輕量化技術在車身設計制造中的應用

徐昱 楊自斌 張繼祥

摘 要：汽車輕量化能有效的降低汽車燃油消耗，是我國現階段實現節能減排的重要手段。在保證汽車的強度、剛度、模態等性能優異的情況下通過運用材料應用輕量化、結構設計輕量化以及制造工藝輕量化等方法，盡可能地降低汽車的整備質量，提高汽車的動力性、操控性和車身安全性，達到節能減排的目的。

關鍵詞：輕量化;車身;安全;節能減排中圖分類號：U463.82

文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）04-64-04

前言

經有關研究表明，汽車自重每降低10%，可降低燃油消耗6%～8%，減少co²排放13%^[1]，通過以上數據我們可以知道汽車輕量化對降低燃油消耗具有顯著的成效，并且《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》中也明確指出發展新能源汽車要著力突破材料和結構的輕量化技術^[2]。2012年1月1日，強制性國家標準《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》（GB 27999--201 1）執行，旨在“推動我國汽車節能技術革新，鼓勵車輛小型化和輕量化，進一步降低乘用車單車燃料消耗量水平，使我國乘用車平均燃料消耗量水平在2015年下降至7 L/100km左右。”根據以上的政策文件可以看出，輕量化仍是我國現階段實現節能減排目標最為重要的手段之一。

白車身的重量占到汽車整車重量中的30%-60%，在汽車正常行駛的過程中，其中70%的燃油消耗在白車身上^[3]。所以汽車輕量化的關鍵就是降低白車身重量，另外白車身的重量的減輕，導致汽車動力系統功率的需求也相應降低，使得汽車動力部件的尺寸隨之減小，這樣部分汽車零部件的質量隨之變輕;與此同時，車身的輕量化可以給消費者帶來更好的操控性，所以白車身輕量化技術在汽車輕量化技術中起到了至關重要的作用。本文對白車身輕量化的現狀、方法、要求、發展趨勢以及安全性進行綜述。

1 白車身輕量化的現狀與未來前景

現今，各大車企都在進行車身輕量化研究，白車身（BIW）輕量化技術就是在保證汽車的成本不變，強度、剛度、模態以及安全性能不降低的前提下，通過不同材料的運用及輕量化的設計理念來設計車身，盡可能地降低車身質量，從而提高汽車的動力性和操控性，減少燃料消耗，降低排氣污染，并非偷工減料的做法。

隨著科技的發展，輕量化材料和技術層出不窮。高強度鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料、復合材料等是當前常見和應用較多的輕量化材料。各種材料自身的屬性和工藝技術水平決定了它們的應用范圍和推廣難度。車身輕量化研發過程中需要根據輕量化材料不同的優勢去應用不同的材料，從而以材料組合的形式應用到車身。另外計算機技術的發展，車身CAE技術應運而生， CAE仿真優化功能可以對目標車身進行強度、剛度、模態等車身性能等的模擬驗算分析，依據模擬分析結果，降低白車身重量，從而降低多次車身實驗帶來的成本。

未來，隨著新能源汽車銷量的不斷攀升，各國爭相加大了對新能源汽車技術的研究力度，我國要利用新能源汽車技術實現汽車領域的彎道超車，關鍵在于提高新能源汽車的續航里程，而汽車輕量化成為解決該問題的重要途徑，其中車身輕量化將是未來新能源汽車發展的重點方向。

2 白車身輕量化方法

汽車輕量化主要有三種實現途徑，分別是材料應用的輕量化、結構設計輕量化以及制造工藝輕量化，其中材料應用輕量化是效果最好最快的選擇。如圖1所示。

2.1 材料應用的輕量化

車身不同的部位對材料的剛度、強度等性能有著不同的要求，根據不同的需求采用不同的材料來達到所需的性能。而材料輕量化就是在保證性能滿足要求的前提下采用質量較小的高性能材料代替原來所用的材料。比如用高強度鋼材來代替厚重的普通鋼材、大量使用鋁以及鋁合金的材料，這些材料的使用能在汽車碰撞時，有效的提高汽車車身剛度，車身抗沖擊能力，同時有效的降低車身重量。目前主要的輕量化材料主要有高強度鋼、鋁合金、以及復合材料等。

2.1.1 高強度鋼

高強度鋼是近年來應用在車身制造上的材料之一。它是依靠自身超高抗變形強度等級來減薄鋼板厚度和質量，以此代替原本的普通鋼材。出于研發效率、整車成本等因素，加上高強度鋼的高性價比、成熟的制造技術和成型經驗，使得更多車企在車身輕量化材料技術上更多的采用高強度鋼。高強度鋼主要用于車身的前防撞梁、下車體縱梁、中央通道、地板橫梁、AB柱、車門防撞梁等駕駛乘坐艙關鍵部位。圖2為某車型的車門防撞梁，該車型的白車身共使用了64%的高強度鋼打造。

2.1.2 鋁合金

在材料應用輕量化領域中，鋁合金因其較低的密度、較高的比強度以及比剛度，較好的彈性和抗沖擊性能、耐腐蝕性、耐磨性、高導電性、易加工成型、高回收再生性等優異性能，加上巨大的存量，使得它成為一種非常理想的汽車輕量化材料。鋁合金的用量在汽車領域正逐漸增加，而且類型多樣化，有成為未來車身主材的趨勢。目前鋁合金材料在歐美、日本等發達國家已經廣泛應用。圖3為某美系車型白車身，其車身采用了75%的鋁材打造，車身重量僅為1474kg。

