江淮汽車車身材料應用設計簡述

孫啟林，張龍，李凡，王泉杰，劉凱

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

前言

目前，車企都在大力推進新材料應用，尤其是涉及到輕量化、安全、防腐等性能的新型輕質材料越來越受到青睞，但是受成本及技術成熟度等限制，大家還是傾向于鋼質車身的開發。傳統汽車通過不斷提升高強度鋼板的應用比例來降低車身的重量，這不僅有效保證了車身的碰撞安全[1]，提升了車身的剛度，還能使車身成本維持在一個比較合理的區間，所以在很長一段時期內鋼質車身還是主流。本文重點講述了鋼制車身的輕量化、安全及防腐設計技術。

1 輕量化設計

1.1 車身輕量化關鍵技術

研究數據顯示，汽車車身自重約消耗 70%的燃油，若整車重量減低10%，燃油效率可提高6%～8%，排放下降約4%[2]。汽車輕量化是一個復雜的系統創新工程，涉及整車、發動機、底盤、車身、懸架、內外飾等各個方面，簡單逆向設計并不可取，其中，車身輕量化技術又是各大車企尤其是新能源汽車企業發展的重點，其關鍵技術包含：高強鋼應用技術、鋁合金應用技術、鎂合金應用技術、碳纖維應用技術及結構環理論設計等。

1.2 輕量化設計

車身輕量化設計主要從材料、結構、工藝三方面入手，其中材料設計包括，高強鋼應用、以塑代鋼設計、鋁合金應用、結構膠設計；結構設計包括拓撲結構優化、框架結構設計、模塊結構設計；工藝設計包括激光拼焊板及熱成型板等應用。

1.2.1 高強鋼設計

江淮汽車二代車型白車身大量采用高強度鋼板，應用比例達到60%以上，較一代車型實現減重50kg，A、B柱等區域使用抗拉強度1500MPa的熱成型鋼板，比例達5%；其它車身結構件大量應用抗拉強度500-600 MPa高強度鋼板，比例達40%以上，很好的滿足了車身輕量化設計要求。

表1 江淮汽車某車型高強鋼應用比例

圖1 江淮汽車車身示意圖

1.2.2 結構輕量化

1）法蘭式焊接邊設計

在零部件焊接邊位置，通過合理設計，在滿足強度與焊接邊尺寸要求的情況下，將其設計成法蘭形式，能夠實現2kg左右的減重。

圖2 法蘭式焊接邊

2）減重工藝孔設計

在 A、B、C柱、頂蓋橫梁、后圍加強板等部位設計減重工藝孔，能夠實現減重3kg。

圖3 減重孔

3）搭接止口設計

側圍外板下部采用斷開式搭接設計，將側圍外板下止口上移與門檻外加強板側面焊接，減少了側圍外板高度方向（Z向）的尺寸，能夠實現減重4kg。

圖4 側圍外板下部斷開式搭接

2.2.3 工藝輕量化

1）熱成型鋼板應用

上A柱、上A柱連接板及B柱采用熱成型鋼板，左右共計6個件，相應的減少了A柱及B柱加強板，相比普通鋼板，能夠實現減重13kg，同時也保證了車身的側碰性能要求。

圖5 熱成型零部件應用

2）激光拼焊板設計

發動機艙縱梁、門內板采用激光拼焊工藝，左右共計 5個件，相比普通鋼板，能夠實現減重5.0kg。

圖6 激光拼焊板

表2 激光拼焊板應用方案對比

3 安全性設計

隨著中國汽車保有量的持續增長，中國汽車交通安全問題逐漸凸顯，汽車產品的安全性能成為汽車潛在消費者關注的重要購買因素[3]。

3.1 框架設計

框架式車身骨架，通過結構優化設計，構建“結構環”式的牢籠車身，確保車身的剛度及安全性能；拓撲優化下車體骨架，使從車身前部或者側面來的碰撞能量能夠通過合理的傳遞路徑被車身框架有效吸收；前部碰撞能量被發艙環、邊梁環及A柱環等結構吸收，側面碰撞能量則被B柱環、門檻及座椅橫梁等結構吸收。框架邊梁環是由6個車身板件構成，能夠有效傳遞正面碰撞的能量，提升整車的安全性能，保護乘客安全。

圖7 框架環狀結構

圖8 框架邊梁環結構

3.2 側面碰撞結構設計

B柱、B柱上框采用熱成型鋼板，減少了側面碰撞時的車身侵入量，提高了碰撞安全性。

圖9 熱成型上B柱、B柱上框結構

3.3 扭矩盒設計

圖10 扭矩盒結構

在關鍵鉸接點位置采用扭矩盒結構設計，它一般由6個車身結構件組成，節省了因單純增加料厚或者增加零部件帶來的重量，而且能夠提升關鍵受力部位的強度，實現車身輕量化。

3.4 高剛度前后懸安裝結構

在前、后懸架安裝部位設計有Z向加強梁結構，提升了車身關鍵受力部位的結構強度，從而有效承載來自底盤部件的作用力，能夠提升整車的操穩及NVH性能[4]。

圖11 前懸加強梁結構圖

圖12 后懸加強梁結構

4 防腐設計

車體防腐設計工作主要是從防腐要求、防銹工藝設計、重點部位防銹設計開展，包含結構設計、工藝設計、材質設計三方面內容，下面以A柱防腐設計為例做下介紹。

4.1 結構設計

4.1.1 結構分類

側圍A柱主要由側圍外板、A柱外板加強板、上鉸鏈加強板、下鉸鏈加強板、限位器安裝加強板、A柱內板、CCB管梁安裝支架/加強板、A柱內板加強板等組成，同時受到翼子板分縫位置、外飾門檻護板配置等因素影響結構有所不同。

