基于多材料結構的車門總成輕量化技術研究

摘 要：輕量化設計在汽車行業中扮演著關鍵角色，對于提升汽車的燃油效率具有顯著效果，推進汽車輕量化仍是行業未來發展的主流方向之一。為了減輕汽車車門的重量，改善車輛的經濟性和環保性能，文章概述了當前汽車車門輕量化設計的發展狀況，并提出了相應的技術策略。研究表明，對車門結構進行優化、采用新型材料以及引入先進的生產制造技術，可以有效降低車門的重量。

關鍵詞：多材料結構車門 車門輕量化技術 車門設計

隨著經濟的飛速增長和居民生活質量的提高，汽車已逐步成為中國家庭中常見的交通工具。越來越多的人開始關注汽車在經濟性和節能減排方面的表現。采用輕量化設計是提升汽車經濟效益、減少能源消耗及降低污染排放的有效手段。車門作為車身的一部分，會影響整車碰撞性能。車門的輕量化設計更為可行，對于促進汽車的經濟性和環保節能具有積極的影響。

1 汽車輕量化的意義

車門的總成結構主要包括外側板、內側板、窗戶框架總成、防撞梁總成以及其他加固元件，其結構布局可參見圖1。

車門的重量主要分布在幾個主要的零部件和組件上。表1展示了特定車型左前車門總成的主要部件和它們各自的重量描述。

車門內板、外板、窗框組件和防撞梁組件的總重量占到了車門總成的大部分。因此，在車門輕量化的過程中，可以優先考慮這些零部件。

對于汽車性能來說，減少重量能顯著提升操控和加速的表現，降低零件的磨損速度，并延長汽車的使用壽命。采用輕量化結構和材料不僅可以減輕汽車的整體重量，同時還能確保或提升車輛的安全性、抗震性和乘坐舒適度，并且不會對成本效益造成負面影響[1]。研究表明，如果汽車重量減輕10%，燃油效率就能增加6%至8%，相應地，油耗和排放量也會分別下降10%和5%到6%。此外，車身的制造成本約占汽車制造商總成本的60%；目前，大部分車身件都是通過沖壓工藝制作的，這些部件占到了汽車總重量的30%到40%。

2 汽車車門輕量化研究現狀

汽車種類繁多，不同種類的汽車車門設計也各不相同。部分研究人員針對汽車車門輕量化的議題，主要從三個維度進行了深入分析：一是聚焦車門輕量化技術；二是車門結構的優化；三是車門使用的材料技術。

在車門結構優化領域，不同研究機構的專家們進行了關鍵的技術研發。揚州大學的華琰和他的團隊通過HyperMesh軟件進行了車門防撞梁的有限元分析，并對其結構進行了改良，從而設計出了一種新型的W型車門防撞梁。首鋼技術研究院的魏福林等人運用NSGA-Ⅱ算法對汽車車門外板進行了多方面的結構優化，包括增強強度、提高剛度和安全性能。而陜西重型汽車有限公司的車紅江團隊則從車門閉合力的角度出發，針對重型卡車車門結構進行了優化。

在車門材料技術研究領域，專家們進行了積極探討。冀鵬來自眾泰汽車研究院，他專注于HC300/500DP材料在車門外板應用時的力學特性研究。與此同時，上海理工大學的高大威教授及其團隊則將注意力集中在22MnB5超高強度鋼在防撞桿的使用上，對其結構和力學性能如何優化進行了深入探討。

3 車門輕量化技術

車身輕量化是提升燃油效率、整車性能的重要手段，車身中開閉件（車門）的重量占比高，因此要開展車門輕量化技術開發。車門輕量化的探索可以從三個主要方向進行：采用輕量化材料、應用輕量化生產技術和進行結構優化設計。

3.1 激光拼焊板應用

隨著生產技術的進步，許多汽車制造商開始采用激光拼焊板技術。這項技術采用焊接技術結合不同厚度的金屬板材，并通過沖壓成形工藝，可以令單一零件在不同區域擁有多種板厚，以適應不同部位對性能的特定要求，并達到輕量化的目的。通常，車門內板是通過激光拼焊BUSD材料來制造的。在安裝車門鉸鏈的區域，內板的厚度是1.4mm，而其余部分則是0.7mm厚。這種設計保持了鉸鏈區及整個車門的剛性與強度，減輕內板重量。與全部使用1.4mm厚板材的車門相比，激光拼焊板車門的重量減輕了大約20%，輕量化效果明顯。

