以輕量化為目標的汽車車身優化設計分析

呂秋菊

【摘 要】汽車的車身是車的外表，消費者根據車身的外觀進行選擇。一般情況下，對汽車的設計主要表現在汽車車身方面，因此對汽車車身的研究就相對多點。汽車車身在汽車上占有重要比例，僅車身質量就約占汽車總質量的五分之二。為了滿足消費者的需求，在對汽車車身進行優化設計的時候，應當從輕量化入手。文章通過對汽車車身優化設計進行分析，并達到車身輕量化的目的。

【關鍵詞】輕量化；汽車車身；設計

一、汽車輕量化發展現狀

（一）高強度鋼板的應用

高強度鋼板的真正優勢是減薄鋼板、減輕車身質量而又不降低車身安全性。無論從成本還是性能角度分析，高強度鋼板是滿足車身輕量化、提高碰撞安全性的首選材料，主要應用在AB柱、地板、門檻等車輛的關鍵結構件。

（二）鋁合金的應用

鋁合金作為輕質金屬，是汽車輕量化的理想材料。鋁合金在汽車領域的用量在逐步增加，且種類多樣化，大有代替鋼板、成為未來汽車車身主要材料的趨勢。

1.鋁合金的特點

鋁合金的主要特點包括：密度小、比強度和比剛度高、彈性和抗沖擊性能好、耐腐蝕、耐磨、高導電、高導熱、易表面著色、良好的加工成形性及高的回收再生性等。

2.鋁合金的分類

鋁合金分為鑄造鋁合金和變形鋁合金，鑄造鋁合金用于重力鑄造件、低壓鑄件和特種鑄造件；變形鋁合金主要用于空調系統零件、壓縮機件、行駛系部分零件、發動機冷卻系統散熱器件、車身零件和裝飾件等。鋁基復合材料用于制造汽車活塞、氣缸套、懸臂架、制動卡鉗、驅動軸及車輪等汽車零件。

3.應用于汽車上的鋁合金部件

馬自達、奧迪等外覆蓋件均采用鋁合金板材。鋁合金在車身上的應用是從發動機罩和行李箱蓋開始，逐漸發展到全鋁車身。在汽車上的應用材料為鋁合金和鋁復合材料，目前國外可達80%以上。60%以上的汽車用鋁合金材料為再生鋁，回收1t鋁合金要比加工制造1t少耗能95%。汽車工業中加工鋁合金所需的工裝設備的投資要比鋼鐵少得多。同時，汽車鋁制車身框架以鋁擠壓型材為主，焊點少，提高了裝配效率，也減少了制造成本。

4.熱塑性塑料與復合材料的應用

熱塑性塑料目前主要應用在后尾門，目前很多商用汽車的后行李廂門多采用熱塑性材料，相比鋼制后尾門，減重10%，提高了市場感知度，并且注塑、組裝工藝簡單，降低了生產成本。

復合材料是由2種或2種以上不同性質的材料組成，其綜合性能優于原組成材料，并滿足不同的要求。其中，碳纖維復合材料（CFRP）因其質量輕、高強度（鋼的5倍）、高模量和良好的耐熱、耐腐蝕性等特點，已成為一種非常理想的汽車輕量化材料。如果1輛乘用車采用10kg的復合材料，按照每年新車產量2300萬輛計算，車用復合材料產業將形成千億元的市場規模。由于碳纖維復合材料制造成本過高，在汽車中的應用有限，最初僅在F1賽車、超級跑車、小批量車型上應用，如蘭博基尼、柯尼塞格、雷克薩斯LFA、保時捷911GT3承載式車身上。但隨著碳纖維制造成本的下降，復合材料制造工藝的成熟，各大主機廠紛紛進行碳纖維零部件的開發，如今被廣泛地應用于高級轎車上。

二、汽車輕量化的設計和實現

在目前車身設計中高度智能化、仿真精度高的三維設計軟件的輔助下，車身設計目前實現輕量化的最主要的兩種方法：一種是用密度相近，但是強度更高的鋼材去替換低強度的厚鋼板；一種是用密度更小，強度更高的復合材料去替換低強度的厚鋼板。

