輕量化在汽車車身開發(fā)中的應(yīng)用

摘 要：在汽車行業(yè)，對更高汽車效率的持續(xù)監(jiān)督是促使車輛減重設(shè)計的主要動力。關(guān)于輕型汽車的燃油效率和限制碳排放的標準被世界認可。為鞏固和提高汽車工業(yè)未來國際競爭力，歐美日等汽車工業(yè)發(fā)達國家都在采取積極措施，推動和促進汽車節(jié)能技術(shù)發(fā)展、提高汽車燃料經(jīng)濟性水平，相繼完成新一輪針對2020年甚至更長遠的各年度乘用車燃料消耗量標準法規(guī)制定，對乘用車燃料消耗量及對應(yīng)的CO2排放提出更加嚴格的要求。

關(guān)鍵詞：輕量化；汽車車身；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；新材料

在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能多的降低汽車整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗以降低排氣污染，而汽車車身在汽車上占有重要比例，僅車身質(zhì)量就約占汽車總質(zhì)量的五分之二。文章通過對汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析，并達到車身輕量化的目的。

1.汽車車身輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

歐盟和美國等國家的主要汽車生產(chǎn)廠商都在汽車輕量化項目上投入大量資源。歐洲的汽車制造商們正在進行“超輕型汽車”工程，力爭將汽車減重30%；而美國政府新一代汽車合作計劃中，政府每年投入約2億美元用于家用轎車的減重。國內(nèi)汽車輕量化相關(guān)產(chǎn)業(yè)還未形成較大規(guī)模。國內(nèi)汽車在輕量化技術(shù)方面與國外先進水平相比存在較大的差距。例如鋁及鋼的用量都比國際先進水平少一半，鎂合金則差距更大。目前，北美每輛車鎂合金的使用量平均為3.5千克，歐洲先進水平則能達到14千克，而國產(chǎn)汽車每輛僅1.5千克。

2.在汽車車身實現(xiàn)輕量化的過程中存在的問題

第一，車身是一個比較復(fù)雜的部位，其內(nèi)部有著各種各樣的材料，隨著汽車使用年限增加，車身內(nèi)部的這些材料就會出現(xiàn)疲勞失效的情況，從而導(dǎo)致汽車的性能降低。國內(nèi)對零件疲勞失效的準則并沒有進行明確統(tǒng)一；第二，在目前國內(nèi)汽車領(lǐng)域，高強度鋼的應(yīng)用和成型工藝水平不足；鋁、鎂合金等輕質(zhì)金屬材料的使用范圍有待擴大；先進的工程塑料，陶瓷等材料生產(chǎn)工藝能力不足；熱成型、激光拼焊、液壓成型等成型工藝水平不足；復(fù)合材料間的連接技術(shù)不夠成熟；當(dāng)然最重要的是輕量化材料成本較高，在中低端汽車產(chǎn)品的應(yīng)用較為困難。第三，在汽車設(shè)計方面，大多數(shù)汽車仍采用的是傳統(tǒng)設(shè)計方法，并沒有引進先進的汽車設(shè)計理念，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計能力的不足，制約了輕量化技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

3.汽車車身輕量化方法

汽車車身輕量化技術(shù)可以分為：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、輕量化材料的應(yīng)用和先進制造工藝等三個主要方面。其中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面包括：汽車結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓補優(yōu)化和多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化；輕量化材料的應(yīng)用方面包括：高強度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料等；先進制造工藝方面包括：液壓成型和激光拼焊等。

