乘用车车身结构轻量化设计技术研究与实践

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[摘 要]在汽车工业飞速发展的今天，节约资源、减少环境污染、保证行车安全成为了世界汽车工业界亟待解决的三大问题，汽车轻量化是应对这三大问题的有效手段和方法。汽车重量的减轻不仅可以减少原材料成本，减少汽车行驶阻力和燃油消耗，而且对提高汽车的燃油经济性，降低汽车的有害气体排放也至关重要。本文主要对乘用车车身结构轻量化设计技术进行研究分析。

[关键词]车身结构 零部件 轻量化设计

中图分类号：TP393.08 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）01-0271-01

引言

实现汽车轻量化主要有三种途径：一是对汽车底盘、发动机等零部件进行结构优化，在结构设计上主要采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等方法；二是在使用材料方面通过材料替代或采用新材料来使汽车轻量化。在替代材料方面，可使用铝、镁轻合金等有色金属材料、塑料聚合物材料、陶瓷材料等密度小、强度高的轻质材料，或者使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；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，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等，也可以达到轻量化目的。

一、合理的结构设计

目前国内外汽车轻量化技术发展迅速，主要的轻量化措施是轻量化的结构设计和分析，设计已经融合到了汽车设计的前期。轻质材料在汽车上的应用，包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等，与结构设计以及相应的装配、制造、防腐、连接等工艺的研究应用融为一体。在现代汽车工业中，利用CAD/CAE/CAM 一体化技术起着非常重要的作用，涵盖了汽车设计和制造的各个环节。运用这些技术可以实现汽车的轻量化设计、制造。轻量化的手段之一就是对汽车总体结构进行分析和优化，实现对汽车零部件的精简、整体化和轻质化。利用CAD/CAE/CAM 一体化技术，可以准确实现车身实体结构设计和布局设计，对各构件的开头配置、板材厚度的变化进行分析，并可从数据库中提取由系统直接生成的有关该车的相关数据进行工程分析和刚度、强度计算。

具体结构合理设计有以下3 个方面：

（1）通过结构优化设计，减小车身骨架及车身钢板的质量，对车身强度和刚度进行校核，确保汽车在满足性能的前提下减轻自重。如采用优化设计除去零部件的冗余部分（使零部件薄壁化、中空化），部件零件化、复合化以减少零件数量，设计全新的结构等；

（2）通过结构的小型化，促进汽车轻量化，主要通过其主要功能部件在同等使用性能不变的情况下，缩小尺寸；

（3）采取运动结构方式的变化来达到目的。比如采用轿车发动机前置、前轮驱动和超轻悬架结构等，使结构更紧凑，或采取发动机后置、后轮驱动的方式，达到使整车局部变小，实现轻量化的目标。

二、使用新型材料

据统计，汽车车身、底盘（含悬架系统）、发动机三大件约占一辆轿车总重量的65%以上。其中车身内外覆盖件的重量又居首位。因此减少汽车白车身重量对降低发动机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应。为此，首先应该在白车身制造材料方面寻找突破口。具体可以有如下几种方案：

（1）使用密度小、强度高的轻质材料，像铝镁合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；

（2）使用同密度、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；

（3）使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。

2.1 有色合金材料

铝具有良好的机械性能，其密度只有钢铁的1.8/3，机械加工性能比铁高4.5 倍，耐腐蚀性、导热性好。其合金还具有高强度、易回收、吸能性好等特点。汽车工业运用最多的是铸造铝合金和形变铝合金。运用形变铝材制造车身面板的技术已经比较成熟，包括发动机罩、行李箱罩、车门、翼子板等。保险杠、轮毂和汽车结构零件也广泛使用铝合金材料。运用铝合金也面临不少问题，比如，铝合金加工难度比钢材高，成型性还需继续改善；由于铝导热性好，导致铝合金的焊接性能差；铝铸件中不可避免地存在缺陷，压铸件还不能热处理，因此在用铝合金来生产要求较高强度铸件时受到限制，为此在铸件生产工艺上作了改进，铸造锻造法和半固态成型法将是未来较多采用的工艺；不能像钢板那样采用磁力搬运等。其中，关键是成本问题，目前铝价还比较高，成本控制对铝合金的运用非常重要。

