车身轻量化.docx

车身设计论文
班级：车辆0501
座号：28
姓名：林钰凯
日期：2008.10.20
车身轻量化
车身轻量化背景及意义
汽车的轻量化工作在国际上越来越重视，纷纷在研究。

欧洲铝协材料表明，汽车重量每降低100 公斤，每百公里可节约0.6 升燃油。

大量使用铝合金的汽车，平均每辆汽车可降低重量300 公斤（从1400 公斤到1100公斤），寿命期内排放可降低20%。

由此可见，伴随轻量化而来的突出优点就是油耗显著降低。

汽车车身约占汽车总质量的30%，空载情况下，约70%的油耗用在车身质量上，必须要减轻自重以提高整车燃料经济性为目的。

另外汽车对全球CO2 和有害气体的排放，燃料资源和矿产资源的消费等影响很大。

为了构建今后可持续发展的汽车社会，各汽车厂家将解决上述问题作为最重要的课题来研究。

日本制定了2015 年度消耗标准，乘用车的2010 年度油耗标准平均降低29.2% 。

美国推出了每年4% 的CAFE 法规强化方针。

欧洲法规要求，2008/2009 年的CO2 排放目标140g/km ，2012 年乘用车单体目标平均130g/km 。

为了降低油耗，减少CO2 排放，强烈要求提高发动机的效率，减少车辆行驶阻力，减轻汽车质量。

所以，汽车的轻量化有助于汽车的“行驶、转弯、停车”三大基本性能的提高，并且对环保要求的降低油耗和减少CO2 排放发挥重要作用。

车身轻量化方法
减轻汽车车身重量，可以减少燃油消耗，装配更多的装备，提高汽车的性能。

为了减少汽车重量，工程师主要从材料、工艺和结构上想办法。

车身轻量化即采用现代设计方法和有效的手段对车身产品进行优化设计，或使用新型材料在确保车身综合性能指标的前提下，尽可能降低车身产品自身重量，以达到减重、降耗、环保、安全的综合目标。

轻量化和小型化不同，它是指同一台车在同样尺寸或同一种车型在同样的汽缸容量的前提下重量的减轻。

在减轻车身自身重量的情况下，既要保持车身原有的性能不受影响，又要保证车身行驶的安全性、耐撞性、抗振性及舒适性。

一方面，车身轻量化与所用材密切相关。

另一方面，优化结构设计也是实现车身轻量化的有效途径。

结合白车身的轻量化要求，主要在以下几个方面对其进行研究。

一是对车身结构进行优化设计。

即改进结构、减少零部件数量、使部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以及内饰、发动机及底盘等所有车身零部件进行结构改进；
对车身零部件进行结构优化，在满足设计性能要求的前提下，以获得最轻结构设计。

该方法主要优点是成本低且容易实现，尤其对于自重大、结构比较复杂的零件，这种方法有很大的应用空间。

拓扑优化的过程是在一个设定的区域（设计区域）内，满足一定的边界条件（外载荷、特征频率等）的情况下，对材料进行重新分布，使设计获得预期的性能。

结构拓扑优化和结构尺寸优化是车身优化的两种主要方法，将离散拓扑优化与结构尺寸优化相结合，对车身进行轻量化设计，结合Hypermesh 有限元前处理软件和Optistruct 拓扑优化软件来实现多种优化方案的实
现及比较。

在具体的优化过程中，将首先使用有限元方法对需要轻量化的零件进行有限元离
散化，在此基础上运用拓扑优化软件来实现罩板的结构轻量化，限元
同时对轻量化后的结果进行有刚度和强度分析，以确定拓扑优化的合理性和可行性
可以将上两种方法相结合，以求获得最优效果。

但无论应用何种方法，必须要解决下面几个问题：（一）降低车身质量不能影响汽车构架的强度和刚度。

汽车车身必须要有足够的强度，在不同的部位要有不同的刚度，比如说前面梁刚度小，驾驶舱刚度大。

另外汽车钢板厚度的改变也有考虑到安全方面的问题。

我们开着坦克在公路上肯定不怕撞击，但一般的坦克都重大 2.5 吨以上。

因此，汽车轻量化的研究的目标就是像坦克一样耐撞，和坦克比又显得无比轻盈。

（二）应用新材料不能增加汽车的成本上的负担；汽车生产是规模化生产的典型，由于产品批量巨大，任何一点成本上的浮动都会给厂商和客户带来压力。

因此，像碳纤维这样的材料只能应用于F1,或者一些超级跑车上面。

（三）应用新材料后的汽车在出厂后若发身损坏修复成本不能太高。

在此之前，曾一度出现合成塑料的车身，在成本上的强度上都没有问题，但它不能推广的最大原因在于当车身发生损坏时很难进行局部修补，有时候甚至要换车壳。

二是采用轻质的金属和非金属材料。

主要是指高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金、工程塑料，复合材料等；
据报道目前在国内外车身上应用较多的轻量化材料主要有以下几大类：
第一，有色合金材料。

