轻量化在汽车车身开发中的应用

摘 要：在汽车行业，对更高汽车效率的持续监督是促使车辆减重设计的主要动力。关于轻型汽车的燃油效率和限制碳排放的标准被世界认可。为巩固和提高汽车工业未来国际竞争力，欧美日等汽车工业发达国家都在采取积极措施，推动和促进汽车节能技术发展、提高汽车燃料经济性水平，相继完成新一轮针对2020年甚至更长远的各年度乘用车燃料消耗量标准法规制定，对乘用车燃料消耗量及对应的CO2排放提出更加严格的要求。

关键词：轻量化；汽车车身；结构优化设计；新材料

在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能多的降低汽车整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗以降低排气污染，而汽车车身在汽车上占有重要比例，仅车身质量就约占汽车总质量的五分之二。文章通过对汽车车身结构设计进行分析，并达到车身轻量化的目的。

1.汽车车身轻量化发展现状

欧盟和美国等国家的主要汽车生产厂商都在汽车轻量化项目上投入大量资源。欧洲的汽车制造商们正在进行“超轻型汽车”工程，力争将汽车减重30%；而美国政府新一代汽车合作计划中，政府每年投入约2亿美元用于家用轿车的减重。国内汽车轻量化相关产业还未形成较大规模。国内汽车在轻量化技术方面与国外先进水平相比存在较大的差距。例如铝及钢的用量都比国际先进水平少一半，镁合金则差距更大。目前，北美每辆车镁合金的使用量平均为3.5千克，欧洲先进水平则能达到14千克，而国产汽车每辆仅1.5千克。

2.在汽车车身实现轻量化的过程中存在的问题

第一，车身是一个比较复杂的部位，其内部有着各种各样的材料，随着汽车使用年限增加，车身内部的这些材料就会出现疲劳失效的情况，从而导致汽车的性能降低。国内对零件疲劳失效的准则并没有进行明确统一；第二，在目前国内汽车领域，高强度钢的应用和成型工艺水平不足；铝、镁合金等轻质金属材料的使用范围有待扩大；先进的工程塑料，陶瓷等材料生产工艺能力不足；热成型、激光拼焊、液压成型等成型工艺水平不足；复合材料间的连接技术不够成熟；当然最重要的是轻量化材料成本较高，在中低端汽车产品的应用较为困难。第三，在汽车设计方面，大多数汽车仍采用的是传统设计方法，并没有引进先进的汽车设计理念，结构优化设计能力的不足，制约了轻量化技术的广泛应用。

3.汽车车身轻量化方法

汽车车身轻量化技术可以分为：结构优化设计、轻量化材料的应用和先进制造工艺等三个主要方面。其中，结构优化设计方面包括：汽车结构的尺寸优化、形状优化、拓补优化和多学科设计优化；轻量化材料的应用方面包括：高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料等；先进制造工艺方面包括：液压成型和激光拼焊等。

3.1 汽车结构设计轻量化技术应用

从汽车零部件概念设计、初始结构设计、产品工程设计和样车制造过程来做结构轻量化的设计分析。在满足使用性能的前提下，采用优化设计去除零部件的冗余部分、减少零件搭接、改变零件结构、以减少零件数量或降低零件质量，从而实现轻量化。在考虑轻量化时，要协调总成与整车、总成与总成之间可能出现的各种矛盾。首先利用三维设计，可以准确的实现车身实体结构设计和布局设计，对各构件的形状、配置、钣材厚度的变化进行分析，结合运动分析解决零部件的布局的合理性，并有效解决零部件间的运动干涉问题。其次在车身轻量化设计中应大量应用拓补优化技术，可以在很大程度上保证车身结构设计后续的尺寸和形状优化是在材料分布最优初始拓补形式下进行，能够避免内部复杂零件设计的盲目性，保证最大的材料利用率，减轻零件质量；保证最优的模态，提高零件的总体性能；保证零件的工艺性，减少不必要的复杂结构，从而降低模具和生产成本。

车门结构优化 B柱结构优化

3.2 汽车材料轻量化技术应用

在汽车车身设计过程中，常用的轻量化材料为高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维等。

高强度钢钣材：可大幅度减少车身结构中的附加支撑件、加强梁和嵌套截面，采用更少的部件和更薄的钣材，从而有效减轻车身质量。高强度钢钣材在抗碰撞性能、耐腐蝕性能、抗疲劳性能和成本方面较其他材料仍具有较大的优势。

铝合金材料：铝的密度约为钢的1/3，具有高的导电性和导热性，塑性好，易成型，易回收利用。可通过铸、锻、冲压工艺用铝合金制造各类汽车零部件，如全铝车身总成，其是轻量化材料中应用比较广泛、成熟的材料之一。铝合金虽然提高了汽车综合性能，但同时也提高了整车成本，铝合金应用的局限是成本问题，所以如何在保证成本不增加的前提下提高铝合金的使用量是我们应该关注的研究方向之一。

镁合金材料：镁合金在汽车上的应用大致分为两大类。一类是非结构铸件，这类镁铸件不需承受巨大的冲击，主要运用在气阀盖、壳体、机罩等；另一类是结构铸件，这类镁铸件需要承受特定的载荷，且能满足一定的抗冲击要求，主要运用在方向盘、座椅框架、座椅升降器、转向柱部件和安全气囊座等。

铝合金车身 碳纤维车身 高强度钢车身

拓补分析 - 铝合金发动机罩

3.3 汽车制造工艺轻量化技术应用

为了达到进一步减小质量及降低成本的目的，除了开发新材料的应用，还开发了一系列基于新材料的新制造工艺。

激光拼焊工艺：减小结构件质量及材料消耗，减少零件数量，特别是减少垫板及其他一些加强元件；降低车身质量，提高汽车结构可靠性及安全性。

液压成型工艺：主要是把成型的管件或钣料放在密闭的模具中，再把流体介质引入管件内腔，增加水的压力，使管件或钣料在常温下模具内变形。从而提高产品品质，减少零部件数量，降低质量和成本。

4.结束语

随着汽车行业的不断发展，汽车车身轻量化是未来汽车的发展趋势，因此汽车企业应当加强汽车车辆轻量化的优化设计。文章通过对汽车车身轻量化发展的现状进行了解，然后提出在这个发展过程中仍存在的一些问题，并对汽车车身轻量化优化设计进行分析。

参考文献

[1]倪晋尚，轻量化技术在现代汽车中的应用.公路与汽运[J].2008（5）

[2]王延安，赵长金.汽车车身轻量化设计的途径[J].安徽科技，2013（9）：44-45，46.

[3]胡朝辉，成艾国，陈少伟，等.多目标优化在新车型总体轻量化设计中的应用[J].中国机械工程，2013，24（3）：404-409.

作者简介

邱峰（1985.04-），性别：男，民族：汉，籍贯：江苏淮安，当前职务：车身所 所长，当前职称：助理工程师，学历：本科，研究方向：汽车设计。

（作者单位：徐州徐工汽车制造有限公司）