2.1.3 復合材料

復合材料主要是由兩種或兩種以上不同性質的材料組成，復合后的性能要比單一的材料優秀不少。值得一提的是碳纖維復合材料，這種材料不僅質量輕，強度更是鋼材的數倍，同時它還有很好的耐熱性、耐腐蝕性，是理想的汽車輕量化材料，在賽車、超跑上使用較多。圖4為某車型碳纖維車身。

2.2 制造工藝輕量化

制造輕量化材料往往需要先進的制造工藝，例如高強度高和鋁合金等輕質材料，如果采用傳統的沖壓成型工藝來制造，會造成回彈大的缺點，因此，針對不同的輕量化材料需要采用相應的先進成形制造工藝來完成。

目前輕量化材料制造工藝主要分為先進的制造工藝和連接技術。

2.2.1 先進的制造工藝

目前比較先進的制造工藝主要有液壓成型技術、TRB技術（差厚板技術）、熱沖壓成形技術等，如圖5所示。

其中值得一提的是有許多車型采用了TRB差厚板的工藝技術，這種技術通過工程師們對零部件的受力情況和結構進行優化分析后設計制造出一張具有不同厚度的板材，相比等厚度的板材，差厚板不僅減少了材料用量，同時還實現了力學性能的合理分布，在減輕重量的同時實現了力學性能的提高。

2.2.2 先進的連接工藝

先進的連接工藝主要有激光焊接技術、鎖鉚連接技術、結構膠粘接技術等，其中激光焊接技術日益成熟，廣泛的應用到了各大汽車企業，如圖6所示。

從20世紀80年代開始，激光焊接技術開始運用于汽車車身制造領域。激光技術采用集中在聚焦裝置中巨大能量的光束，使工件在瞬間熔化，從而實現焊接過程。

激光焊接技術主要用于車身不等厚板的拼焊和車身焊接，對實現多種材料混合使用的輕量化車身有著很重要的作用。激光焊接主要用于車身框架結構的焊接，例如頂蓋與側圍的焊接，通過激光焊接技術提高車身的裝配精度，使車身剛度提升30%，從而提高車身安全性;降低汽車車身制造過程中的沖壓和裝配成本，減少車身零件的數目，提高車身一體化程度，進而減輕車身重量。

2.3 結構設計輕量化

通過優化車身造型設計來實現汽車輕量化也是非常靠譜的方法，主要由車身結構優化設計和汽車實體結構布局設計這兩種方式來實現。

2.3.1 車身結構優化設計

車身結構優化設計是重要的輕量化方法，也在眾多車企中被設計師們所青睞，它能在已有車身結構的基礎上盡量少增加成本達到比較理想的車身性能效果。車身優化設計這種輕量化方法結合了設計概念和理論來對車身設計方案進行優化，在結構形狀優化設計時，對車內空間結構合理優化，使車內布局達到最佳，并且將汽車的結構加強，用更加先進的碰撞吸能結構來保證乘客的安全，以及行人的安全。在保證各方面性能不降低的前提下最大限度的減少車身零部件使用，已達到輕量化的目的，圖6為某車型白車身優化后的結構圖。

2.3.2 車身結構布局

隨著信息技術的不斷進步，計算機輔助優化工具應運而生，它不僅能提高車輛研發效率還能降低研發成本。通過CAD對汽車結構布局進行設計，用仿真軟件模擬實車，對整車進行分析，得到零部件的安置情況以及選擇合適的輕量化材料。在對整車設計完成以后，可以通過CAE分析輕量化材料是否達到預期的各項性能指標，確保在車身重量減輕后，這輛車還是一輛安全的車。

3 輕量化技術背后汽車安全的關鍵

消費者抱怨自己的車身蒙皮鋼板薄，通過這來驗證車輛的安全性能。其實不然，真正決定車輛碰撞安全強度的還是車輛自身的車身結構，在碰撞發生的過程中由不同的車身區域進行能量的吸收和傳遞，從而保證駕駛艙的堅固不變形，即便是在大家心目中車身蒙皮鋼板厚實的歐美車系，在碰撞發生過程中領先的仍舊是車身結構，而非鋼板厚度。

汽車的底盤在交通事故中是最重要的吸能部分。好的底盤結構可以快速、合理的傳遞能量，從而降低乘員在碰撞中的傷害，圖7為日本某汽車品牌新老車型底盤的對比圖，該車型運用輕量化技術相比上代車型實現車身減重8%。通過圖看出，舊車型底盤只設計了兩條能量傳輸路徑，而全新的車型在靠近車輛傳動軸區域的對角線位置另外加入了一條縱梁，增加了能量傳遞路線，形成了三條能量傳輸路徑，從而更有效地吸收沖撞能量，加固底盤剛度。經過測試，底盤加固后的全新車型在絕大多數細分項目測試中拿到了優秀成績。

4 總結

汽車輕量化對降低燃油消耗具有顯著的成效，是我國現階段實現節能減排的重要手段，其中白車身輕量化技術在汽車輕量化技術中起到了至關重要的作用。汽車白車身輕量化技術主要包括材料應用的輕量化、結構設計輕量化以及制造工藝輕量化等方法，其中車身結構優化設計技術的應用不僅實現了汽車白車身輕量化、白車身實驗成本最小化，而且增強了汽車白車身的結構強度，提高了汽車的安全性。通過運用汽車白車身輕量化技術在保證汽車的強度、剛度、模態等性能不降低的情況下，盡可能地降低汽車的整備質量，提高汽車的動力性、操控性和車身安全性，達到節能減排的目的。

參考文獻

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[2] 國務院.國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定[EB/OL].2010（10）.

[3] 田浩彬，林建平，劉瑞同，等.汽車車身輕量化及其相關成形技術綜述[J].汽車工程，2005，27（3）：382-355.