3.1 汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計輕量化技術(shù)應(yīng)用

從汽車零部件概念設(shè)計、初始結(jié)構(gòu)設(shè)計、產(chǎn)品工程設(shè)計和樣車制造過程來做結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計分析。在滿足使用性能的前提下，采用優(yōu)化設(shè)計去除零部件的冗余部分、減少零件搭接、改變零件結(jié)構(gòu)、以減少零件數(shù)量或降低零件質(zhì)量，從而實現(xiàn)輕量化。在考慮輕量化時，要協(xié)調(diào)總成與整車、總成與總成之間可能出現(xiàn)的各種矛盾。首先利用三維設(shè)計，可以準確的實現(xiàn)車身實體結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局設(shè)計，對各構(gòu)件的形狀、配置、鈑材厚度的變化進行分析，結(jié)合運動分析解決零部件的布局的合理性，并有效解決零部件間的運動干涉問題。其次在車身輕量化設(shè)計中應(yīng)大量應(yīng)用拓補優(yōu)化技術(shù)，可以在很大程度上保證車身結(jié)構(gòu)設(shè)計后續(xù)的尺寸和形狀優(yōu)化是在材料分布最優(yōu)初始拓補形式下進行，能夠避免內(nèi)部復(fù)雜零件設(shè)計的盲目性，保證最大的材料利用率，減輕零件質(zhì)量；保證最優(yōu)的模態(tài)，提高零件的總體性能；保證零件的工藝性，減少不必要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而降低模具和生產(chǎn)成本。

車門結(jié)構(gòu)優(yōu)化 B柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.2 汽車材料輕量化技術(shù)應(yīng)用

在汽車車身設(shè)計過程中，常用的輕量化材料為高強度鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維等。

高強度鋼鈑材：可大幅度減少車身結(jié)構(gòu)中的附加支撐件、加強梁和嵌套截面，采用更少的部件和更薄的鈑材，從而有效減輕車身質(zhì)量。高強度鋼鈑材在抗碰撞性能、耐腐蝕性能、抗疲勞性能和成本方面較其他材料仍具有較大的優(yōu)勢。

鋁合金材料：鋁的密度約為鋼的1/3，具有高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，塑性好，易成型，易回收利用?？赏ㄟ^鑄、鍛、沖壓工藝用鋁合金制造各類汽車零部件，如全鋁車身總成，其是輕量化材料中應(yīng)用比較廣泛、成熟的材料之一。鋁合金雖然提高了汽車綜合性能，但同時也提高了整車成本，鋁合金應(yīng)用的局限是成本問題，所以如何在保證成本不增加的前提下提高鋁合金的使用量是我們應(yīng)該關(guān)注的研究方向之一。

鎂合金材料：鎂合金在汽車上的應(yīng)用大致分為兩大類。一類是非結(jié)構(gòu)鑄件，這類鎂鑄件不需承受巨大的沖擊，主要運用在氣閥蓋、殼體、機罩等；另一類是結(jié)構(gòu)鑄件，這類鎂鑄件需要承受特定的載荷，且能滿足一定的抗沖擊要求，主要運用在方向盤、座椅框架、座椅升降器、轉(zhuǎn)向柱部件和安全氣囊座等。

鋁合金車身 碳纖維車身 高強度鋼車身

拓補分析 - 鋁合金發(fā)動機罩

3.3 汽車制造工藝輕量化技術(shù)應(yīng)用

為了達到進一步減小質(zhì)量及降低成本的目的，除了開發(fā)新材料的應(yīng)用，還開發(fā)了一系列基于新材料的新制造工藝。

激光拼焊工藝：減小結(jié)構(gòu)件質(zhì)量及材料消耗，減少零件數(shù)量，特別是減少墊板及其他一些加強元件；降低車身質(zhì)量，提高汽車結(jié)構(gòu)可靠性及安全性。

液壓成型工藝：主要是把成型的管件或鈑料放在密閉的模具中，再把流體介質(zhì)引入管件內(nèi)腔，增加水的壓力，使管件或鈑料在常溫下模具內(nèi)變形。從而提高產(chǎn)品品質(zhì)，減少零部件數(shù)量，降低質(zhì)量和成本。

4.結(jié)束語

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車車身輕量化是未來汽車的發(fā)展趨勢，因此汽車企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強汽車車輛輕量化的優(yōu)化設(shè)計。文章通過對汽車車身輕量化發(fā)展的現(xiàn)狀進行了解，然后提出在這個發(fā)展過程中仍存在的一些問題，并對汽車車身輕量化優(yōu)化設(shè)計進行分析。

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作者簡介

邱峰（1985.04-），性別：男，民族：漢，籍貫：江蘇淮安，當(dāng)前職務(wù)：車身所 所長，當(dāng)前職稱：助理工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：汽車設(shè)計。

（作者單位：徐州徐工汽車制造有限公司）