段少勇

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 楊凌 712100）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，汽車已一躍成為當(dāng)前極為重要的交通運(yùn)輸工具。從全世界范圍來看，目前還找不出一個無汽車的現(xiàn)代化社會的先例。因此，汽車工業(yè)在帶動其他各行各業(yè)的發(fā)展中，已日益顯示出其作為重要支柱產(chǎn)業(yè)的作用。

在擴(kuò)大汽車的服務(wù)領(lǐng)域和滿足各方面多樣化要求的前提下，作為汽車上三大總成之一的車身，已后來居上越來越處于主導(dǎo)地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，客車、轎車和多數(shù)專用汽車車身的質(zhì)量約占整車自身質(zhì)量的40%～60%；貨車車身質(zhì)量約占整車自身質(zhì)量的16%～30%；其各車型的車身占整車制造成本的百分比甚至還略超過以上給出的上限值。因此，僅從這個意義上來衡量汽車車身，其經(jīng)濟(jì)效益也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩大總成。

如果從節(jié)能、節(jié)材等幾方面來考慮，則其潛力更大。此外，縱觀國內(nèi)、外車身制造和裝配等工藝流程，不難發(fā)現(xiàn)，盡管隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，吸取了大量的尖端技術(shù)，機(jī)械化和自動化程度很高，但是仍有兩化無能為力而又必須由手工操作來完成的部分（特別是車身的內(nèi)、外裝飾和附件的裝配）。

1 汽車輕量化技術(shù)應(yīng)用的必要性

汽車輕量化對于節(jié)約能源、減少廢氣排放十分重要。而在駕駛方面，汽車輕量化后其加速性能也將得到提高，而在碰撞時(shí)由于慣性小，制動距離也將減少，便于主動安全控制。

縱觀世界汽車工業(yè)沿革，可以看出，現(xiàn)代汽車是沿著“底盤”→“發(fā)動機(jī)”→“車身”逐步發(fā)展完善過來的。這個發(fā)展過程在很大程度上取決于當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平和物質(zhì)生活條件。由于汽車與人們的日常生活息息相關(guān)，為了適應(yīng)各種不同的目的和用途乃至車身的更新?lián)Q代等，其關(guān)鍵在于車身。

國內(nèi)外汽車生產(chǎn)的實(shí)踐一再表明：整車生產(chǎn)能力的發(fā)展取決于車身的生產(chǎn)能力；汽車的更新?lián)Q代在很大程度上也決定于車身；在基本車型達(dá)到飽和的情況下，只有依賴車身改型或改裝才能打開銷路。凡此等等都足以說明，汽車工業(yè)發(fā)展到今天成為重要的支柱產(chǎn)業(yè)，而重中之重則非車身莫屬。

2 汽車輕量化的效果

汽車輕量化的主要目的是降低油耗。如圖1所示，車輛行駛的燃油消耗量與車輛質(zhì)量的關(guān)系。一般情況下，對于1000kg自重的轎車，車輛質(zhì)量減輕8%，可降低油耗約10%以上。

圖1 車輛行駛油耗與質(zhì)量的關(guān)系

另外，世界鋁業(yè)協(xié)會的報(bào)告指出：整車質(zhì)量每減少100KG，其百公里油耗可節(jié)降低0.4-1.0L，每公里二氧化碳排放也將相應(yīng)減少7.5克到12.5克。而車身質(zhì)量占整車質(zhì)量的1/3，空載情況下，約70%的油耗用在車身質(zhì)量上。這意味著：只要通過科學(xué)的方式，將車身輕量化后，就可以有效減少燃油消耗。

3 車身輕量化的意義

表1所示為1300cc級FF布置轎車的質(zhì)量分布情況。一般轎車車身的質(zhì)量（包括白車身和車身裝備件）約占整車質(zhì)量的一半，僅白車身就達(dá)20%以上，可見，車身質(zhì)量的降低對整車質(zhì)量的降低影響很大。另一方面，車身質(zhì)量的降低，可以改善懸架和動力傳動系統(tǒng)的負(fù)荷，從而可以相應(yīng)地減輕該部分的質(zhì)量，有利于整車輕量化。

表1 1300cc級轎車質(zhì)量分布

4 車身輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)

車身輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)主要表現(xiàn)在車身構(gòu)造輕量化技術(shù)和采用輕量化車身材料。圖2所示為車身構(gòu)造輕量化技術(shù)的主要措施。

圖2 車身構(gòu)造輕量化技術(shù)措施

4.1 車身結(jié)構(gòu)合理化

過去的轎車車身結(jié)構(gòu)多采用有車架非承載式車身，不利于車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。現(xiàn)代轎車車身使用承載式結(jié)構(gòu)，將沖壓成形的薄鋼板構(gòu)件通過數(shù)千點(diǎn)的點(diǎn)焊連接組合成高剛性的承載殼體，是車身輕量化合理的結(jié)構(gòu)型式。最近車身構(gòu)件組合采用焊接和粘接并用的方式，這種車身組合方式有利于提高車體的剛性，減薄構(gòu)件板厚，提高輕量化水平。

