孙中尧 田怡飞
长城汽车徐水分公司 河北省 保定市 072550
摘要：近年来，我国的汽车行业有了飞速的发展，并逐渐朝着轻量化的方向发展。轻量化作为有效的节能手段，车身轻量化技术已经成为汽车工业发展的重要研究课题之一。文章主要根据国内车身轻量化发展现状，详细论述了轻量化车身的4种技术路线，并指出多种材料混合车身是车身轻量化的发展趋势。
关键词：汽车材料；轻量化；节能减排
一、车身轻量化概念
车身轻量化是指汽车在保证安全性、驾驶舒适性和抗震性等，且本身造价在可接受前提下，有目的地减轻汽车自身重量。整车开发是性能、成本、重量三要素的平衡。减重除成本外也受限于行业工艺水平的发展，因此随着行业的发展，轻量化在整车上持续不断地有所突破。车身轻量化评价系统主要包含:车身性能、车身重量和车身成本，通过三方综合评价可对车身轻量化水平进行科学、客观的评估。
二、、车身轻量化技术策略
（1）车身轻量化结构设计。一种车型在市场上的定位基本决定了它应当具备的主要性能指标，因此合理设定性能参数和布置尺寸是轻量化设计的基础。性能参数包括发动机的配置范围、安全级别、操控性能和噪声控制及耐久可靠性等。在此基础上充分应用拓朴结构和多目标(MDO)优化的设计手段(如优化载荷路径、断面尺寸、接头结构、板厚和材料等)，同时考虑到现实的生产条件，开发可用于制造的轻量化车身结构，目前该技术还有待完善和深入应用。（2）车身轻量化材料选用。在构成汽车产品的各类零件中，钢铁材料占有的比例最高，一般为50%～60%。采用高强度钢板以减少材料厚度，从而达到降低重量的目的。近些年来，铝镁材料、高强度复合材料的应用也是汽车车身减重的发展方向。（3）车身轻量化的制造工艺。轻量化的设计和材料应用是通过轻量化的制造工艺实现，这些制造工艺包括激光焊接技术、胶粘技术、自冲铆接和管件液压成型技术等。这些技术的应用同时可以减小零件的搭接宽度和优化零件的几何形状，从而减少车身重量。
三、车身轻量化设计方法
3.1减轻白车身重量m
轻量化系数主要考核的是单位重量的白车身所实现的车身性能。在保证车身性能的前提下，降低白车身质量，可能通过如下途径实现。①提高高强度钢板用量，减少材料厚度。零件材料厚度的减少，必须提高材料强度，以保证零件可靠性。高强度钢板除了随着强度增加，冲压性能变差，回弹量大尺寸难以控制外，其优势如下：——高成型性，高强度及抗凹陷性；——屈服强度高，是能够减薄板厚，降低重量；——吸能性强，在减重的同时提高汽车安全性；——耐腐蚀性好，使用寿命长。——相对于传统340MPa的材料，600MPa级钢种的减重潜能约为20%。——经济性好，可以沿用原有的冲压设备及焊接设备。目前钢板车身已大量使用高强度钢板（包括高强度、超高强度和夹层减重钢板），可以在不增加成本的前提下，实现车身降重25%（以4门轿车为参照），且静态扭转刚度提高80%，静态弯曲刚度提高52%，车身强度极大的增加，满足全部碰撞法规要求。目前高强度钢主要应用在汽车安全件、底盘及车身等方面，特别是车身座舱的A、B柱，门槛，车顶边梁以及底盘中央通道等关键部位上，可以大幅度提高车辆保护车内人员安全的能力。②轻量化系数计算参数。白车身重量m。白车身性能的好坏，决定了整车的性能优劣。轻量化系数主要考核的是单位重量的白车身所实现的车身性能。正投影面积A。正投影面积=轮距×轴距。