3.2 輥壓車門窗框

車門總成通常分為兩種結構類型：整體式和分體式。整體式車門的內外板是一體成型的，由于設計和結構的限制，進行輕量化較為困難。相比之下，分體式車門的車門窗框由上下兩部分構成，這兩部分并非一體成型而是通過焊接方式連接，使得窗框能夠使用與內板不同的材料和制造工藝，從而減少材料厚度，有效減低了重量。

輥壓成型技術涉及使用一系列旋轉的輥輪，對行進中的鋼帶進行連續的加工處理，以塑造出所需的剖面形狀[3]。例如，車門窗框能夠采用1180 MS級冷軋高強度鋼材，并利用輥壓成型過程來降低材料厚度和完成形狀制造。

3.3 車門外板采用烘烤硬化鋼材料

烘烤硬化鋼具有獨特的特性，在經過烘烤處理后，不僅屈服強度提高，抗拉強度也得到增強。為了實現車身減重，可以考慮用這種鋼材替換標準的冷沖壓鋼（例如DC系列鋼），用于車身外覆蓋件的生產。使用烘烤硬化鋼可以使外覆蓋件更薄，有助于減輕重量，并通過烘烤處理來提升其抗凹性能。

3.4 熱成型車門防撞梁

高強度鋼由于其卓越的強度特性，被廣泛應用于降低零件的重量同時保持其性能。傳統的車門防撞梁設計，不論是采用圓形管狀結構還是通過冷軋板沖壓成型，往往都顯得過于厚重。然而，隨著制造技術的進步，熱成型技術已經使得生產出的高強度鋼板沖壓件能夠達到超過1000MPa的強度。這種技術的普及使得使用1500 HS級別的高強度鋼材成為可能，從而顯著減少防撞梁的厚度，確保性能的同時實現車輛的輕量化目標。

3.5 集成化的車門內板總成

在車門設計過程中，為了降低重量，可以考慮使用輕質材料，如玻璃纖維增強塑料或鋁合金，來生產內部結構板材。詳細來說，車門內板的中心部位可以利用一個與玻璃升降器相結合的塑料或鋁合金板材進行替換，摒棄了更重的傳統材質，如圖2所示。這樣的設計不僅有利于減輕門板重量，還有助于維持組件的結構完整性。

3.6 鋁合金車門內外板

鋁合金以其低密度和高的強度與剛度比，以及優良的彈性、抗沖擊能力、耐腐蝕與耐磨損特性和加工特性，被認為是實現汽車輕量化的優秀材料。當前，不少汽車廠商已經在使用這種材料生產零件，如引擎蓋、防撞梁和儀表板支撐梁等。鑒于鋁合金的密度僅是傳統鋼材的三分之一左右，這使得在性能相當的情況下，使用鋁合金可以使汽車部件的重量至少減少50%，進而有效降低整車重量。

4 汽車車門輕量化方案

為了達到車門輕量化的目的，需要從車輛的整體設計、車門結構優化、新型材料的選擇以及生產制造工藝，這四個不同的角度來實施相應的策略。如圖3所示，這些方面共同作用于車門輕量化的實現。

4.1 采用先進方法做輕量化設計

在汽車輕量化的幾種途徑中，新材料研發和結構設計優化這兩個領域目前進展最快。然而，新材料開發面臨的挑戰包括漫長的研發周期、高技術門檻以及較高的開發成本，這些因素限制了其在汽車行業的廣泛應用。與此相比，結構優化在汽車制造中應用更為廣泛，技術也更為成熟，被視為實現汽車輕量化最為有效的方法。

汽車車門輕量化可以通過多種途徑來實現，其中包括使用先進的材料、優化結構設計以及改進生產工藝。首先，可以選擇輕質材料如高強度鋼、鋁合金或者碳纖維來替代傳統的鋼材，這些材料在保持必要的強度和剛度的同時，能顯著減輕重量。其次，通過采用尺寸和形狀優化的設計理念，比如利用計算機輔助工程（CAE）軟件進行模擬和分析，以設計出更加輕薄且中空化的車門結構，減少不必要的材料使用。最后，運用激光焊接、熱成型等先進制造技術，提高材料利用率和加工精度，進一步降低車門的重量。

