汽車車身輕量化節能技術

陳巖

(廣東福迪汽車有限公司，廣東 佛山 528225)

1 輕量化節能技術意義

用于改進汽車能源消耗的技術，就是節能技術。2004年國家頒布首個油耗強制性國家標準—— 《乘用車燃料消耗量限值》，目的就是要降低汽車的燃油消耗。在汽車開發方面，降低汽車能耗的主要措施有兩條:(1)改進汽車動力系統;(2)開發輕量化車身。當前，動力系統的性能已經達到相當高的水平，進一步提高性能變得越來越難，而車身輕量化的潛力卻非常大，因而在全球范圍內得到普遍的重視［1］。車身輕量化具有以下意義:

(1)減少燃油消耗、尾氣排放

據測算，一輛車若減重10%，可相對減少6%～8%的燃油消耗，節能明顯。同時，汽車的尾氣排放也相應減少，資料表明，汽車每減重1 kg，每年可少排放尾氣0.8 kg。

(2)提高動力性能

發動機的功率主要消耗在克服汽車行駛阻力上，行駛阻力由空氣阻力、滾動阻力、加速阻力和爬坡阻力等組成。在行駛時除空氣阻力外其他阻力均與整車的總重量成正比，所以，減輕汽車自重，能減少以上3種阻力，提高汽車動力性能。

(3)提升車輛操控穩定性

車輛輕量化可以減小車輪和路面的總摩擦力，降低慣性力，便于駕駛，降低阻力轉向的能耗。

(4)提高汽車安全性能

隨著汽車重量的減輕，汽車在行駛中的慣性減小，所以制動距離減小，發生碰撞的機會減少。即使發生碰撞，由于汽車的重量輕，慣性減小，碰撞沖擊減小，危害性隨之降低，安全性提高。

(5)促進新材料新工藝的研發

輕量化技術將大量使用新型材料，尤其對鋁合金、鎂金屬、高強度鋼板、復合材料、塑料等在材料性能、加工性、工藝性方面將提出新的、更高的要求。目前，國外的汽車廠商，如福特、通用、大眾等，已經在車身上大量使用鋁合金，部分高檔車型已經開始使用全鋁車身，而我國在此方面的技術還很落后，輕量化車身技術的研究將給新材料的研究提供良好的機會。

(6)推動電動汽車產業的發展［2］

輕量化車身不僅可以廣泛用于傳統汽車，更是電動汽車不可或缺的重要組成部分。可以看到，世界上各種新型電動汽車的開發，例如燃料汽車、太陽能汽車、電動汽車、混合燃料汽車，都伴隨著輕量化車身的開發，因為這些新型汽車的構成原理不同，都不能直接應用傳統汽車的車身，而必須針對性開發新車身。

2 國內外發展現狀與趨勢

車身輕量化技術仍然掌握在傳統的汽車強國和地區——美國、歐洲、日本，幾十年來，他們通過立法，對汽車的能耗和排放提出嚴格的標準，從而促進汽車技術進步，其中包括輕量化技術的發展。例如，美國能源部與三大汽車公司合作提出新一代汽車共同開發計劃(PNGV-Partnership for a New Generation of Vehicles)，側重于車體結構與動力系統的輕量化，表1是美國PNGV汽車計劃的質量減輕目標。

表1 美國PNGV汽車計劃的質量減輕目標

目前，車身輕量化技術研究主要集中在新材料、新工藝、新設計3個方面。但是無論采用什么方法和技術，車身輕量化過程中，人們必須解決好以下3個基本矛盾:

(1)降低車身質量不能影響汽車構架的強度和剛度;

(2)應用新材料不能增加汽車制造成本;

(3)應用新材料不能增加汽車使用維修成本。

據通用發表的數據表明，1997年一輛汽車的黑色金屬占整車總質量的71%、中高強度鋼占3%、鋁合金占3%、其他占18%、塑料及復合材料占5%，但是到2004年，黑色金屬占有量明顯下降，中高強度鋼的應用大幅度提高，例如美國PNGVClass計劃所開發的概念車車體及外圍構件全部采用高強度鋼，其中，85%采用新型高強度鋼，該車在2004年通過美國的正面和側面碰撞安全性能測試，同時通過了歐洲混合碰撞的評估，并于2005年10月獲得了由美國節能聯盟頒發的“能源之星杰出表現獎”。福特2005年兩款非常受歡迎的Ford500和freestyle都大量采用高強度鋼。

鋁質材料在汽車上的應用典范代表是奧迪車系，奧迪A8已經實現全鋁車身，是規模生產的很好典范。1989年本田跑車NSX也是使用全鋁制車架，此外，寶馬5系和7系的鋁質懸架，日產Altima的發動機罩和輪轂、法拉利612車身都是鋁制車身。國產汽車要達到國外同類車水平，汽車用鋁增加是必然趨勢［3］。

