以輕量化為目標(biāo)的汽車車身優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

呂秋菊

【摘 要】汽車的車身是車的外表，消費(fèi)者根據(jù)車身的外觀進(jìn)行選擇。一般情況下，對汽車的設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)在汽車車身方面，因此對汽車車身的研究就相對多點(diǎn)。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。為了滿足消費(fèi)者的需求，在對汽車車身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)從輕量化入手。文章通過對汽車車身優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并達(dá)到車身輕量化的目的。

【關(guān)鍵詞】輕量化；汽車車身；設(shè)計(jì)

一、汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

（一）高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用

高強(qiáng)度鋼板的真正優(yōu)勢是減薄鋼板、減輕車身質(zhì)量而又不降低車身安全性。無論從成本還是性能角度分析，高強(qiáng)度鋼板是滿足車身輕量化、提高碰撞安全性的首選材料，主要應(yīng)用在AB柱、地板、門檻等車輛的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。

（二）鋁合金的應(yīng)用

鋁合金作為輕質(zhì)金屬，是汽車輕量化的理想材料。鋁合金在汽車領(lǐng)域的用量在逐步增加，且種類多樣化，大有代替鋼板、成為未來汽車車身主要材料的趨勢。

1.鋁合金的特點(diǎn)

鋁合金的主要特點(diǎn)包括：密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、彈性和抗沖擊性能好、耐腐蝕、耐磨、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、易表面著色、良好的加工成形性及高的回收再生性等。

2.鋁合金的分類

鋁合金分為鑄造鋁合金和變形鋁合金，鑄造鋁合金用于重力鑄造件、低壓鑄件和特種鑄造件；變形鋁合金主要用于空調(diào)系統(tǒng)零件、壓縮機(jī)件、行駛系部分零件、發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱器件、車身零件和裝飾件等。鋁基復(fù)合材料用于制造汽車活塞、氣缸套、懸臂架、制動卡鉗、驅(qū)動軸及車輪等汽車零件。

3.應(yīng)用于汽車上的鋁合金部件

馬自達(dá)、奧迪等外覆蓋件均采用鋁合金板材。鋁合金在車身上的應(yīng)用是從發(fā)動機(jī)罩和行李箱蓋開始，逐漸發(fā)展到全鋁車身。在汽車上的應(yīng)用材料為鋁合金和鋁復(fù)合材料，目前國外可達(dá)80%以上。60%以上的汽車用鋁合金材料為再生鋁，回收1t鋁合金要比加工制造1t少耗能95%。汽車工業(yè)中加工鋁合金所需的工裝設(shè)備的投資要比鋼鐵少得多。同時(shí)，汽車鋁制車身框架以鋁擠壓型材為主，焊點(diǎn)少，提高了裝配效率，也減少了制造成本。

4.熱塑性塑料與復(fù)合材料的應(yīng)用

熱塑性塑料目前主要應(yīng)用在后尾門，目前很多商用汽車的后行李廂門多采用熱塑性材料，相比鋼制后尾門，減重10%，提高了市場感知度，并且注塑、組裝工藝簡單，降低了生產(chǎn)成本。

復(fù)合材料是由2種或2種以上不同性質(zhì)的材料組成，其綜合性能優(yōu)于原組成材料，并滿足不同的要求。其中，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）因其質(zhì)量輕、高強(qiáng)度（鋼的5倍）、高模量和良好的耐熱、耐腐蝕性等特點(diǎn)，已成為一種非常理想的汽車輕量化材料。如果1輛乘用車采用10kg的復(fù)合材料，按照每年新車產(chǎn)量2300萬輛計(jì)算，車用復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)將形成千億元的市場規(guī)模。由于碳纖維復(fù)合材料制造成本過高，在汽車中的應(yīng)用有限，最初僅在F1賽車、超級跑車、小批量車型上應(yīng)用，如蘭博基尼、柯尼塞格、雷克薩斯LFA、保時(shí)捷911GT3承載式車身上。但隨著碳纖維制造成本的下降，復(fù)合材料制造工藝的成熟，各大主機(jī)廠紛紛進(jìn)行碳纖維零部件的開發(fā)，如今被廣泛地應(yīng)用于高級轎車上。

二、汽車輕量化的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

在目前車身設(shè)計(jì)中高度智能化、仿真精度高的三維設(shè)計(jì)軟件的輔助下，車身設(shè)計(jì)目前實(shí)現(xiàn)輕量化的最主要的兩種方法：一種是用密度相近，但是強(qiáng)度更高的鋼材去替換低強(qiáng)度的厚鋼板；一種是用密度更小，強(qiáng)度更高的復(fù)合材料去替換低強(qiáng)度的厚鋼板。

