鋁合金車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其連接技術(shù)

劉雪霞

【摘要】著眼于可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能、環(huán)保成為世界汽車工業(yè)界亟待解決的兩大問題。汽油車方面每減重10% ，油耗可降低6% ～8% ，排放降低4% ，電動(dòng)車方面數(shù)據(jù)顯示，電動(dòng)汽車整車質(zhì)量每增加10%，續(xù)航里程減少5.5%左右。因此減輕汽車質(zhì)量是節(jié)能和環(huán)保的最基本途徑之一。車身質(zhì)量占汽車總質(zhì)量的40% 左右，車身的輕量化對(duì)于整車的輕量化起著舉足輕重的作用。

汽車車身輕量化是一個(gè)系統(tǒng)工程。實(shí)現(xiàn)汽車車身輕量化有兩個(gè)途徑：一是選用輕質(zhì)高強(qiáng)度的新材料;二是依據(jù)新材料特點(diǎn)，設(shè)計(jì)更合理的車身結(jié)構(gòu)，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化以及對(duì)車身零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)等。這兩種途徑相輔相成，只有采取材料替換與結(jié)構(gòu)改進(jìn)相結(jié)合的方法，才能在保證車身強(qiáng)度、剛度、模態(tài)、疲勞、碰撞安全性、抗振抗沖擊性能滿足設(shè)計(jì)與使用要求的前提下，最大限度地減輕汽車整體質(zhì)量。汽車輕量化的重點(diǎn)和難點(diǎn)是車身輕量化，根據(jù)路線圖第二階段（2020年～2025年）要求，車身用材主要采用鋁、鋁合金及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在車身上的應(yīng)用。本文針對(duì)鋁合金汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與其連接技術(shù)進(jìn)行探求。

【關(guān)鍵詞】鋁合金車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);輕量化;連接技術(shù)。

1 車身用鋁合金材料

汽車車身用鋁合金材料主要包括2000系、5000系、6000系合金板材、型材、管材及高性能鑄鋁，不同受力部位采用不同型號(hào)的鋁合金材料。

骨架部分：車身受力最大的部分，采用2000系或7000系材料，可熱處理強(qiáng)化。

蒙皮部分：車身次要的受力部位，采用5000系或6000系材料。

車門部分：采用5000系或6000系材料。

底板部分：采用5000系或6000系材料。

內(nèi)飾部分：采用1000系或5000系材料，無熱處理強(qiáng)化。

座椅部分：采用2000系或6000系材料，可熱處理強(qiáng)化。

鑄件：采用高性能鑄鋁合金，可熱處理強(qiáng)化。

鋁合金板材主要有2000系、5000系和6000系合金。

2000系合金是一種熱處理可強(qiáng)化的鋁合金，具有優(yōu)良的鍛造性、較高的強(qiáng)度和良好的焊接性能，很好的烘烤強(qiáng)化效應(yīng)，但其抗腐蝕性則比其他系列的鋁合金差。目前，2036和2022合金已部分用于汽車車身板材。

5000系合金是一種熱處理不可強(qiáng)化的鋁合金，具有良好的抗腐蝕性和焊接性能，但退火狀態(tài)下在加工變形時(shí)可能產(chǎn)生呂德斯線和延遲屈服，因此主要用于車身內(nèi)板等形狀復(fù)雜的部位。

6000系合金屬于熱處理可強(qiáng)化鋁合金，具有較高的強(qiáng)度、較好的塑性和優(yōu)良的耐腐蝕性。與鋼板相比，6000系T4態(tài)板材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相近，硬化系數(shù)甚至超過鋼板。

2汽車車身用鋁合金零件關(guān)鍵制造技術(shù)

2.1 型材擠壓成形

型材擠壓成形——車身框架型材伺服控制擠壓彎曲一體成形技術(shù)。空間框架設(shè)計(jì)使車身的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度提高60% 。

2.2結(jié)構(gòu)件鑄造（鑄鋁）成形技術(shù)

車身框架的連接件多為鋁合金鑄件，此類鑄件起到連接車身各鋁材的作用，是主要的承力部件，要求具有較高的強(qiáng)度。為了滿足使用需要，車身鋁合金鑄件多為復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)。由于此類鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及汽車產(chǎn)業(yè)大批量生產(chǎn)的需要，采用傳統(tǒng)的鑄造工藝已無法滿足要求，國外目前制造鋁合金車身鑄件大多采用真空壓力鑄造和特種擠壓鑄造等新的壓擠鑄造工藝技術(shù)。

3汽車用鋁合金車身結(jié)構(gòu)

