汽車車身輕量化設計探討

楊楊 蔣慶慶

摘 要：隨著社會的不斷發展，汽車在人們的生活中所占的地位也越來越重要，而汽車車身輕量化是未來汽車的發展趨勢，因此汽車企業應當加強汽車車輛輕量化的優化設計。文章通過對汽車車身輕量化發展的現狀進行了解，然后提出在這個發展過程中仍存在的一些問題，并對汽車車身輕量化優化設計進行分析。

關鍵詞：汽車；車身；輕量化；設計

能源消耗過快和環保形勢日趨嚴峻的今天，輕量化設計是汽車設計發展不可避免的趨勢，所帶來的效果也是非常直觀而有效。在汽車車身輕量化設計的過程中，我們要轉變理念，不斷的創新和研究新型材料，實現車身輕量化的要求和安全性的保障，為汽車的現代化發展奠定基礎。

1 汽車輕量化的理論和意義

難道說輕量化就一定會使安全性下降嗎？那要看減少的鋼板厚度是不是減到了點子上，單從車身鋼板的角度來講，蒙皮鋼板由于對車身安全起不到有效作用，所以對于這部分的“肥肉”而言，甩掉一部分反而更好，而發動機蓋板上的蒙皮鋼板更不宜過厚，過厚會影響到正面撞擊時的潰縮吸能能力，反而會對乘員安全造成影響。汽車輕量化的概念就是在保證汽車車體的強度、剛度、模態以及碰撞性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性和安全性，減少燃料消耗，降低排氣污染。世界各國均在推行強制汽車制造商降低汽車油耗的政策。有研究數據顯示，汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽車整車重量，每減少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6升，CO2排放量可減少約5g/km。由此可見，汽車輕量化可以提高燃油效率和降低油耗，進而環保節能。所以，汽車輕量化已成為汽車企業的共識。如果不能保證行駛安全，汽車再輕再省油，沒有誰敢開。如果追求絕對的安全和耐撞，那就只能開重達數十噸的坦克，忍受每小時數百升的耗油量。因此輕量化是汽車制造的趨勢，目前輕量化主要是減少汽車自重，但是，車身作為汽車的主要承載件，需要保證足夠的剛度、強度和疲勞耐久性能，從而使整車具有良好的安全、振動噪音和耐久性能，而輕量化無疑對上述要素提出了更高的要求，這對倒逼汽車制造技術升級換代無疑是一大刺激。

2汽車車身輕量化發展現狀

世界上第一輛汽車誕生于1886年，到目前為止已經經歷了一百多年的發展，汽車在現代社會中扮演著重要角色，成為人們生活中必不可缺的工具。隨著人們的生活水平不斷提高，對汽車的要求也愈來愈高，在滿足人們最基本的需求上逐漸增加汽車的安全性、舒適度、輕量化、信息化等方面的要求。而這些要求中，汽車車身的輕量化是最為重要的，從而達到環保的目的。在影響汽車耗油量的因素當中，汽車輕量化在該方面就顯得尤為突出，能夠大大降低燃油的消耗量。另外，汽車車身的輕量化讓駕駛者更便于操控汽車，并增加了操縱的穩定性，當發生碰撞的時候，汽車車身輕量化也保證了其安全性。

現代汽車對車身進行優化設計的時候應當著重考慮其輕量化。目前以輕量化為目標的汽車車身優化設計一般采用的是現代設計方案，或者是在保證汽車性能的條件下，對汽車大量使用輕質新型材料。這樣設計出來的汽車就能達到輕量化的目的，同時降低了能源消耗，提高安全性及環保性等。

3汽車輕量化的設計和實現

在目前車身設計中高度智能化、仿真精度高的三維設計軟件的輔助下，車身設計目前實現輕量化的最主要的兩種方法：一種是用密度相近，但是強度更高的鋼材去替換低強度的厚鋼板；一種是用密度更小，強度更高的復合材料去替換低強度的厚鋼板。

3.1 優化車聲結構，提高材料利用率

比如車身下部由非連續性改為連續性，使得汽車在碰撞時有效分散撞擊能量；增加加強筋；加強防滾架平衡桿；有限元法設計；采用承載式車身，減薄車身板料厚度等。

3.2 優化制造工藝

比如激光焊接、攪拌摩擦焊、擠壓成型、熱處理、鎖錨連接等。

3.3 新材料的研發與應用

比如使用高強度鋼材（熱成型鋼材）、輕合金（鋁合金、碳纖維、鎂合金）、記憶金屬（微晶鋼）、工程塑料、陶瓷、玻璃纖維等。剛度指的是材料抵抗外力變形的能力，通常在車身開發中特指材料在屈服前的彈性特性，良好的剛度是整車NVH性能、車輛動力性能和疲勞耐久性能的基礎，常見的評判指標有車身扭轉剛度等。剛度與材料的彈性模量相關，基本上材料種類確定，彈性模量也就確定了，比如采用高強鋼并不會提升車身的剛性，因為鋼的彈性模量都一樣。

