客车车身骨架轻量化材料与轻量化设计

客车车身骨架轻量化材料与轻量化设计
摘要：现如今，我国汽车制造行业快速发展，制造技术也越来越高。

节能减排是国家能源发展要求和汽车行业的发展方向,轻量化是实现节能减排的有效途径,也是汽车制造企业的核心竞争力。

从车身结构设计、材料、工艺3个方面探讨了汽车车身的轻量化设计方法,并提出了车身产品设计需从多维度多方法综合考虑来合理实现轻量化。

关键词：客车；骨架；轻量化材料；轻量化设计
引言
目前，汽车轻量化主要通过材料轻量化、结构轻量化、工艺轻量化等途径实现，三者间相互作用相互影响。

相较于结构和工艺的轻量化，材料轻量化带来的效果更为立竿见影。

然而取得材料轻量化的突破并非易事，要兼顾重量轻、强度高，同时还要控制成本。

1车身轻量化内涵及意义
在2020年发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中确认了全球汽车技术“低碳化、信息化、智能化”的发展方向，节能汽车仍是市场主力，呈现出一体化、轻量化、高压化发展趋势。

由此可见，汽车轻量化作为共性指标，贯穿在国家新能源汽车进步发展的全过程中。

汽车轻量化是一项复杂的系统工程，它是在成本控制与性能改进条件下，通过轻量化结构设计与轻量化材料和制造技术在整车产品上的集成应用而实现的产品减重。

面对日益严峻的油耗法规，世界各国汽车企业都在采取积极的措施以推动汽车产品的节能减排，轻量化是一种有效的手段。

因此，推动汽车轻量化的进步，能够快速提高自主品牌汽车的开发能力。

2车身新材料设计技术
2.1镁合金
镁合金密度约为钢的1/4,约为1.7g/cm3,比强度和比刚度高,兼有良好的阻尼减震和电磁屏蔽功能,同时易于加工、可回收再利用,逐渐成为轻量化发展的研究应用对象。

镁合金存在耐蚀性差、易燃、室温塑性差的缺点。

汽车上采用镁合金零部件共有60多种,所用的镁合金材料主要是AZ和AM合金,少量采用AE和AS3合金。

目前汽车行业金材料牌号还相对较少,汽车平均用镁量为0.7-1.2kg,个别商用车车型镁合金用量达2.0-3.0kg。

国内可生产出常规的镁合金牌号材料,但铸锭性能不稳定、批次差异大、成材率不高,导致成本过高。

目前国内的铸造模具体系已较为完善,具备设计和生产能力,但部分技术含量高、制造难度大的压铸模具还需进口。

由于国内工艺技术不成熟,镁合金循环在利用方面的标准法规还不健全。

2.2非金属代钢
采用高性能轻质材料是实现汽车轻量化的一条重要途径。

除了传统的钢铁材料外，塑料材料也被越来越多地应用于汽车中，其应用已逐渐向外饰件、车身和功能结构扩展，如保险杆骨架、车门模块、前端模块、小腿防撞梁、备胎架、顶盖以及后背门系统等。

其中，以碳纤维复合材料（CFRP）的发展尤为瞩目，碳纤维复合材料比强度极高，是最佳的轻质高强车身材料，碰撞时成碎片状，能大量吸收碰撞能量，目前碳纤维复合材料的应用逐渐由中高端车向平价车延伸。

2.3玻纤增强复合材料
玻纤增强复合材料密度一般为1.3g/cm3,仅为钢的1/6,具有比强度高、耐冲击性、耐老化性好等优点,且能够实现模块化设计,已经在前端模块、尾门、蓄电池托盘等车身零件上得到了广泛的应用,相比钢材能够实现50%左右的减重。

玻纤增强复合材料还具有良好的结构抗撞性,在碰撞中使力和能量传递更加合理。

采用玻纤增强复合材料设计还有利于平台化设计,实现最大限度的结构轻量化。

以玻纤增强复合材料在车身前端模块上的应用为例,塑料前端模块具有以下优势:①能够降低尺寸链,容易控制尺寸精度,而车身冲压件模具套数上百套,尺寸控制困难;②提高整车的装配精度,主机厂焊接、总装成本降低,产线缩短,降低公司运营成本;③可以集成化供货,减少总装产线成本,控制流程缩短;④单件减重50%,减重5kg,轻量化优势明显。

3客车车身骨架轻量化设计要点
3.1高强钢辊压成型
辊压成形工艺是通过顺序配置的多道次成形轧辊,把金属板带持续进行横向弯曲,制出特定断面的型材产品。

辊压成型适用于高强度钢,生产效率高、利用率高、零件易于平台化。

高强度辊压成型工艺主要应用在保险杠防撞梁、车门防撞梁、车身门槛、座椅导轨等零件。

3.2前后围骨架轻量化设计
前后围骨架总成结构相对比较简单，主要由顶弯梁、侧立柱(A柱)、风窗上弯梁、风窗下弯梁构成，其中顶弯梁与侧立柱(A柱)形成封闭环结构，风窗上下弯梁与侧立柱(A柱)形成框架结构，二者形成一个双维度封闭框架结构，其他根据功能需要增加相应辅梁，起到连接、搭接和支撑作用。

故轻量化设计主要措施是:在满足使用要求的基础上，结构尺寸均不作改变，只采用1.5mm厚度矩形管代替2.0mm厚度的矩形管作为辅梁，前围可以降重1.8kg，后围可以降重1.2kg;而主梁选用较大规格的矩形管来保证框架结构的强度与刚度，以满足安全需求。

3.3弯管成形
采用圆管作为成形毛坯,使用充液成形技术、气胀成型、三维辊压来完成制造,该工艺较多应用在车身结构件上。

弯管成形减少了需要焊接的部件,具有形状稳定性、一致性高的优点,适用于复杂形状部件的成形。

弯管成形增加了形状设计的自由度,减少了部件的数量,这些均有利于实现汽车车身的轻量化。

车身的A 柱边梁与前端上纵梁采用多种非等截面的弯管成形工艺,使得与不同安装面的匹配更加自由灵活,并有效提升空间和刚度及部分集成,也有利于车身平台化。

3.4车身制造新焊接技术
在汽车车身制造中，焊接技术是基本的制造技术之一，随着焊接技术的不断发展与改进，激光焊接、等离子焊接与气体保护焊接等新型焊接技术得到广泛应用。

一是激光焊接技术，其主要借助高能量高密度激光束作为热源熔化钢板达到
衔接效果。

激光焊接具有速度快、精准度高、适应性强等优质，同时对操作人员
要求较高。

二是等离子焊接技术，主要借助高强度等离子束对材料特殊熔化处理，焊接
孔会随着等离子弧前移而封闭，达到抗变形效果。

其焊接韧度强、车体表面美观、生产效率高等优势，能够降低日常维护成本。

三是气体保护焊接技术，主要借助外架气体作为电弧介质保护焊接区与电弧焊，CO2气体保护焊是一种高效焊接技术，具有变形小、成本低等特点，在汽车
车身制造中应用广泛。

结语
轻量化设计是一个复杂的过程，不仅需要数据模拟的技术支撑，更需要以往
的设计经验作为数据依托，而设计的关键是设计思路要清晰，要分清结构中的主、辅梁的设定，主梁是核心，是主要的承载件或承载结构的组成部分，辅梁是起到
连接、搭接和支撑作用，只有核心的受力框架结构设计完整，再配合合理的连接，完善的导力结构，才能组合成一个最优的整车骨架结构，做到最大化的轻量化设计。

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