有色合金材料是车身轻量化中替代钢铁材料的主力。

目前，在车身上使用越来越多的有色合金包括:铝合金、镁合金、铜合金、钛合金等，使用最广泛的是铝合金、镁合金。

①铝合金:与钢铁相比，铝合金具有质量轻、耐腐蚀性好、易于加工等特点。

铝材料巳经广泛应用
在发动机、轮圈、仪表板装饰及其它零部件上。

但是大量用于车身制造上还是少见，主要是受到
加工技术（焊接工艺性差）和成本的约束。

②镁合金:与钢铁相比，镁合金密度小（比铝还小）、易于加工、压铸经济、阻尼减振性和
抗凹性好，其最突出的特性是比重轻，是铝合金的2/3，强度比铝合金高，与高强度金属结构
钢相近。

镁合金是当前最理想、重量最轻的金属结构材料，汽车上有60 多种零部件适合采
用镁合金，例如发动机零件、变速器零件、仪表板、轮圈等。

据介绍，
对于使用镁金的汽车而言，一般欧洲车用镁合金9 公斤至20公斤，北美车用镁合金6 公斤至
26 公斤。

镁合金也在日本生产的汽车上采用，例如镁合金变速杆、变速箱体、车门内框、扶
手等等。

因而镁合金成为车身减轻自重，以提高其节能性和环保性的首选材料，但其铸造性
差、后处理工艺复杂、成本较高。

我国是全世界镁资源最丰富的国家，应用镁及镁合金无疑是我
国车身轻量化的首选材料。

第二，非金属材料。

用于车身的非金属材料有数十种产品，用量最大的当数塑料和复合材料。

①塑料:与金属相比具有比重小、比强度高、耐腐蚀、能隔音隔热和吸收碰撞能量、易加工、成本低、外观装饰性好等优点，且制作能耗低。

为节能降耗、提高车速、改进外观和舒适性、降低成本。

② 复合材料:主要有碳纤维增强树脂基复合材料、有机纤维复合材料等，具有密度小、比强度和比刚度较高、耐腐蚀、耐疲劳、易成型、易修复、节能、抗震、材料稠密性好等特点。

如玻璃增强材料：玻璃增强材料与金属相比具有比重小、比强度高、耐腐蚀和隔音隔热等特点,可以成型复杂形状的零件且制作成本低。

因此汽车厂家越来越多地选用玻璃增强材料来替代金属,主要由SMC 和GMT 两种材料。

一般这两种材料主要应用在保险杠防撞杆、前翼子板、后备胎罩和后背门上。

结构发泡材料：车身接头对整车的安全、刚度、强度有着至关重要的影响,如何加强接
头是汽车研发单位重点考虑的问题。

应用预埋在接头处的高强度的结构发泡材料来提高整车刚度是一种有效途径。

高强度结构发泡材料具有质量轻、可以制作复杂形状、加强效果明显等优点,
已逐渐被汽车厂商接受并使用，例如法国雪铁龙Picasso1C4和OPEL Astra等。

第三，高强度钢。

高强度钢在轻量化材料中，与铝合金、塑料相比，高强度钢具有价格低、弹性模量高、刚性好、耐冲击性好、抗疲劳强度高等特点，缺点是耐腐蚀性差。

传统的设计理念是通过提高零件的料厚来获得整车的碰撞性能和耐久性能，而现在可以通过选用高强度钢板、减少料厚的办法来获得更好的碰撞性能和耐久性能，同时又减少车身重量。

