乘用車車身結構輕量化設計技術研究與實踐

王艷杰

[摘 要]在汽車工業飛速發展的今天，節約資源、減少環境污染、保證行車安全成為了世界汽車工業界亟待解決的三大問題，汽車輕量化是應對這三大問題的有效手段和方法。汽車重量的減輕不僅可以減少原材料成本，減少汽車行駛阻力和燃油消耗，而且對提高汽車的燃油經濟性，降低汽車的有害氣體排放也至關重要。本文主要對乘用車車身結構輕量化設計技術進行研究分析。

[關鍵詞]車身結構 零部件 輕量化設計

中圖分類號：TP393.08 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）01-0271-01

引言

實現汽車輕量化主要有三種途徑：一是對汽車底盤、發動機等零部件進行結構優化，在結構設計上主要采用前輪驅動、高剛性結構和超輕懸架結構等方法；二是在使用材料方面通過材料替代或采用新材料來使汽車輕量化。在替代材料方面，可使用鋁、鎂輕合金等有色金屬材料、塑料聚合物材料、陶瓷材料等密度小、強度高的輕質材料，或者使用同密度、同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強度鋼；三是采用先進的制造工藝，使用基于新材料加工技術而成的輕量化結構用材，如連續擠壓變截面型材、金屬基復合材料板、激光焊接板材等，也可以達到輕量化目的。

一、合理的結構設計

目前國內外汽車輕量化技術發展迅速，主要的輕量化措施是輕量化的結構設計和分析，設計已經融合到了汽車設計的前期。輕質材料在汽車上的應用，包括鋁、鎂、高強度鋼、復合材料、塑料等，與結構設計以及相應的裝配、制造、防腐、連接等工藝的研究應用融為一體。在現代汽車工業中，利用CAD/CAE/CAM 一體化技術起著非常重要的作用，涵蓋了汽車設計和制造的各個環節。運用這些技術可以實現汽車的輕量化設計、制造。輕量化的手段之一就是對汽車總體結構進行分析和優化，實現對汽車零部件的精簡、整體化和輕質化。利用CAD/CAE/CAM 一體化技術，可以準確實現車身實體結構設計和布局設計，對各構件的開頭配置、板材厚度的變化進行分析，并可從數據庫中提取由系統直接生成的有關該車的相關數據進行工程分析和剛度、強度計算。

具體結構合理設計有以下3 個方面：

（1）通過結構優化設計，減小車身骨架及車身鋼板的質量，對車身強度和剛度進行校核，確保汽車在滿足性能的前提下減輕自重。如采用優化設計除去零部件的冗余部分（使零部件薄壁化、中空化），部件零件化、復合化以減少零件數量，設計全新的結構等；

（2）通過結構的小型化，促進汽車輕量化，主要通過其主要功能部件在同等使用性能不變的情況下，縮小尺寸；

（3）采取運動結構方式的變化來達到目的。比如采用轎車發動機前置、前輪驅動和超輕懸架結構等，使結構更緊湊，或采取發動機后置、后輪驅動的方式，達到使整車局部變小，實現輕量化的目標。

二、使用新型材料

據統計，汽車車身、底盤（含懸架系統）、發動機三大件約占一輛轎車總重量的65%以上。其中車身內外覆蓋件的重量又居首位。因此減少汽車白車身重量對降低發動機的功耗和減少汽車總重量具有雙重的效應。為此，首先應該在白車身制造材料方面尋找突破口。具體可以有如下幾種方案：

（1）使用密度小、強度高的輕質材料，像鋁鎂合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；

（2）使用同密度、同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強度鋼；

（3）使用基于新材料加工技術的輕量化結構用材，如連續擠壓變截面型材、金屬基復合材料板、激光焊接板材等。

2.1 有色合金材料

鋁具有良好的機械性能，其密度只有鋼鐵的1.8/3，機械加工性能比鐵高4.5 倍，耐腐蝕性、導熱性好。其合金還具有高強度、易回收、吸能性好等特點。汽車工業運用最多的是鑄造鋁合金和形變鋁合金。運用形變鋁材制造車身面板的技術已經比較成熟，包括發動機罩、行李箱罩、車門、翼子板等。保險杠、輪轂和汽車結構零件也廣泛使用鋁合金材料。運用鋁合金也面臨不少問題，比如，鋁合金加工難度比鋼材高，成型性還需繼續改善；由于鋁導熱性好，導致鋁合金的焊接性能差；鋁鑄件中不可避免地存在缺陷，壓鑄件還不能熱處理，因此在用鋁合金來生產要求較高強度鑄件時受到限制，為此在鑄件生產工藝上作了改進，鑄造鍛造法和半固態成型法將是未來較多采用的工藝；不能像鋼板那樣采用磁力搬運等。其中，關鍵是成本問題，目前鋁價還比較高，成本控制對鋁合金的運用非常重要。

