淺析科雷嘉車身輕量化設(shè)計及高強鋼的應用

文/趙俊豐·東風雷諾汽車有限公司

淺析科雷嘉車身輕量化設(shè)計及高強鋼的應用

文/趙俊豐·東風雷諾汽車有限公司

汽車輕量化是汽車諸多設(shè)計環(huán)節(jié)中的一部分，我國與先進國家還存在很大的差距，需要自主品牌的汽車廠家、上游鋼鐵企業(yè)共同合作，探索多學科、多專業(yè)領(lǐng)域高效合作的輕量化集成實現(xiàn)模式，共同推動自主汽車輕量化和高強度鋼板應用技術(shù)的進步。

趙俊豐，設(shè)備技術(shù)科責任工程師，主要從事設(shè)備前期的引進和規(guī)劃工作，在東風雷諾一期項目中先后參與并負責沖壓XL高速線項目的規(guī)劃、設(shè)計、安裝調(diào)試以及后續(xù)問題的跟蹤整改與總結(jié)。

隨著環(huán)境惡化和能源緊缺問題的日益加劇，環(huán)保、安全和節(jié)能成為汽車制造業(yè)的主要發(fā)展方向。在減少燃油消耗、減低廢氣排放的諸多措施中，以降低車重效果最明顯。資料表明，車重減輕10%，可節(jié)省燃油3%～7%。因此，汽車輕量化成為了各大汽車生產(chǎn)廠提高競爭能力的關(guān)鍵。而高強度鋼在汽車中的不斷使用為汽車的輕量化起到了重要的作用。

國內(nèi)方面，東風雷諾汽車在新車型開發(fā)中，通過增加高強度鋼板、輕合金、塑料材料的應用比例，同時配合激光拼焊板及先進成形制造工藝的應用，取得了顯著的輕量化效果。目前科雷嘉作為東風雷諾第一款SUV車型，其輕量化系數(shù)達到3.28，與之相比上汽榮威350車型的輕量化系數(shù)達到了3.63。

汽車對鋼板材料的要求

汽車碰撞安全性

圖1 不同高強度鋼用量的車型正面碰撞

汽車的碰撞安全性等級越來越多地成為用戶選購車型的重要參考指標。圖1為不同高強度鋼板應用比例的車型正面碰撞情況，足以說明高強度鋼板的應用對汽車安全性的作用。

汽車輕量化

由德國寶馬公司Bruno Ludke提出的車身輕量化系數(shù)概念，已成為國內(nèi)外評價車身輕量化設(shè)計水平的重要參考指標。白車身輕量化系數(shù)L可用下式表示：

式中，mBIW為白車身的結(jié)構(gòu)質(zhì)量(不包括車門和玻璃），單位為kg；Ct為靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度(包括玻璃），單位為N·m／(°）；A為四輪間的正投影面積，即前后輪平均輪距乘以軸距，單位為m2。

從公式看出，車身輕量化系數(shù)的優(yōu)化就是減輕車身質(zhì)量和提高扭轉(zhuǎn)剛度。減輕車身質(zhì)量，可以從材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝三個環(huán)節(jié)進行優(yōu)化考慮。提高車身扭轉(zhuǎn)剛度，則可以通過車身加強件的增加或板材加厚、高強度鋼板應用比例的提高、結(jié)構(gòu)的斷面優(yōu)化和車身接頭設(shè)計優(yōu)化等方法實現(xiàn)。TWB、TRB材料的應用以及液壓成形等制造技術(shù)的配套應用，也將對車身扭轉(zhuǎn)剛度的提高起到非常重要的作用。圖2為歐洲車身會議(ECB）發(fā)布的部分車型白車身輕量化系數(shù)與上一代車型的比較。從圖2可以看出，排除結(jié)構(gòu)優(yōu)化的因素，新一代車型輕量化系數(shù)的優(yōu)化效果與高強度鋼板的應用比例的提高有著很強的對應關(guān)系。

汽車輕量化的途徑

材料選用

⑴降低大件，特別是外覆蓋件的材料厚度。

目前的設(shè)計趨勢是將外覆蓋件的厚度降到0.7mm，前后蓋外板甚至可以降到更低。降低材料厚度以后會對外板的成形性、剛度和抗凹性帶來不利影響，對不太復雜的外板件，一般可以通過適當提高材料等級來解決（一般屈服強度不超過220MPa）。對受造型制約的復雜外板件，一般可以采用烘烤硬化鋼來解決；必要時，可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，如增加內(nèi)板的搭接或通過增強非金屬結(jié)構(gòu)來對外覆蓋件提供足夠的支撐。對于一般的B級車型，在滿足相同性能要求的前提下，和采用傳統(tǒng)材料厚度的普通鋼材相比，大件和外覆蓋件采用降低0.1mm材料厚度的烘烤硬化鋼或稍微提高一下鋼材強度等級，單車質(zhì)量可以減輕10kg左右，并能實現(xiàn)成本降低百元以上，同時不需要增加模具成本和制造成本，是值得大力推進的方案。但是，該方法一般只能應用在非碰撞傳力路徑和非關(guān)鍵耐久性的大件和外覆蓋件上，數(shù)量一般只有十幾個，所以總體應用范圍有限。