3.3.1 碳纖維

越來越多的新車上市，其中標榜的一項特點便是車身輕量化，而我們聽到最多的一個詞就是"碳纖維"。碳纖維又稱碳化纖維，泛指一些以碳纖維編織或多層復合而成的材料。因為它又輕又堅硬，所以它的用途很廣泛。碳纖維在汽車領域的應用率先從賽車開始，近年來在民用汽車中得到了廣泛的引用。碳纖維是一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為23000～43000Mpa也高于鋼。但碳纖維材料也只是沿纖維軸方向表現出很高的強度，其耐沖擊性卻較差，容易損傷，所以在制造成為結構組件時，往往利用其耐拉質輕的優勢而避免去做承受側面沖擊的部分。

3.3.2 結構膠

再比如結構膠，過去烘烤硬化結構膠只在車身上有少量應用，但是現在的趨勢是可以通過采用更多的結構膠提升車身剛度性能，從而降低結構件的重量，奧迪、沃爾沃的一些車身上采用了超過100米的結構膠；再比如填充在車身接頭的發泡硬化材料，可以有效替代傳統加強板形式的加強件，即提升性能，又降低重量。

3.3.3 鎂合金

鎂合金是工程應用中最輕的結構材料，也是汽車輕量化材料中的一員。純鎂的密度僅為鋁的2/3，鋼的1/4，接近工程塑料的密度。而且鎂合金的比強度也比鋁合金、鋼鐵高。因此在不降低零部件強度條件下，鎂合金鑄件比鋁鑄件的重量減輕大約25%。此外，鎂合金還有良好的焊接和鑄造性能、對振動與沖擊的吸收性能好，抗凹陷性能好，易于機械加工。但是由于價格較高和高溫抗蠕變問題尚未得到有效解決，鎂合金目前主要應用于儀表盤基座、風扇架、方向盤軸、燈托架等汽車零部件中。工程塑料具有質輕、防銹、吸震、可設計自由大等特點，工程塑料在汽車零部件，特別是內飾部件的應用越來越大。工程塑料在汽車上的用量，甚至超過了鑄鐵的用量。很多塑料零件應用于車身上，比如大眾系的車子都采用了塑料的前端水箱框架，有些車子有塑料的后地板等等。

可見目前幾乎所有的優化設計的思路都是在保持車身性能不下降的前提下降低車身重量，通過給定的工況下求出載荷的最佳傳遞路徑，從而設計出最優的車身結構。與此同時，大量的新材料新工藝也在幫助車身降低重量。

4汽車車身輕量化方法

4.1 汽車零部件輕量化的方法

為了達到汽車車身輕量化的目的，應當從其根本著手，實現汽車零部件的輕量化將對汽車車身的輕量化有著非常大的幫助。實現汽車零部件輕量化的方法大致可以分為四個方面。第一，汽車產業應當加強對汽車零部件設計的創新，實現汽車輕量化與安全性的結合。并增加駕駛的舒適度，使新型汽車車身與傳統相比，更耐腐蝕，使用年限增加，在對汽車零部件設計創新的時候，也應當注意下生產時的成本問題，從而達到提高汽車零部件的設計水平的目標；第二，在對汽車零部件進行設計的時候，應當依據相關的準則，并對相關汽車零部件進行創新設計，在保持原本零部件性能不降低的情況下，盡可能將輕量化材料應用到汽車車身上，有的零部件相對較厚，這時候可以采用高強度的輕量化材料將其替代，從而在汽車零部件的材料方面達到汽車車身輕量化的目的；第三，在對汽車車身設計的時候，可以引進先進的制造工藝，從而最大程度上實現汽車車身輕量化。

4.2 基于設計的汽車輕量化方法

通過一些相關資料來看，國外汽車行業的技術人員實現汽車車身輕量化主要是從開發技術方案及輕量化汽車結構形狀入手。國外技術人員結合設計概念與理論，對設計方案進行創新；在對汽車結構形狀進行設計的時候，有限考慮汽車內部空間結構，對其進行合理優化，使汽車內部的布局達到最佳狀態，這樣就能最大程度上減少汽車車身上的零部件，從而達到汽車車身輕量化的目的。

5結束語

汽車輕量化是近幾年行業內一直熱議的話題，各大廠商在推出換代產品時，經常會宣稱相對上一代產品實現了整車質量減重XX公斤。這對消費者的傳統觀念是一種挑戰，傳統消費者對于車身的重量有很大的執念，并不能很快接受駕駛感官實際主要與底盤和轉向系統的調教，以及空氣動力學等因素有關，與車重并不是直接劃等號的關系。

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