现在的钢材分类为普通钢、高强钢和超高强钢板。

普通钢屈服强度在110〜180 MPa,烘烤硬化钢屈服强度在130〜300 MPa,这两种材料一般用在车身的外覆盖件和地板零件上。

高强度钢屈服强度在340〜550 MPa, 一般用作结构加强件。

超高强度钢板一般指抗拉强度超过550 MPa,主要有DP钢和MS钢（马氏体钢）。

DP钢的抗拉强度在500〜1 000 MPa, 一般用于需要高抗拉强度、高碰撞吸能且成型较复杂的车身零件,如前舱大梁、 B 柱内外板等。

MS 钢抗撞强度有900MPa1 300MPa, 由于MS 钢强度极高,所以一般用滚压成型工艺生产,主要应用在门槛梁上。

例如新Civic, 由于提高了高强钢的比例,汽车的安全性由Euro NCAP 4 星提高到5星,车身的动刚度和NVH 性能得到了进一步提高,而车身重量却减少了 2 kg。

目前在材料实验进行中，遭遇到的困难之处在此作以下几点归纳说明：
•如何使强化相能完全溶入基材为首要要务
•如何减少氧气的溶入使复合材料机械性质下降
•若强化相不行溶入则寻找替代方案
•注意拉伸试片的制作以确保量测的准确性及一致性
三是采用先进的制造工艺。

使用基于新材料加工技术而成的轻量化结构用材，如具有轻质结构的承载式车身制造将采用诸如激光切割、激光焊接、液压成型、模压成型等新技术，连续挤压变截面型材、内高压成形（液压胀形）、半固态成形、金属基复合材料板、激光拼焊板成形等以达到轻量化目的。

主要包括：结构设计技术、材料科学技术及制
造工艺技术。

由于新材料的应用伴随新工艺的产生， 现代汽车制造技术有了得到新的发展。

汽车车身各结 构的形 状、受力不一样，对强度、刚度、拉延和塑性变形的要求各有不同，一般要根据构件 的形式、要求和的使用材料来选择冲压工艺。

过 去的冲压工艺首先把钢板剪裁成冲压板料， 然后冲压成为冲压件， 再将各个冲压件焊 接成所需要的部件。

一种新的工艺方式则将这种顺序颠倒过来，它称为“拼 焊”，就是将不 同厚度和不同性能的钢板剪裁后拼焊起来的一种钢板， 这种拼焊钢板可以冲压加工。

采用拼焊 钢板可以按照汽车的不同部位对应采用不同的板材，更 好地发挥其作用。

例如在负荷大的地 方采用较厚的高强度钢板，而在其他部位则使用较薄的高强度钢板。

拼焊采用激光焊接， 经过激光焊接的拼焊钢板允许进行冲压加工， 经冲压成型而成为车 身上的冲压件。

由于激光焊接技术可以有效地减小零件搭接边的宽度 （如门洞周边的长度可以 由原来点焊翻边长度14〜17 mm 减小到10〜13 mm ）或取消焊接翻边（如门前立柱区域）,从而达 到减重的目的，而车身的刚度却可以得到提高 ，一般可以减重1.5〜2. 5 kg 。

常用区域有前风挡下 横梁、顶盖与侧围的流水槽、后行李箱盖板、门洞和前门立柱等
拼焊板是将两块或两块以上具有不同机械性能、镀层和厚度的板料焊接在一起
，从而得到 具有理想强度和刚度的板料。

通过拼焊板技术的应用 厚的
材料 ，不需加强处采用薄的材料从而减少零件数量 用简
化了生产工艺、改善了构件性能、减轻了重量。

架、车门
内板、车身底板、立柱等。

、
液压成型技术是指将高强度钢管放置到特定的模具中 ，通过向钢管内部灌注极高压力的液
体，从而使钢管变形成所设计的形状。

由于节省了焊接翻边和不同零件的集成
，从而达到了减重 的目的。

车身接头的联结技术： 车身的接头一般由 3块及以上的板组成 ，搭接关系复杂 ，主要是通过点 焊联结。

点焊联结需要有一定的操作空间 ，但由于焊装顺序 ，可能无法为车身上某些接头提供操 作空间 ，一般通过在结构件上设计接近孔来解决。

而接近孔所带来的结构薄弱又必须通过增加 加强板来弥补 ，适当应用 CO2 焊接和结构胶粘接技术可以轻松解决此类问 题，而不需要额外增加过多的重量。

结语 ：实现车身结构轻量化的途径多种多样 ，每种方法有其各自的特点和应用范围
，厂商应根 据自身的产品特点、生产体系和供应商的整体水平 ，选择适当的方法 ，在开发成本与客户需求 之间找到最佳的平衡点。

另外厂商应加大如全铝车身、 铝铁混合车身等新技术的研发 ，以便更 好地适应现代汽车产业日新月异的变化。

，可以实现同一个零件在需要加强处采用 ，优化料厚 ，达到减重目的。

拼焊钢板的应。