圖2 2011—2015年歐洲車身會議輕量化系數(shù)變化趨勢

⑵提高高強度鋼板的用量。

目前，高強度鋼和普通鋼的價格差距縮小到了合理范圍內(nèi)（10%～15%）。選擇高強度鋼之后就可以適當減少零件數(shù)量、降低材料厚度和縮小結(jié)構(gòu)盒狀斷面尺寸來達到減輕質(zhì)量效果，而總成本變化不大。因此，高強度鋼板得到了廣泛應用，一些新車型采用抗拉強度在600MPa以上的超高強度鋼板的比例占到30%，甚至更高，而一些能滿足歐洲NCAP五星級碰撞要求的A級車，這一比例達到了50%。增加高強度鋼板的比例不僅可大幅度減輕車身質(zhì)量，同時也有利于提高車身剛度、碰撞和耐久性性能。

⑶其他新材料的選擇。

采用工程塑料或者輕質(zhì)金屬合金替代傳統(tǒng)鋼材，比如：采用工程塑料制作的前端模塊、翼子板和舉升門；采用鋁合金制作的前、后緩沖梁和發(fā)動機蓋；采用鎂合金制作的車門框、儀表板骨架和座椅骨架等。相比傳統(tǒng)的鋼材，采用這些材料每個零件質(zhì)量可以減輕2～10kg，但零件成本也會隨之大幅上升，有時會高1倍甚至數(shù)倍。對于必須達到較高燃油經(jīng)濟性或必須滿足更低排放要求的車型，采用以上技術(shù)來減輕質(zhì)量才能在總體上更有成本優(yōu)勢。另外，車身采用更多工程塑料對于總銷量50000輛以下的車型更有成本優(yōu)勢。

另外，在設(shè)計隔音系統(tǒng)時還可以采用靜音鋼板來代替普通鋼板。靜音鋼板是在兩層鋼板中間涂一層特殊的吸音材料，形成類似三明治結(jié)構(gòu)的鈑金材料，以用于正常的沖壓、焊接，這樣可以減薄甚至取代阻尼墊、瀝青板及隔音墊的使用，以此來減輕車輛質(zhì)量。圖3是普通鋼板隔音系統(tǒng)與靜音鋼板隔音系統(tǒng)對聲音的吸收情況對比。其中，傳統(tǒng)隔音系統(tǒng)由普通鋼板、隔音墊、發(fā)動機側(cè)吸音墊、瀝青板組成，共計22.4kg；新型隔音系統(tǒng)由靜音鋼板、重新設(shè)計的隔音墊組成，共計12.1kg。從圖3中可以看到，新型隔音系統(tǒng)取消了發(fā)動機側(cè)吸音墊和瀝青板，車內(nèi)總體噪聲能夠降低2～3dB，質(zhì)量減輕了10kg。從成本上分析，原普通材料的前圍板和所有取消的隔聲零件價格之和與靜音鋼板的價格基本相同。但是，該技術(shù)及其最關(guān)鍵的原材料供應都控制在國外一兩家供應商手里，在國內(nèi)基本屬于空白。

圖3 整體隔音系統(tǒng)的聲音傳遞損失預測對比

采用非金屬結(jié)構(gòu)增強材料替代鈑金加強件，如某兩家國際企業(yè)推出Terocore材料和CBS材料，這類材料多由熱激活可膨脹的高強度粘結(jié)劑和負荷載體組成，通過填充車內(nèi)間隙，將各個獨立的負荷載體粘結(jié)成一個復合結(jié)構(gòu)，以提高車身的強度和剛度。其質(zhì)量、零件成本和模具支出都較低，既可以作為局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化時的工具，也可以部分替代鈑金加強件來減輕車身質(zhì)量。如圖4所示是將CBS運用于某車型的實例，通過CBS局部加強B柱上接頭，使得該車型的側(cè)碰表現(xiàn)由2星級上升到了4星級，而增加的質(zhì)量不足1kg，如單純采用鈑金件加強，則質(zhì)量至少需增加5kg。