目前鋁車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有兩種種結(jié)構(gòu)形式：鋁板式車身結(jié)構(gòu)、鋁管式車身結(jié)構(gòu)。

3.1鋁板式車身結(jié)構(gòu)

鋁板式車身結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鋼板式車身結(jié)構(gòu)是一樣的，鋁板通過沖壓成形各種內(nèi)外板，然后將內(nèi)外板結(jié)合在一起，鋼板車身是焊接的，而鋁板車身則是通過無鉚連接、鎖鉚連接、鋁板特殊的點(diǎn)焊工藝以及一種環(huán)氧樹脂將鋁制內(nèi)外板剛硬地結(jié)合起來。

3.2鋁管式車身結(jié)構(gòu)

此種車身結(jié)構(gòu)是利用鋁材可擠壓成型材的特點(diǎn)，車身框架及主要受力結(jié)構(gòu)由鋁型材組成，不受力或受力小的地方用沖壓鋁板進(jìn)行連接，車身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是“骨架加蒙皮”的形式存在。

車身骨架由鋁合金材料通過擠壓模擠壓出各種斷面的閉口或開口的長條形結(jié)構(gòu)型材（鋼材無法辦到的），可根據(jù)需要鋸切任意長度，再根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行拉彎和機(jī)加，達(dá)到車身結(jié)構(gòu)形狀的要求。

從結(jié)構(gòu)輕量化途徑考慮，在滿足空間尺寸限制的前提下，還可以從“型材截面優(yōu)化”方面來增加其結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度（鋼制型材無法辦到的），如增加矩形截面薄壁梁的高度為提高其彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的最佳方案，增加寬度僅能提高其扭轉(zhuǎn)剛度，但改變壁厚沒有效果。如增加矩形截面薄壁梁中的筋板個(gè)數(shù)為提高其彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的最佳方案，但改變壁厚沒有效果。如增加矩形截面薄壁梁中的筋板形狀為提高其彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的最佳方案，但改變壁厚沒有效果。如增加圓筒截面的直徑為提高其彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的最佳方案，但改變壁厚沒有效果。與上述閉口情況相反，對(duì)于任意開口截面，增加壁厚為提高其扭轉(zhuǎn)剛度的最佳方案，但開口型材的扭轉(zhuǎn)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于閉口型材。

車身碰撞安全：車身采用全鋁型材骨架，封閉環(huán)狀車身骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，前艙縱梁和前保橫梁通過CAE仿真模擬方法，采用不同的截面和料厚;有效利用前艙內(nèi)潰縮吸能空間，在碰撞的初始階段吸收掉大部分的碰撞能量，減少乘員艙所要承受的碰撞能量，從而達(dá)到保護(hù)乘員的目的。

4汽車用鋁合金材料連接技術(shù)

4.1 機(jī)械連接技術(shù)

鋁車身用的機(jī)械連接技術(shù)有很多，主要包括：無鉚連接、SPR自穿鉚接、FDS流鉆螺釘連接、抽芯鉚釘連接、壓鉚/拉鉚/自穿鉚接螺母、拉鉚螺栓

無鉚連接： ? ? ? ? ?鎖鉚連接： ? ? ? ? ? ? 壓鉚/拉鉚/自穿鉚：

4.2 焊接技術(shù)

對(duì)鋁車身零部件連接技術(shù)而言，目前除大量無鉚連接、采用鎖鉚、自攻螺釘、沖聯(lián)工藝及膠（粘）接等非熔化連接方法外，還大量采用M IG 焊、激光焊（包括激光熔焊、激光釬焊）及TIG焊等熔化焊接方法。其中，M IG 焊、激光焊及激光-M IG 電弧復(fù)合焊、攪拌摩擦焊成為鋁車身零部件焊接的標(biāo)準(zhǔn)工藝。

5.結(jié)束語

現(xiàn)在全鋁車身，重量較傳統(tǒng)車減重40%。 采用復(fù)雜斷面設(shè)計(jì)、高強(qiáng)度鋁鎂合金擠壓成型、3D空間精密彎曲、激光組合焊接等技術(shù)，部分承重覆蓋件的加強(qiáng)板也采用擠壓鋁型材，覆蓋件與框架的接通過沖壓鉚釘鉚接完成，形成結(jié)構(gòu)性很強(qiáng)的整體，突破了傳統(tǒng)車身設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，共享車身結(jié)構(gòu)平臺(tái)，可以設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造“跨平臺(tái)、跨模塊”的差異化車身，以滿足不同的整車外觀造型和功能結(jié)構(gòu)的需求。可持續(xù)研究其材料，生產(chǎn)制造的相關(guān)課題，達(dá)到車身安全可靠，質(zhì)量輕。

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