（一）優化車聲結構，提高材料利用率

比如車身下部由非連續性改為連續性，使得汽車在碰撞時有效分散撞擊能量；增加加強筋；加強防滾架平衡桿；有限元法設計；采用承載式車身，減薄車身板料厚度等。

（二）優化制造工藝

比如激光焊接、攪拌摩擦焊、擠壓成型、熱處理、鎖錨連接等。

（三）新材料的研發與應用

比如使用高強度鋼材（熱成型鋼材）、輕合金（鋁合金、碳纖維、鎂合金）、記憶金屬（微晶鋼）、工程塑料、陶瓷、玻璃纖維等。剛度指的是材料抵抗外力變形的能力，通常在車身開發中特指材料在屈服前的彈性特性，良好的剛度是整車NVH性能、車輛動力性能和疲勞耐久性能的基礎，常見的評判指標有車身扭轉剛度等。剛度與材料的彈性模量相關，基本上材料種類確定，彈性模量也就確定了，比如采用高強鋼并不會提升車身的剛性，因為鋼的彈性模量都一樣。

1.碳纖維

越來越多的新車上市，其中標榜的一項特點便是車身輕量化，而我們聽到最多的一個詞就是"碳纖維"。碳纖維又稱碳化纖維，泛指一些以碳纖維編織或多層復合而成的材料。因為它又輕又堅硬，所以它的用途很廣泛。碳纖維在汽車領域的應用率先從賽車開始，近年來在民用汽車中得到了廣泛的引用。碳纖維是一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為23000～43000Mpa也高于鋼。但碳纖維材料也只是沿纖維軸方向表現出很高的強度，其耐沖擊性卻較差，容易損傷，所以在制造成為結構組件時，往往利用其耐拉質輕的優勢而避免去做承受側面沖擊的部分。

2.結構膠

再比如結構膠，過去烘烤硬化結構膠只在車身上有少量應用，但是現在的趨勢是可以通過采用更多的結構膠提升車身剛度性能，從而降低結構件的重量，奧迪、沃爾沃的一些車身上采用了超過100米的結構膠；再比如填充在車身接頭的發泡硬化材料，可以有效替代傳統加強板形式的加強件，即提升性能，又降低重量。

3.鎂合金

鎂合金是工程應用中最輕的結構材料，也是汽車輕量化材料中的一員。純鎂的密度僅為鋁的2/3，鋼的1/4，接近工程塑料的密度。而且鎂合金的比強度也比鋁合金、鋼鐵高。因此在不降低零部件強度條件下，鎂合金鑄件比鋁鑄件的重量減輕大約25%。此外，鎂合金還有良好的焊接和鑄造性能、對振動與沖擊的吸收性能好，抗凹陷性能好，易于機械加工。但是由于價格較高和高溫抗蠕變問題尚未得到有效解決，鎂合金目前主要應用于儀表盤基座、風扇架、方向盤軸、燈托架等汽車零部件中。工程塑料具有質輕、防銹、吸震、可設計自由大等特點，工程塑料在汽車零部件，特別是內飾部件的應用越來越大。工程塑料在汽車上的用量，甚至超過了鑄鐵的用量。很多塑料零件應用于車身上，比如大眾系的車子都采用了塑料的前端水箱框架，有些車子有塑料的后地板等等。

可見目前幾乎所有的優化設計的思路都是在保持車身性能不下降的前提下降低車身重量，通過給定的工況下求出載荷的最佳傳遞路徑，從而設計出最優的車身結構。與此同時，大量的新材料新工藝也在幫助車身降低重量。

三、結束語

要獲得汽車車身輕如蟬翼堅如磐石的最優效果，符合車身輕量化的理想狀態，必然要受到成本和性能的約束，只有借助先進的數字化手段，充分發揮多工藝制造手段的優勢，實現工藝制造技術和方法在車身上的合理化和精細化使用，才能有效地節能減排，提高汽車的整體質量，促使我國的汽車制造業與世界汽車工業的差距大大地縮短。

【參考文獻】

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