（一）優(yōu)化車聲結(jié)構(gòu)，提高材料利用率

比如車身下部由非連續(xù)性改為連續(xù)性，使得汽車在碰撞時(shí)有效分散撞擊能量；增加加強(qiáng)筋；加強(qiáng)防滾架平衡桿；有限元法設(shè)計(jì)；采用承載式車身，減薄車身板料厚度等。

（二）優(yōu)化制造工藝

比如激光焊接、攪拌摩擦焊、擠壓成型、熱處理、鎖錨連接等。

（三）新材料的研發(fā)與應(yīng)用

比如使用高強(qiáng)度鋼材（熱成型鋼材）、輕合金（鋁合金、碳纖維、鎂合金）、記憶金屬（微晶鋼）、工程塑料、陶瓷、玻璃纖維等。剛度指的是材料抵抗外力變形的能力，通常在車身開發(fā)中特指材料在屈服前的彈性特性，良好的剛度是整車NVH性能、車輛動力性能和疲勞耐久性能的基礎(chǔ)，常見的評判指標(biāo)有車身扭轉(zhuǎn)剛度等。剛度與材料的彈性模量相關(guān)，基本上材料種類確定，彈性模量也就確定了，比如采用高強(qiáng)鋼并不會提升車身的剛性，因?yàn)殇摰膹椥阅Ａ慷家粯印?/p>

1.碳纖維

越來越多的新車上市，其中標(biāo)榜的一項(xiàng)特點(diǎn)便是車身輕量化，而我們聽到最多的一個(gè)詞就是"碳纖維"。碳纖維又稱碳化纖維，泛指一些以碳纖維編織或多層復(fù)合而成的材料。因?yàn)樗州p又堅(jiān)硬，所以它的用途很廣泛。碳纖維在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用率先從賽車開始，近年來在民用汽車中得到了廣泛的引用。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為23000～43000Mpa也高于鋼。但碳纖維材料也只是沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，其耐沖擊性卻較差，容易損傷，所以在制造成為結(jié)構(gòu)組件時(shí)，往往利用其耐拉質(zhì)輕的優(yōu)勢而避免去做承受側(cè)面沖擊的部分。

2.結(jié)構(gòu)膠

再比如結(jié)構(gòu)膠，過去烘烤硬化結(jié)構(gòu)膠只在車身上有少量應(yīng)用，但是現(xiàn)在的趨勢是可以通過采用更多的結(jié)構(gòu)膠提升車身剛度性能，從而降低結(jié)構(gòu)件的重量，奧迪、沃爾沃的一些車身上采用了超過100米的結(jié)構(gòu)膠；再比如填充在車身接頭的發(fā)泡硬化材料，可以有效替代傳統(tǒng)加強(qiáng)板形式的加強(qiáng)件，即提升性能，又降低重量。

3.鎂合金

鎂合金是工程應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)材料，也是汽車輕量化材料中的一員。純鎂的密度僅為鋁的2/3，鋼的1/4，接近工程塑料的密度。而且鎂合金的比強(qiáng)度也比鋁合金、鋼鐵高。因此在不降低零部件強(qiáng)度條件下，鎂合金鑄件比鋁鑄件的重量減輕大約25%。此外，鎂合金還有良好的焊接和鑄造性能、對振動與沖擊的吸收性能好，抗凹陷性能好，易于機(jī)械加工。但是由于價(jià)格較高和高溫抗蠕變問題尚未得到有效解決，鎂合金目前主要應(yīng)用于儀表盤基座、風(fēng)扇架、方向盤軸、燈托架等汽車零部件中。工程塑料具有質(zhì)輕、防銹、吸震、可設(shè)計(jì)自由大等特點(diǎn)，工程塑料在汽車零部件，特別是內(nèi)飾部件的應(yīng)用越來越大。工程塑料在汽車上的用量，甚至超過了鑄鐵的用量。很多塑料零件應(yīng)用于車身上，比如大眾系的車子都采用了塑料的前端水箱框架，有些車子有塑料的后地板等等。

可見目前幾乎所有的優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路都是在保持車身性能不下降的前提下降低車身重量，通過給定的工況下求出載荷的最佳傳遞路徑，從而設(shè)計(jì)出最優(yōu)的車身結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，大量的新材料新工藝也在幫助車身降低重量。

三、結(jié)束語

要獲得汽車車身輕如蟬翼堅(jiān)如磐石的最優(yōu)效果，符合車身輕量化的理想狀態(tài)，必然要受到成本和性能的約束，只有借助先進(jìn)的數(shù)字化手段，充分發(fā)揮多工藝制造手段的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)工藝制造技術(shù)和方法在車身上的合理化和精細(xì)化使用，才能有效地節(jié)能減排，提高汽車的整體質(zhì)量，促使我國的汽車制造業(yè)與世界汽車工業(yè)的差距大大地縮短。

【參考文獻(xiàn)】

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