國內在車身輕量化技術上的基礎較薄弱，在電動汽車輕量化車身開發方面才剛起步。在國內，特別是在廣東，已經開始具備一些重要的相關技術基礎條件。

(1)先進制造技術

經過“九五”CIMS工程和“十五”制造業信息化工程，先進制造技術在企業獲廣泛應用，廣東制造業信息化水平居國內前列，廣東地區的高校和研究機構也對一系列先進設計技術開展了深入研究，掌握了三維CAD技術、有限元技術、動力學仿真技術、反求工程技術、快速原型技術等先進的設計與制造技術。

(2)鋁合金型材制造

廣東是國內最大的鋁型材制造大省，擁有國內最先進的鋁型材加工技術和設備。雖然目前的主要產品是面向建筑行業，但是該行業也密切關注航天、航空、汽車行業中的先進鋁合金技術的發展，并開始嘗試應用開發，例如鳳鋁鋁業為航天運載工具提供了技術支持。

(3)焊接工藝

廣東地區的一些重型制造業在焊接技術方面的基礎扎實，例如廣重企業集團具備大型復雜零部件和成套裝備的焊接能力，其中包括鋁合金的焊接;黃埔船廠也在艦船和水下潛艇中大量采用鋁合金焊接工藝;北京航天部研究所引進了世界先進水平的攪拌摩擦焊技術和裝備，并且和廣東興發鋁型材廠合作，開展該先進工藝在汽車生產中的應用。

(4)塑料成型工藝

隨著塑料制品的普遍應用，塑料成型技術不斷進步。目前國內在塑料成型技術與裝備方面已經接近世界水平。

3 輕量化節能技術的路線

輕量化車身從開發設計階段就要打下良好的輕量化基礎，主要從緊湊型設計、結構優化計算以及材料輕量化等方面開展研究。在制造工藝方面主要是采用激光拼焊板、深拉延件和液壓成形、輕量化的鑄件，先進的點焊和激光拼焊等連接技術，以及鋁合金板材的自鉚技術和翻邊連接技術，熱成形與液壓成形技術以及滾壓成形技術;解決高強度零件的成形，減少零件數量，減少結構的焊點，提高零件的性能。在材料技術方面，采用高強度鋼和先進高強度鋼、鋁合金與鎂合金、不同材料的復合應用技術、纖維增強復合材料的應用等，最終達到開發時間最短、成本最低和白車身性價比最佳化的目標。

3.1 輕量化結構設計

開發設計車體和部件更趨合理化的中空型結構。主要途徑就是在結構上采用“以空代實”，即對于承受以彎曲或扭轉載荷為主的構件，采用空心結構取代實心結構，同時優化結構布局，使之更加緊湊，這樣既可以減輕質量，節約材料，又可以充分利用材料的強度和剛度。

通過CAD來優化設計汽車結構，減少車身質量和鋼板厚度，使部件薄壁化、中空化，小型化及復合化達到輕量化目的，采用CAE技術計算汽車強度和剛度，確保加強整車的性能。

結合工業設計，制作外形比例模型并進行風動實驗，結合數字模擬技術優化整車外形，目的是降低風阻系數，并獲得良好的覆蓋件外形。

覆蓋件結構設計:根據車身覆蓋件要滿足的功能，以及它與車門、車架等其他零部件的聯接方案，來開展覆蓋件的結構設計;采用反求工程和曲面CAD技術構造曲面模型;采用三維CAD技術構造覆蓋件的結構模型;采用有限元技術進行重要覆蓋件的結構計算，優化結果。

覆蓋件與車架的聯接方案設計:綜合考慮聯接的可靠性、振動性、密封性、裝配性等因素，實現一種可快捷拆卸、更換的聯接方案。

3.2 輕量化材料及熱成型技術

車身覆蓋件輕量化中常采用的材料有高強度鋼板、鍍鋅鋼板、復合鋼板、鋁合金、復合材料等。高強度鋼板目前主要的先進成型制造技術包括熱沖壓成型、液壓成型、激光拼焊成型、管材內高壓成型等。

熱成型技術廣泛應用于國外汽車上的各類強度高達1500 MPa的汽車前后保險杠、保安件和碰撞件的加強件，為汽車輕量化和提高安全性做出了突出貢獻。根據有關資料記載，德國大眾汽車公司在其開發的PassatB6車型中就對大部分車身零件采用了熱沖壓成形技術，其典型應用為側邊防撞桿，前后保險杠防撞梁、橫梁和邊梁，A、B、C柱增強件和腰部導軌增強件等。

【1】朱平，張寧，葛龍，林忠欽．基于正面耐撞性仿真的轎車車身材料輕量化研究［J］．機械工程學報，2005，41(9):207 －212．

【2】李秀芬，黃妙華．輕型材料在電動汽車上的應用與發展［J］．汽車工藝與材料，2006(7):7－8．

【3】肖軍．現代轎車全鋁車身的研究進展［J］．上海有色金屬，2006，27(1):24－28．