镁合金具有与铝合金相似的性能，但是镁的密度更低，它们的密度之比为1.8：3，是当前最理想、重量最轻的金属结构材料，因而成为汽车减轻自重、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，成本高。我国的镁资源非常丰富，储量占世界首位。但是国内用量很少，尤其汽车行业用量极少，因此前景非常广阔。而西方工业发达国家对铝基、镁基的金属基复合材料的开发与应用，已达到了产业化阶段。

2.2 高强度钢

用高强度钢替代原使用材料，能适当减小零件尺寸。世界上广泛通过进一步提高合金钢、弹簧钢、不锈钢等钢种的比强度和比刚度，以及粉末冶金配件具有的多孔密度低、精度高、成本低等特点，来作为汽车轻量化的措施。采用高强度钢板在等强度设计条件下可以减少板厚，但是车身零件选定钢板厚度大都以元件刚度为基准，因此实际板厚减少率不一定能达到钢板强度的增加率，不可能大幅度地减轻车重。高强度钢板在汽车上应用的目的主要有3 点，增加构件的变形抗力、提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。由于运用高强度钢板的经济性和相对容易性，因此应大力提倡在汽车上运用高强度钢板。现在各国都在加速高强度钢和超高强度钢在汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上的运用。

三、塑料和复合材料

与相同结构性能的钢材相比，塑料和复合材料一般可减轻部件的重量在35%左右。低密度与超低密度片状成型复合材料的发展提供了更多的潜力，在重量减轻与强度方面达到甚至超过了铝材，整体成本通常更低。塑料是由非金属为主的有机物组成的，具有密度小、成型性好、耐腐蚀、防振、隔音隔热等性能，同时又具有金属钢板不具备的外观色泽和触感。目前，塑料大都使用在汽车的内外饰件上，如仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各类护板、侧围内衬板、车门防撞条、扶手、车窗、散热器罩、座椅支架等。而后逐渐向结构件和功能件扩展。例如发电机及其相关系统、冷却系统等。塑料也在向制作车身覆盖件方向发展。复合材料即纤维增强塑料，是一种增强纤维和塑料复合而成的材料。常用的是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料。增强用的纤维除玻璃外，还有高级的碳纤维、合成纤维。复合材料作为汽车材料具有很多优点：密度小、设计灵活美观、易设计成整体结构、耐腐蚀、隔热隔电、耐冲击、抗振等。

四、其他轻量化材料

精细陶瓷是继金属、塑料之后发展起来的第3 大类材料。其发展史只有20 年左右，但具有优良的力学性能（高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损等）和化学性能（耐热冲击、耐氧化、蠕变等）。作为轻量化材料用于汽车零件，不仅直接起到轻量化的作用，更因其优良的耐热性、耐腐蚀性和耐磨性，用于汽车发动机燃烧室及热交换器等零件，使功率提高，油耗大大下降，从节能角度看则间接地起到轻量化效果。蜂窝夹层材料是早已在飞机上采用的材料，其最大特点是刚性高、比强度高、密度低。目前应用在汽车上的实例还不多，但应用研究在不断前进，将来会较多地得到运用。

五、结束语

虽然在目前看来汽车工业短期内不会在减重方面出现革命性突破，但是由于我们在不断地努力，人们实际上正在一步步接近制造出轻量廉价的新一代汽车的目标。

参考文献

[1]马鸣图，易红亮，路洪洲，万鑫铭.论汽车轻量化[J].中国工程科学.2009（09）

[2]廖君，王冯良，胡望岳.电动轿车车身轻量化优化设计[J].机电工程.2009（02）