汽车车身轻量化技术(精)

汽车车身轻量化技术

[摘要]介绍了车身轻量化的重要意义和相关车身性能。从轻质材料、结构设计和制造工艺3个方面阐述轻量化技术的主要途径，并通过实例重点分析采用热成型工艺的轻量化效果，最后对比3种轻量化技术的特点和应用范围。

[主题词]轻量化，车身，汽车

0 引言

安全、节能和环保已成为消费者最关心的汽车性能指标。如何开发出更安全、节能、环保的汽车也是当今汽车厂商的重点技术发展方向。汽车安全的重要性不言而喻，涉及到人身安全；节能和环保，不仅影响到用户的用车成本，也关系到可持续发展。目前，各国已有诸多安全和排放法规来强制规范汽车产品的安全和环保性能。

研究资料表明，汽车的燃油消耗与汽车的自身质量成正比，汽车质量每减轻1%，燃油消耗降低0.6%-1.0%，燃油消耗下降，排放也随之减少。因此减少汽车自身质量成为提高节能环保性能的有效途径。而白车身作为车身骨架一般占整车质量的22%—25%，其轻量化对降低整车质量意义重大。因此，汽车车身轻量化技术成为现代汽车开发技术一个重点课题。

1 车身轻量化的基础

车身轻量化必须在保证汽车安全性的前提下，同时达到车身刚度、疲劳耐久性、操控稳定性和振动舒适性等要求。

1.1 车身结构安全

车身结构安全属于汽车的被动安全范畴，目的在于保护车内乘员的安全。

自20世纪50年代起，许多国家陆续开始制定汽车被动安全法规。目前各国汽车被动安全法规有：美国联邦机动车法规体系(FMVSS)和欧洲法规体系(ECE ／EEC)。而我国强制性汽车被动安全标准(GB)主要是参考欧洲法规体系。另外还有各国的新车评价体系(NCAP)全面地为消费者提供汽车安全性能方面的信息。

车身结构安全直接影响到汽车是否满足这些被动安全法规。其包括正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞、翻滚和低速碰撞等。车身结构在设计上一般分为低速行人保护区，相容吸能区和乘员保护区。

1.2 车身刚度

评价车身结构力学性能的主要指标是车身刚度，包括动态刚度和静态刚度，静态刚度又包含扭转刚度和弯曲刚度两个方面。在车身轻量化中，必须保证达到车身刚度的要求，这样才能使汽车的疲劳耐久性和振动舒适性等不受影响。

1.3 车身轻量化系数

为了评价轻量化的效率，引申出了车身轻量化系数的概念，其可通过如下公式计算：

式中，L

q 为轻量化系数；M

BIW

为白车身质量；C

T

为白车身静态扭转刚度；A

为白车身投影面积，由整车轴距与轮距相乘获得。轻量化系数L

q

值越小，表示车身轻量化做得越好。

2 车身轻量化的途径

2.1 采用轻质材料

2.1.1 超高强度钢板

按照抗拉强度的不同，钢材一般分为普通钢、高强度钢和超高强度钢。抗拉强度小于210MPa的称为普通钢；抗拉强度在210—550MPa之间的成为高强度钢；抗拉强度超过550MPa的称为超高强度钢。

超高强度钢主要有：相变诱导塑性钢TRIP，双相钢DP，复相钢CP，以及马氏体钢Mart等。由于马氏体钢抗拉强度约为1200MPa，其一般采用滚压成型工艺制造，用于车门防撞杆和门槛加强板等零件。目前车身上使用的超高强度钢，主要是称为先进高强度钢(AHSS)的，其是利用金相组织强化得到的钢种，具有强度、延伸和塑性的各方面优良的综合性，其抗拉强度范围为500—

1500MPa。另外还比较多地采用热成型钢，成型后零件的材料抗拉强度达到1800MPa。

图1为目前某一较新车型的不同强度钢材分布，可以看出，目前该车型的超高强度钢比例已经达到11%，高强度钢比例为11%，普通钢只占27%。而从保证车身碰撞安全性的角度来看，高强度钢的用量将直接决定车身轻量化的水平。

2.1.2 铝合金

铝合金是在汽车轻量化中应用相对成熟的轻质材料。奥迪汽车公司最先在Audi80和Audi100两款车型上采用了铝车门。1994年开发了第一代全铝空间框架结构(ASF)。ASF车身超过了现代同类钢板车身的车身刚度和被动安全性，但汽车自身质量却减轻了大约40%。

但是铝材价格相对较高，是钢材价格的3倍左右，且铝制产品成型工艺相对复杂，这是制约铝合金轻量化应用的因素。除开发低成本的铝合金和先进的铝合金成型工艺，发展回收再生技术以进一步降低铝的成本之外，扩大铝合金应用的另一个研究方向是开发新的各种联接技术，如铸铁—铝连接、铝—钢连接、铝—镁连接等。

2.1.3 镁合金

镁合金是比铝合金密度更小的轻质材料。其耐热耐压耐腐蚀且易于回收利用。欧洲正在使用和研制的镁合金汽车零部件有60多种。驶多飞集团与德国大众合作，准备将其专利产品镁合金MnE21替代某车型白车身上的多个钢板零件，如前后保险杠、车顶横梁和车门防撞杆等。如果替代成功，将大大减轻该车的车身质量。

2.1.4 工程塑料

目前已有采用工程塑料的车身翼子板，其相比金属可以实现40%的减重，且其能耐侵蚀和轻微碰撞，在低速碰撞的情况下无需维修，从制造角度相比金属有更大的造型自由度提升，也便于零件集成，从满足行人保护方面考虑，也是理想的选择。

2.2 结构优化设计

利用有限元法和优化设计方法可对结构力学性能进行分析和优化设计。在车身结构优化设计中，通常采用的优化方法有：拓扑优化、形貌优化、形状和尺寸优化。其中拓扑优化在结构的概念设计阶段应用较多。形貌优化可以对加强筋的形式、走向和位置深度等参数进行优化，形状和尺寸优化可以对饭金件的型面和板厚进行优化。

一般优化问题可以通过下列关系表述：

式中为一个n维向量，X L和X U分别是设计变量的上限和下限。

在设定优化变量时，可以通过车身钣金零件的灵敏度分析，选择对目标函数贡献较大零件尺寸参与优化设计计算，作为优化设计变量。变量的变化范围则结合实际经验中的零件尺寸限制而定。

在发动机舱盖内板和车门防撞杆的设计中，可以应用拓扑优化、形貌优化和形状优化的组合，选择更合理的内板上开孔位置、筋的走向和深度，优化车门防撞杆的型面。