4.2 車身尺寸小型化和驅(qū)動方式FF化

現(xiàn)代轎車廣泛采用FF化驅(qū)動方式，約占70%以上的轎車產(chǎn)品。FF化車身的最大優(yōu)點(diǎn)在于：

a）地板通道減小，室內(nèi)空間增大；

b）后地板下降，后座空間增大；

c）油箱布置位置更加合理，有利于碰撞安全性提高。

由于FF化驅(qū)動方式的車身室內(nèi)空間得到改善，有利于外形尺寸進(jìn)一步設(shè)計(jì)小型化，從而提高設(shè)計(jì)的輕量化水平。

總之，車身尺寸小型化和驅(qū)動方式FF化設(shè)計(jì)技術(shù)，都是在確保乘員空間的前提下，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的有效措施。由于現(xiàn)代轎車車身布置設(shè)計(jì)已非常成熟，采用此兩種方法進(jìn)一步減輕車身質(zhì)量，其效果是有限的。

4.3 減去車身部件上多余的質(zhì)量

車身上的部件，特別是內(nèi)板、加強(qiáng)板等，在滿足剛度和強(qiáng)度要求的前提下，減去多余的質(zhì)量，如采用減輕質(zhì)量的空穴，切去托架類構(gòu)件的端角，梁構(gòu)件形狀最佳化設(shè)計(jì)等方法，能實(shí)現(xiàn)部分部件的輕量化。應(yīng)用有限元解析法分析計(jì)算各部件的結(jié)構(gòu)特性，會取得良好的輕量化效果。

4.4 車身部件整體化、大型化

車身部件整體化、大型化設(shè)計(jì)能減少部件的數(shù)量，避免由于焊接等因素造成的部件剛度和強(qiáng)度的下降，從而實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)要求，并可省去一些不必要的構(gòu)件。

4.5 部件尺寸緊湊化和板厚減薄化

采用機(jī)械性能好的鋼板材料，如高強(qiáng)度鋼板和表面處理鋼板等，在滿足構(gòu)件功能要求，如剛度、強(qiáng)度、防腐、結(jié)構(gòu)裝配等條件下，使部件尺寸減小，或減薄板厚，從而達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。但是，在輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)，應(yīng)考慮對振動、噪聲等方面的影響。

4.6 采用輕量化的車身材料

車身設(shè)計(jì)采用輕量化材料是車身輕量化設(shè)計(jì)的主流，能帶來明顯的輕量化效果。其研究有兩種方法：

① 通過采用低密度的輕質(zhì)材料（如塑料、輕合金等）代替高密度的鋼板材料，實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)輕量化；

表2所示，車身外板采用鋼板、鋁合金板、樹脂板材料的特性比較，及等剛性條件下的板厚比和輕量化率。可見，在外板形狀不變的情況下，講采用0.7mm厚的鋼板換成1.0mm厚的鋁合金板，或3.5mm厚的PPO/PA樹脂板，可分別實(shí)現(xiàn)輕量化50%或30%。

表2

表3所示為轎車發(fā)動機(jī)罩外板和前翼子板采用鋁合金板厚的輕量化率。

表3

②通過采用高強(qiáng)度鋼板代替普通鋼板，由于能減薄板厚，從而達(dá)到輕量化目的。如將0.7mm厚的鋼板件減薄至0.6mm，可實(shí)現(xiàn)輕量化15%。

在現(xiàn)有的中級車市場中，睿翼、邁騰等車型都是車輛輕量化設(shè)計(jì)的代表產(chǎn)品。以德系車邁騰為例，這款車采用了HSB超高強(qiáng)度車身結(jié)構(gòu)，74%采用了高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼板，其中16%為強(qiáng)度更高的輕質(zhì)熱成型鋼板，每平方厘米可以承受10噸以上的壓力而不變形。所以邁騰并不是依賴于厚重的鋼板去贏得高安全性的，而靠的是超強(qiáng)剛性和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)車身。

5 安全與車身薄厚輕重沒有絕對關(guān)系

專家表示，車輛的安全性能與車身的薄厚沒有絕對關(guān)系，因此車的安全性能不能簡單地由車身的薄厚來衡量。車身整備質(zhì)量越重，并不能代表車身剛度就越高。相反那些采用新技術(shù)新材料的車型，其車身強(qiáng)度與安全性并不亞于那些整備質(zhì)量重的車型。事實(shí)上，汽車的安全性對于不同部位有不同要求。比如沒有緩沖區(qū)的左右兩側(cè)，必須通過碰撞鋼梁等剛性車身來提高安全性。而對于有緩沖區(qū)的前后部分，保險(xiǎn)杠、發(fā)動機(jī)、行李箱的吸能更加重要。

現(xiàn)代轎車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將輕量化、高剛度和高強(qiáng)度、安全性、新材料應(yīng)用、耐腐蝕性、舒適性等性能特征作為車身技術(shù)發(fā)展方向已充分體現(xiàn)在汽車產(chǎn)品中，而應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解析分析，解決車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、應(yīng)力、應(yīng)變、振動、噪聲等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，以及采用高強(qiáng)度鋼板、表面處理鋼板和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造車身，是現(xiàn)代轎車車身開發(fā)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段之一。

［1］吳亞良.現(xiàn)代轎車車身設(shè)計(jì)[M].上海科學(xué)技術(shù)出版社,1999(3).

［2］樂玉漢.轎車車身設(shè)計(jì)[M].高等教育出版社,2000(7).

［3］黃金陵.汽車車身設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007(9).

［4］黃天澤，黃金陵.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2006(8).