圖13 側圍A柱總成結構

4.1.2 空腔截面尺寸

圖14 涂裝電泳空腔尺寸

為了便于電泳液在空腔內流動，除焊接面外需對空腔最小的最小尺寸做出要求，根據工藝特點要求，并且經過實車的拆解驗證，當最小間隙設計為 5mm時，空腔內各位置的電泳膜厚符合設計要求，如圖示意。

4.1.3 工藝孔

A柱上的通電孔設計主要以A柱外板加強板為主要部位，側圍外板和A柱內板根據電力線貫通需求增加相應的貫通孔位，保證電泳液能夠順利進入并有效附著。

圖15 側圍A柱工藝孔

4.1.4 毛刺設計

沖壓件毛刺對于車身防腐也有一定的影響，尤其是在止口邊位置，設計時要求毛刺方向盡量朝向非外觀面（中間加強板方向），具體要求如下：

1）側圍外板毛刺方向D如圖示，向內，毛刺高度0.06mm（料厚0.7mm）；

圖16 側圍外板毛刺方向示意

2）外板加強板毛刺方向 D如圖示，向內，毛刺高度0.11mm（料厚1.0mm～1.6mm）；

圖17 側圍外板加強板毛刺方向示意

3）A柱內板毛刺方向D如圖示，向外，毛刺高度0.11mm（料厚1.0mm～1.6mm）；

圖18 側圍A柱內板毛刺方向示意

4.2 工藝設計

4.2.1 點焊密封膠

為保證側圍A柱的防腐性能，防止水流入A柱內空腔內，側圍A柱總成的前部搭接邊位置、側圍A柱與前圍總成搭接位置等需設計點焊密封膠，如下圖所示。

4.2.2 焊縫密封膠

為保證A柱空腔的密封及A柱總成的前端外露止口銹蝕，需設計焊縫密封膠，如下圖所示。

圖19 焊裝密封膠打膠位置示意

4.2.3 焊裝密封膠片

1）車身應用位置：①翼子板及其他焊裝安裝的需要一起過涂裝電泳的鈑金件的安裝面處；②圖 1所示規格適用 M6安裝螺栓。

4.2.4 焊裝密封膠片設計要求

1）翼子板與其安裝支架之間的數模設計間隙為零。2）在焊裝裝配翼子板前，將密封膠片粘貼于翼子板安裝支架的安裝面上，然后進行翼子板的安裝與調整（不得影響螺栓安裝）。3）密封膠片無吸水、發泡以及開裂現象，微弱膨脹后，對標準件也起到一定的保護作用，對整車外觀無影響,滿足外觀間隙要求。

圖20 所有翼子板支架安裝點

圖21 密封膠片安裝示意圖

4.3 材質設計

為保證整車的防腐性能要求，在重要外觀面、水流接觸部位、重要安裝面等采用鍍鋅板設計，如表3中所示左/右側圍外板等部位；表4所示表明隨著車型開發要求的提高，車型鍍鋅板的應用比例也在不斷加大，目前我公司較多的采用熱鍍鋅鋼板，如DC56D+ZF等。

表3 車身鍍鋅板應用部位

表4 車身鍍鋅板應用比例

5 總結

汽車所用的材料，由于節省能源、節省資源、安全等的需要而有所變化，新材料相繼被推出、應用，如鋁合金、鎂合金、碳纖維等。但是，在現階段尤其是在車型開發成本控制比較嚴格的情況下，鋼板在汽車上的應用前景仍然十分廣闊，潛力巨大，所以如何通過合理的設計來滿足相關性能目標達成就顯得十分必要[5]。目前，我們也在持續研究結構優化設計及先進高強鋼、先進工藝的應用方法，而且隨著高強度鋼板本身技術的進步，相信車身的輕量化、安全、防腐等性能也一定會越來越好。

參考文獻

[1] 莊厚川.先進高強度汽車鋼板應用中面臨的挑戰.中國汽車工程學會第20屆材料年會論文集 2016.100-104.

[2] 詹華.馬鋼汽車用先進高強鋼的研究發展.中國汽車工程學會第20屆材料年會論文集2016.131-138.

[3] 傅連學.中國汽車安全發展報告.社會科學文獻出版社2015.4.

[4] 崔新濤.多材料結構汽車車身輕量化設計方法研究.天津大學博士論文.2016.19.

[5] 李楊.汽車用先進高強鋼的應用現狀和發展方向.材料導報.2011.104.