把轴距与轮距之间的正投影面积A来作为分母的加权项，主要原因如下：—车身弯曲和扭转刚度的激励主要来源于四个车轮；—不同级别车型之间整车尺寸的差异对车身性能的影响。③新材料使用实现汽车轻量化。在汽车实现轻量化的进程中，新材料已成为实现汽车轻量化的一个重要途径。通过新材料的使用，在实现轻量化的同时，还实现了汽车性能的提升。目前，替代的新材料主要有高强度钢、铝合金、镁合金和塑料复合材料。高强度钢的减重主要是依靠自身超高强度等级来代替普通的钢材，利用强度差来减薄钢板厚度，在提升汽车轻量化的同时，还提升了汽车安全性能。高强度钢主要用于安全件上，例如AB柱、车门防撞杆等关键部位。目前，欧美车身的高强度钢的应用比在55%以上，国内自主轿车的应用也达到了45%。铝合金的密度只有不锈钢的35%，作为轻量化材料目前已在汽车上得到了广泛的使用。根据研究数据，汽车中典型铝制零件一次减重可达30%～40%，二次减重可以提高到50%。目前主要是5系列和6系列的铝合金用到应用到汽车车身，它们具有质量轻、强度高、耐疲劳等特点，在相同低 质量的情况下可提供更大的强度。目前奥迪A8和A2，捷豹XJ均以实现了全铝车身，国内的轿车全铝车身也在新能源电动车上实现。镁合金作为最轻的工程材料，较铝合金具有更低的密度。镁合金不仅是最适合铸造汽车零部件的材料，也是最有效的汽车轻量化材料。而镁合金鉴于种种原因没有得到大力推广和使用，目前使用的主要方式为铸造镁合金，已使用的汽车零部件有变速箱壳体、座椅框架和发动机托架等。目前，每辆汽美国车约使用3.8kg的镁合金，日本约使用9.3kg，欧洲已达到14kg，而国内平均仅1.5kg，仍有很大的发展空间。塑料复合材料主要是由两种或两种不同性质的材料组成，复合后的性能较单一材料有较大的提升，具有密度小，比强度高，抗腐蚀能力好等特点，被广泛用在汽车内饰和外装件上。其中碳纤维复合材料具有密度低、性能好、耐高温、耐腐蚀和耐疲劳等特点，重量是钢的四分之一，但是强度却是普通钢材的数倍。迈凯伦通过在MonoCell的底板上通过充分使用碳纤维强化树脂，将底盘的重量控制在75kg。在奔驰推出的SmartForvison概念车上，通过使用树脂制造，实现每个轮子减重3kg的效果。
3.2提高扭转刚度KTG
①增加板料厚度，提高车身扭转刚度经对零件扭转刚度敏感度分析发现，板材料厚的增加对零件的扭转刚度影响明显。但材料厚度的增加，对车身轻量化不利。此方法只适用于局部扭转刚度相对薄弱的单个零件进行调整。②不同车身结构的扭转刚度。对于非承载式车身，车身作为非承载零件与车架是分离的，它们之间是通过采用悬浮式三点或菱形悬置进行连接，来提高乘员舒适性，因此车身的扭转刚度比例相对较小，主要通过车架来抵抗变形。对于半承载式车身，车身和车架采用铆接、焊接或螺栓的方式进行多点硬性或有限弹性连接。因此，车身对车架扭转刚度贡献通常会达到车架的3～4倍。由于车身与车架共同作用抵抗变形，通常半承载式车身的扭转刚度＞承载式车身的扭转刚度。③车身接头刚度对整车安全、刚度及强度有重要的影响。车身结构中两个以上承载构件相互交叉连接的部位称为接头或节点。这些车身上的 T形接头与其它承载件共同形成了一个牢固的车身承载结构。接头部位对结构的系统影响较大，应当保持足够的刚度。刚度不足，会导致局部区域出现大的变形，从而影响车和正常使用。在设计时，应保证接头尽量采用封闭盒状结构，加强接头处断面的结构设计与优化，保证接头的强度。
结语
综上所述，本文系统论述了车身的轻量化的设计方法与途径。车身轻量化设计的基础是在保证汽车的被动安全、刚度、噪声、振动和平顺性等性能提高或者不降低的前提下通过结构优化设计、轻量化材料的应用、材料厚度的减薄及合理的制造工艺等手段来实现的。
参考文献
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