白車身輕量化設計實例研究

徐海霞，李坤

白車身輕量化設計實例研究

徐海霞，李坤

（華晨汽車工程研究院白車身工程室，遼寧 沈陽 110141）

白車身輕量化設計，可以減小汽車整備質量，從而降低汽車油耗，節約能源，減少環境污染，在汽車制造工業中具有非常重大的意義。文章從某車型白車身結構設計優化、新材料、新工藝等方面介紹了白車身輕量化技術的應用，并簡述了白車身輕量化技術研究方向。

白車身；輕量化；設計

前言

有關資料數據顯示，2020年上半年我國汽車保有量3.6億輛，較2019年底增加1.2億輛。其中汽車保有量最高達到2.7億輛，占機動車總量的70%以上。隨著汽車保有量的急劇增加，節約能源，減少環境污染已經是汽車行業迫切解決的兩大問題。據有關研究表明，汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。汽車整備質量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3 L～0.6 L。二氧化碳排放量可減少約5～8 g/km。因此，汽車輕量化已經成為當今汽車行業的重要研究課題。汽車輕量化是指在保證汽車安全、剛度、NVH等性能提升或者不降低的前提下[1]，通過結構設計和優化，合適的材料選用，合理的制造工藝等手段來達到整車質量降低，從而提高汽車的動力性能，減少燃料損耗，降低污染排放，獲得良好的經濟效益和社會效益。

白車身的輕量化設計，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，提高材料利用率[2]。對已有的車型進行輕量化計，可以在保證車身結構整體性能不受影響的前提下，最大限度地減輕車身各零部件的重量。本文結合我公司某款車型，從白車身結構優化設計，新材料，新工藝等方面，介紹白車身輕量化技術的應用。

1 白車身減重途徑

1.1 提高材質牌號，減小板材厚度

提高材質牌號，減小板材厚度可以實現減重。根據前上縱梁內板后板CAE正碰分析報告（如圖1），左右前縱梁變形較小，橫截面連接平滑，傳力充分；將此零件由材料B340LA 替換成HC420LA，料厚由1.6 mm變成1.4 mm提升載荷傳遞。重量由3.21 kg減小到2.809 kg，實現減重0.401 kg。減小板材厚度后需再一次進行CAE正碰分析，以滿足車身性能要求。

圖1 前上縱梁內板后板正碰示意圖

1.2 增加減重孔，合理的切邊

增加減重孔，合理的切邊也是減重的重要途徑。例如頂蓋橫梁中間增加減重孔（如圖2），采取鋸齒形切邊，避讓焊點，達到減重的目的。

圖2 頂蓋橫梁

經CAE頂部抗壓強度分析，車頂最大承受載荷為58.9 kN，按照法規要求，載荷達到3倍重力（45.42 kN）時，車頂位移為31.4 mm（<100 mm），滿足法規要求，如圖3。

圖3 頂部抗壓強度分析示意圖

1.3 鋁合金、鎂合金材料的應用

鋁合金材料具有重量輕，吸能效果好，結構強度好，成型工藝簡單的特點。目前我司平臺車型已全部采用鋁合金材料前防撞梁，比較與傳統的鋼制前防撞梁，經過一系列的優化設計，最終鋁合金前防撞梁能夠滿足整車性能要求，實現重量降低45%。（如圖4所示）。

圖4 材料對比

壓鑄鎂合金材料具有重量輕，零件集成化程度高，尺寸精度高，設計靈活，百分百回收利用的特點，能夠很好地起到減重的效果，如圖5。

圖5 鎂合金儀表板橫梁

1.4 激光拼焊及熱成形技術的應用

目前激光焊接生產線已大規模出現在汽車制造業，成為汽車制造業突出的成就之一。激光拼焊是同一個零件不同部位，可以實現不同強度、不同厚度的材料拼焊，是較好地實現減少零件數量，減少模具套數，降低重量的技術。激光拼焊還可以實現異形料片剪裁拼焊，提升材料利用率。如圖6，前縱梁采用激光拼焊，達到了輕量化的目的。

圖6 前縱梁

超高強度鋼（抗拉強度達1 500 MPa以上），有效提高碰撞性能，零件集成度高，成形性好，尺寸精度高，能夠實現車身輕量化。常規的冷沖壓幾乎無法實現復雜零件成形，可以采用熱成形技術[3]。歐洲典型車熱成形件應用情況如圖7。

圖7 歐洲典型車熱成形件應用情況

我司熱成形技術已應用于A柱、B柱、縱梁加強板等零件。例如B柱采用熱成形技術，重量降低25%，如圖8。

圖8 熱成形技術

2 白車身輕量化技術研究方向

（1）對于應用現有產品結構優化可以在具體項目開發過程中實現。

（2）輕量化關鍵技術是多材料整體設計技術。針對傳統車型和新能源車型應用的輕量化技術特點，開展設計-材料-工藝一體化設計模型與結構優化、零部件評價等技術研究。

（3）研究超高強鋼、鋁合金、鎂合金、纖維增強復合材料等多種材料混合應用技術，以及應用這些技術必需的連接技術，以達到“合適的材料用在合適的部位”[4]的目標。

（4）管制車身結構是基于沖壓與焊接技術來實現其車身結構，越來越多的液壓管材成型技術也正在投入使用中，液壓成型管材技術可以實現減重，結構整合，簡化工藝程序的目標，是未來白車身輕量化技術的研究方向，如圖9。

圖9 管制結構示意圖

3 結論

本文主要闡述了實現白車身輕量化的主要途徑，并在實際車型中得以應用。在滿足車身強度、剛度、NVH等性能要求的前提下，達到了降低車身重量的目的，大大提升了車身開發能力和輕量化技術水平。白車身輕量化對于降低汽車燃油消耗和減少排放污染起著舉足輕重的作用，未來輕質材料及新工藝的應用將是白車身輕量化的重要研究課題。

[1] 趙桂虎.淺談白車身輕量化[J].中國科技博覽,2018(33):132.

[2] 汪濤.車身輕量化設計分析[J].時代汽車,2019(18):82-83.

[3] 王立成,王松,湯湧.輕量化車身減重設計研究[J].汽車實用技術, 2020(14):59-61.

[4] 王磊,劉瑩,喬鑫.基于正向開發流程的車身輕量化設計[J].汽車工程學報,2015,5(06):461-465.

Case Study on Lightweight Design of Body in White

XU Haixia, LI Kun

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute BIW Section, Liaoning Shenyang 110141 )

The lightweight design of BIW can reduce the vehicle's curb weight, reduce the fuel consumption, save energy and reduce environmental pollution, which is a great significance in the automobile manufacturing industry. This paper introduces the application of BIW lightweight technology from the aspects of structural design optimization, new materials and new technology of a certain vehicle, and briefly describes the research direction of BIW lightweight technology.

Body in white; Lightweight; Design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.032

U463.82

A

1671-7988(2021)21-123-03

U463.82

A

1671-7988(2021)21-123-03

徐海霞，就職于華晨汽車工程研究院白車身工程室，主要從事白車身結構設計。