4.2 優化車門結構

車門結構優化集中在合理配置車門的各個組件，考慮到車門和鄰近結構件的配合、鎖裝置的位置、鉸鏈的布局、窗框構造以及玻璃升降機制和密封系統的安排等[5]。鑒于設計過程中的復雜性，可以運用如遺傳算法、粒子群優化和多目標優化技術來精細化車門的結構設計，以尋找結構參數的最佳或近似最佳解。

選擇合適的材料對于車門結構優化至關重要。可以考慮使用輕質材料，如高強度鋁合金或復合材料，以減輕車門的重量。采用先進的制造工藝，如激光焊接、熱成型等，可以提高材料利用率和加工精度，進一步降低車門的重量。通過計算機輔助工程（CAE）軟件進行模擬和分析，可以設計出更加輕薄且中空化的車門結構，減少不必要的材料使用。

4.3 選擇新材料

利用新材料和復合材料是降低汽車車門重量的有效方法。選擇這些材料應基于車門各部分的特定功能需求，以達到輕量化的目的。例如，使用高強度鋼來制造車門的外皮，而采用密度更低的球墨鑄鐵來代替傳統鋼材，目的是降低重量。同時，也利用了低密度金屬，如鋁合金、鈦合金、鎂及鎂合金等也有助于顯著減輕車門的重量。在某些情況下，塑料和陶瓷可以作為鋼材的替代品。碳纖維和玻璃纖維等增強型復合材料也是制作車門結構件的合適選擇。

輕質材料包括輕質金屬和非金屬材料，輕質金屬如高強鋼、鎂合金和鋁合金，而非金屬材料則包括塑料、復合材料和陶瓷。目前，汽車行業的一個重要趨勢是使用這些輕質金屬材料來替代傳統的鋼鐵材料。舉例來說，鋁合金因其出色的物理和化學特性而被廣泛采用，它適應多種制造工藝，包括鑄造、鍛造和沖壓等。使用鋁合金不僅可以顯著降低汽車的重量，還可以在整個使用壽命期間減少廢氣排放量。數據顯示，汽車中使用1公斤的鋁可以減輕2.25公斤的重量，具有高達125%的減重效果，并能在車輛使用周期內減少20公斤的廢氣排放。全球有12%至15%的鋁被用于汽車工業，而在一些發達國家，這一比例超過了25%。到2006年為止，歐美和日本的汽車平均用鋁量已經達到了127公斤/輛。根據歐洲鋁協的預測，到2015年歐洲汽車的用鋁量有望增至300公斤/輛。

4.4 應用新的制造技術

輕量化工藝與結構設計的優化以及新材料的應用是相輔相成的，它們共同促進了汽車行業的輕量化發展。復雜的結構設計往往要求采用新制造技術以滿足生產需求，同時，運用新材料也需要依賴高級的制造與焊接技術。開發新工藝不僅為材料選擇和結構設計帶來了更多選項，而且在產品的設計初期就考慮輕量化工藝，可以更有效地規劃結構和材料，縮短產品開發的時間。目前，輕量化工藝主要包括零件制造的技術革新和形狀成型的創新兩個方面。零件制造工藝的革新是通過整合產品開發過程中的材料和工藝，顯著簡化了生產工藝鏈，使產品更加輕便，還減少了生產成本。同時，形狀成型技術的創新涉及運用CAD/CAE/CAM技術來提升沖壓模具設計的精確度和成型零件的質量。

5 結語

目前，國內汽車制造商主要采用鋁合金與高強度鋼材打造車門，以提升汽車的性能。為了進一步優化國內汽車的性能，通過精細的整車設計布局優化、創新車門的結構設計、引進前沿的新型材料以及采納尖端的制造技術來實現車門輕量化，從而提高汽車的整體性能。

參考文獻：

[1]李光霽，劉新玲.汽車輕量化技術的研究現狀綜述[J].材料科學與工藝，2020，28（05）：47-61.

[2]陸彬.汽車車門輕量化技術研究[J].大眾科技，2020，22（06）：59-62.

[3]俞雁.乘用車車門總成材料輕量化技術研究[D].廣州：華南理工大學，2020.

[4]范子杰，桂良進，蘇瑞意.汽車輕量化技術的研究與進展[J].汽車安全與節能學報，2021，5（01）：1-16.

[5]劉建偉，史建鵬，石朝亮.輕量化技術在汽車上的應用分析[J].汽車科技，2022（06）：10-14+22.