚度，減輕車身質量

在車身設計中，合理選擇材料厚度對車身質量的影響十分明顯。以喇叭安裝支架為例，根據喇叭性能的要求，有的設計者選用BLC t=1.2mm的材料，有的選用BLC t=1.4mm或BLC t=1.5的村材，單從材料厚度上看，相差不大，但實際上，選用t=1.2mm就能滿足要求，而選用t1.4mm及t=1.5mm的材料就屬于過度設計。相比較而言主，選用t=1.2mm的材料，從重量上零件就可以減輕0.014kg。如果考慮全車近500多個零件，則輕量化較果相當的明顯。

如何選用合理的材料料厚，需要結合以往的設計經驗，并與CAE分析相結合，達到減重的目的。

2.1.5 設計減重孔，減輕車身質量

通過設計減重孔，減輕零件質量，并根據零件結構，合理設計加強筋及翻邊強結構，適當增加零件的強度，如圖 3所示，增加減重孔來減輕零件質量并設計翻邊結構，增加零件強度。

圖3

2.1.6 合理設計焊接搭接邊，以減輕零件質量

焊接邊的設計需要根據焊接流程及生產實際與工藝水平進行合理設計。不能只考慮設計方便，均設計成L=15mm的焊接邊。

應根據焊接順序及零件的大小，參考生產實際工藝水平，分別對待。例如，有的零件的焊接邊就可以設計成L=12mm。

通過優化焊接邊的設計，可以達到減輕零件質量的目的，從面減輕車身的質量。

2.1.7 控制車身用膠量及阻尼板的布置面積與厚度，減輕車身質量

車身的用膠量及阻尼板的使用面積=與厚度對車身質量具有一定的影響，通過優化可以達到減重5kg～10kg左右。

阻尼板的布置應參考CAE分析結果，進行確定。

2.1.8 采用先進的焊接技術，減輕車身質量

傳統的點焊技術，通常對車身質量影響不大。但CO2保護焊的使用，則對車身質量影響較大。在車身結構設計時，應通過結構優化，盡量減少CO2保護焊的應用。

對不同厚度要求的板料，可以考慮采用激光拼焊技術，減少零件數量，減輕車身質量。如前縱梁內板，根據正面碰撞的性能要求，其前段要求吸能，后段要求具有一定的強度，以控制發動機等零件對前圍板的侵入。因此要求其本體前后兩段料厚不一致，如圖4所示，前段料厚為1.2mm,后段料厚為1.8mm。

圖4

如采用傳統方式設計，前縱梁內板需要拆分成兩個零件，即：前縱梁內板前段與后段，并通過點焊焊接成前縱梁內板本體。兩個零件均需要設計焊接搭邊，以便進行焊接，零件重量必然有所增加。同時，在制造工藝上，共需要八套模具與一套焊接工裝，同時在焊裝線上需布置一個焊接工位，不利于降低成本。

如采用激光拼焊技術，將前縱梁內板前段與后段焊接成一體，進行沖壓，制成一個零件，從而減少焊接搭邊及工裝器具，能夠達到有效降低成本，減輕零件質量的目地。

2.1.9 控制標準件有效長度選用，減輕車身質量

在車身設計中，標準件的選用量很大，總質量占車身質量的3%～5%左右。但標準件有效長度的選用，通常關注度不高。在設計時，因設計者而異，基本無統一標準，比如焊接螺栓的選用，有的設計人員選用 L=15mm，有的選用L=20mm，有的選用L=25mm，但如果選用L=15mm的就能滿足設計要求，那么選用L=25mm或L=25mm，就可以進行優化設計，減輕車身質量。

2.2 提高扭轉剛度KTG

白車身扭轉剛度是車身重要的力學特性之一。

2.2.1 增加板料厚度，提高車身扭轉剛度

經對零件扭轉剛度敏感度分析發現，板材料厚的增加對零件的扭轉剛度影響明顯。

但材料厚度的增加，對車身輕量化不利。此方法只適用于局部扭轉剛度相對薄弱的單個零件進行調整。

2.2.2 優化結構斷面，增加接頭剛度，提高車身扭轉剛度

由白車身地板、縱梁、側圍 A、B、C柱區域、上下邊梁及頂蓋的前、中、后橫梁等零件組成的一個個閉合型腔結構，支撐起整個車身，保證車身的性能指標達到設計要求。而白車身剛度主要是由這些閉合型腔的斷面，即車身結構主斷面的力學特性所決定的。斷面的面積與斷面的主慣性矩是計算斷面剛度的主要參數，是影響白車身剛度特性的重要因素。通常這些封閉斷面的面積或主慣性矩越大，對白車身剛度越有利。所以，優化這些結構斷面是提高車身扭轉剛度具有重要意義。

車身接頭剛度對整車安全、剛度及強度有重要的影響。車身結構中兩個以上承載構件相互交叉連接的部位稱為接頭或節點。車身接頭示意，如圖4所示。

圖4

這些車身上的T形接頭與其它承載件共同形成了一個牢固的車身承載結構。接頭部位對結構的系統影響較大，應當保持足夠的剛度。剛度不足，會導致局部區域出現大的變形，從而影響車和正常使用。

在設計時，應保證接頭盡量采用封閉盒狀結構，加強接頭處斷面的結構設計與優化，保證接頭的強度。提高車身的扭轉剛度。

3 結論

本文系統論述了車身的輕量化的設計方法與途徑。車身輕量化設計的基礎是在保證汽車的被動安全、剛度、噪聲、振動和平順性等性能提高或者不降低的前提下通過結構優化設計、輕量化材料的應用、材料厚度的減薄及合理的制造工藝等手段來實現的。

參考文獻

[1] 何莉萍.汽車輕量化車身新材料及其應用技術[M].湖南大學出版社.2016,9.