圖4 CBS結(jié)構(gòu)增強材料在B柱的應用

結(jié)構(gòu)設(shè)計

⑴結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

在碰撞關(guān)鍵區(qū)域優(yōu)化斷面的形式主要有以下幾種：⑴通過增加封閉盒狀結(jié)構(gòu)來配合零件尺寸或材料厚度的降低（圖5），科雷嘉在地板縱梁處采用封閉式盒狀設(shè)計增加了整體強度；⑵在零件的關(guān)鍵部位增加加強筋，如圖6所示為科雷嘉在側(cè)圍拐角承接板處增加加強筋，降低了板料的厚度；⑶可增加減重孔，在不降低強度的前提下有效的降低了質(zhì)量；⑷切除多余翻邊等。

圖5 地板縱梁封閉式盒狀結(jié)構(gòu)

圖6 關(guān)鍵部位增加加強筋

⑵激光拼焊技術(shù)的運用。

采用激光拼焊技術(shù)，可以使用部分區(qū)域低料厚、部分區(qū)域高料厚的拼焊板材來進行沖壓，這樣除大幅減輕質(zhì)量外還可以減少零件焊點數(shù)量，進一步降低模具、夾具及焊接成本。

目前東風雷諾科雷嘉在左右門內(nèi)板、左右側(cè)前地板均采用了激光拼焊的技術(shù)，如圖7所示，其車窗與門外板處材料厚度為1.4mm，其他部位材料厚度為0.65mm，有效減輕質(zhì)量0.8kg。而其地板也采用了激光拼焊技術(shù)，面板厚度為0.65mm，與縱梁連接的部位厚度為1mm，既保證了下部強度，又能有效減輕質(zhì)量。

制造工藝

當板材的抗拉強度提高到1000～1200 MPa時，冷沖壓模具需要使用特殊且昂貴的材料配合極高噸位的壓機才能使零件成形。同時，對于零件反彈、尺寸精度、局部材料嚴重變薄甚至開裂等方面的控制往往是制約設(shè)計的一系列難點。熱成形工藝采用一種比較特殊的鋼材，其在加熱前的屈服強度和抗拉強度分別在300MPa和500MPa左右，斷后延伸率達到30%以上，機械性能屬于普通高強度鋼板范疇，但在板材高溫加熱、沖壓再冷卻后，該材料會大幅度硬化，零件的屈服強度和抗拉強度能夠分別提高到1100MPa和1500MPa以上，遠超過冷沖壓零件的極限強度。因此通過大量熱成形零件的采用，可有效減少加強板的數(shù)量并減薄零件。如圖8所示為熱成形件在東風雷諾科雷嘉車身上的應用，在A柱上側(cè)梁、B柱上側(cè)梁、B柱加強板、中央通道、縱梁延伸板、前緩沖梁等多處采用了熱成形零件，占車身總質(zhì)量的16%，使得車身質(zhì)量僅為289kg。

圖7 左右前門內(nèi)板采用激光拼焊板

圖8 熱成形件在東風雷諾科雷嘉車型上的應用

圖9 熱成形鋼在B柱的使用

圖9所示為某車型B柱內(nèi)板的兩種不同的設(shè)計方案，經(jīng)CAE分析顯示其具備相似的側(cè)碰表現(xiàn)。其中，圖9a所示方案中只包含一塊1.4mm的熱成形B柱內(nèi)板，而圖9b所示方案中包含了2.0mm的B柱內(nèi)板和分別為2.5mm和2.0mm的兩塊加強板。兩者相比，圖9a所示方案可以減輕質(zhì)量近9kg，且單件成本比圖9b中方案低約50元，但模具費高約260萬元。當車型總銷量達到6萬輛以上時，圖9a方案的總成本更低。

熱成形工藝目前也存在一些明顯的缺點，如：模具費和材料費很高；熱成形零件的生產(chǎn)速度遠低于冷沖壓工藝，很難滿足大批量的供貨需求；模具可修改的幅度較小，對于設(shè)計的成熟度也是一大挑戰(zhàn)。

結(jié)束語

車身輕量化系數(shù)是一個綜合了車身尺寸、質(zhì)量和性能三方面的綜合系數(shù)，采用它來比較各車型車身設(shè)計的優(yōu)劣，相比傳統(tǒng)的單純比較車身質(zhì)量或性能的方法更為科學。當然，車身輕量化系數(shù)目前也存在一些不明確內(nèi)容，如車身扭轉(zhuǎn)剛度試驗中常包含的車身油漆、油漆密封阻尼零件、前后擋風玻璃和前后副車架等零件是否應統(tǒng)計在車身質(zhì)量中；另外，前懸架長度和車身高度并沒有被考慮到這個參數(shù)中，大型車輛的參數(shù)會受此影響等。

對于消費者來說，衡量一款車的優(yōu)劣，輕量化只是其中的一項內(nèi)容，還有更多的包括安全性、舒適性、美觀性、功能性等要求，東風雷諾科雷嘉車身70%采用高強度鋼板，在實現(xiàn)輕量化的同時，為消費者的生命安全提供了多一重保障。