鎂合金具有與鋁合金相似的性能，但是鎂的密度更低，它們的密度之比為1.8：3，是當前最理想、重量最輕的金屬結構材料，因而成為汽車減輕自重、以提高其節能性和環保性的首選材料。但其鑄造性差，后處理工藝復雜，成本高。我國的鎂資源非常豐富，儲量占世界首位。但是國內用量很少，尤其汽車行業用量極少，因此前景非常廣闊。而西方工業發達國家對鋁基、鎂基的金屬基復合材料的開發與應用，已達到了產業化階段。

2.2 高強度鋼

用高強度鋼替代原使用材料，能適當減小零件尺寸。世界上廣泛通過進一步提高合金鋼、彈簧鋼、不銹鋼等鋼種的比強度和比剛度，以及粉末冶金配件具有的多孔密度低、精度高、成本低等特點，來作為汽車輕量化的措施。采用高強度鋼板在等強度設計條件下可以減少板厚，但是車身零件選定鋼板厚度大都以元件剛度為基準，因此實際板厚減少率不一定能達到鋼板強度的增加率，不可能大幅度地減輕車重。高強度鋼板在汽車上應用的目的主要有3 點，增加構件的變形抗力、提高能量吸收能力和擴大彈性應變區。由于運用高強度鋼板的經濟性和相對容易性，因此應大力提倡在汽車上運用高強度鋼板。現在各國都在加速高強度鋼和超高強度鋼在汽車車身、底盤、懸架、轉向等零部件上的運用。

三、塑料和復合材料

與相同結構性能的鋼材相比，塑料和復合材料一般可減輕部件的重量在35%左右。低密度與超低密度片狀成型復合材料的發展提供了更多的潛力，在重量減輕與強度方面達到甚至超過了鋁材，整體成本通常更低。塑料是由非金屬為主的有機物組成的，具有密度小、成型性好、耐腐蝕、防振、隔音隔熱等性能，同時又具有金屬鋼板不具備的外觀色澤和觸感。目前，塑料大都使用在汽車的內外飾件上，如儀表板、車門內板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護板、側圍內襯板、車門防撞條、扶手、車窗、散熱器罩、座椅支架等。而后逐漸向結構件和功能件擴展。例如發電機及其相關系統、冷卻系統等。塑料也在向制作車身覆蓋件方向發展。復合材料即纖維增強塑料，是一種增強纖維和塑料復合而成的材料。常用的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復合材料。增強用的纖維除玻璃外，還有高級的碳纖維、合成纖維。復合材料作為汽車材料具有很多優點：密度小、設計靈活美觀、易設計成整體結構、耐腐蝕、隔熱隔電、耐沖擊、抗振等。

四、其他輕量化材料

精細陶瓷是繼金屬、塑料之后發展起來的第3 大類材料。其發展史只有20 年左右，但具有優良的力學性能（高強度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損等）和化學性能（耐熱沖擊、耐氧化、蠕變等）。作為輕量化材料用于汽車零件，不僅直接起到輕量化的作用，更因其優良的耐熱性、耐腐蝕性和耐磨性，用于汽車發動機燃燒室及熱交換器等零件，使功率提高，油耗大大下降，從節能角度看則間接地起到輕量化效果。蜂窩夾層材料是早已在飛機上采用的材料，其最大特點是剛性高、比強度高、密度低。目前應用在汽車上的實例還不多，但應用研究在不斷前進，將來會較多地得到運用。

五、結束語

雖然在目前看來汽車工業短期內不會在減重方面出現革命性突破，但是由于我們在不斷地努力，人們實際上正在一步步接近制造出輕量廉價的新一代汽車的目標。

參考文獻

[1]馬鳴圖，易紅亮，路洪洲，萬鑫銘.論汽車輕量化[J].中國工程科學.2009（09）

[2]廖君，王馮良，胡望岳.電動轎車車身輕量化優化設計[J].機電工程.2009（02）