佟磊，門立忠，李飛，崔健

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

某SUV車型車身輕量化技術(shù)及應(yīng)用

佟磊，門立忠，李飛，崔健

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)降低油耗、減少排放的重要措施之一，也是提升市場競爭力的重要途徑，對(duì)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響，目前已經(jīng)成為國內(nèi)外汽車工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。汽車輕量化主要采取材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化和先進(jìn)工藝相結(jié)合的方法。整備質(zhì)量越輕，制動(dòng)距離越小，緊急情況下采取主動(dòng)安全反應(yīng)時(shí)間也就越長，大大提高了安全性。

汽車輕量化材料；結(jié)構(gòu)；工藝

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-26-03

前言

汽車輕量化是指汽車在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)噪聲、被動(dòng)安全性和耐久性的條件下，有目標(biāo)的減輕汽車自身的質(zhì)量。汽車輕量化是輕質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和先進(jìn)工藝的集成。是汽車性能提高、質(zhì)量降低、價(jià)格合理等方面相結(jié)合的系統(tǒng)工程。

1 汽車輕量化的意義

1.1 節(jié)能減排

科學(xué)的快速發(fā)展使能源的消耗加劇。當(dāng)今燃油問題已經(jīng)成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)之一，如何合理高效的利用現(xiàn)有的能源成為各界人士大力發(fā)展的目標(biāo)。而且汽車尾氣是引起環(huán)境污染的主要污染源之一，因此，汽車節(jié)能減排勢在必行。

世界各國均在推行強(qiáng)制汽車制造商降低汽車油耗的政策。汽車輕量化對(duì)于節(jié)約能源、減少排放具有很重要的意義，根據(jù)研究顯示，若汽車質(zhì)量降低 10%，燃油效率可提高6%～8%，汽車每減少100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L。輕量化對(duì)于環(huán)保也有好處，車輛每減輕 100kg，CO2排放量可減少約5g/ml。

1.2 安全性

汽車安全性是指汽車在行駛中避免事故、保障行人和成員安全的性能。一般分為主動(dòng)安全性、被動(dòng)安全性、事故后安全性和生態(tài)安全性。在道路交通事故中，汽車本身的安全性能也是不可忽視的因素，汽車安全性能好，往往可以避免事故的發(fā)生或減少傷亡的程度。

汽車的碰撞安全性不能用車的輕重和鈑金覆蓋件的薄厚簡單的衡量。事實(shí)證明，在各種新技術(shù)、新材料和新工藝的集成應(yīng)用下，完全可以實(shí)現(xiàn)安全性、輕量化水平的共同提升。在滿足車身足夠的強(qiáng)度、剛度和疲勞耐久性能的條件下進(jìn)行減重，從而使整車的質(zhì)量下降。在碰撞時(shí)由于慣性小，沖擊能量也小，車身結(jié)構(gòu)的變形、侵入量和乘員收到的沖擊加速度就越小，汽車對(duì)乘員的保護(hù)性能越好、越安全。

1.3 操縱性

簧下質(zhì)量減輕會(huì)使避震器往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力量減弱，使懸掛系統(tǒng)擁有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和車輛的操縱性，以達(dá)到車身更加平穩(wěn)。而簧下質(zhì)量指不由懸掛系統(tǒng)中的彈性元件所支撐的質(zhì)量，一般包括車輪、彈簧、減震器以及其它相關(guān)部件等。

1.4 動(dòng)力性

汽車減重后直接提高的是汽車的比功率（發(fā)動(dòng)機(jī)最大凈功率/汽車總質(zhì)量），在同樣的馬力輸出下，較輕的車對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來說就是較輕的負(fù)載，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，整車減重30kg，百公里加速時(shí)間可減少0.1s。

2 車身輕量化材料的應(yīng)用

2.1 鋁合金防撞梁

鋁的力學(xué)性能良好，密度約為鋼的 1/3。向鋁中加入某種或某幾種元素后即構(gòu)成鋁合金，鋁合金相對(duì)于純鋁可以提高強(qiáng)度、硬度、抗疲勞等性能。某些鋁合金的強(qiáng)度甚至高于普通結(jié)構(gòu)鋼，車用普通鋼材的強(qiáng)度約為240Mpa左右，高強(qiáng)度鋼為 500～700MPa，而車用鋁合金的強(qiáng)度現(xiàn)在可達(dá)到500MPa以上，因此鋁合金的比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）更高，在等強(qiáng)度條件下，鋁合金輕得多。

汽車用鋁合金材料可以分為鑄造鋁合金和變形鋁合金。鑄造鋁合金在汽車上的使用量較多，占鋁合金使用量的80%以上，主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)部件、車輪、殼體等零件。變形鋁合金主要用于車身框架及結(jié)構(gòu)件上。

圖1 鋁合金防撞梁

防撞梁的重要作用是當(dāng)車輛發(fā)正面碰撞或偏置碰撞時(shí)，可以使碰撞力和碰撞能量盡可能均勻的沿左右吸能盒向后傳遞，從而降低單側(cè)部件的受損程度。如圖1所示，此款SUV車型在設(shè)計(jì)保險(xiǎn)杠時(shí)，在保證各項(xiàng)安全性能要求的同時(shí)，通過更換材料，由鋼改為鋁合金，使更改后的防撞梁質(zhì)量僅為5.4kg，相比鋼防撞梁質(zhì)量降低40%。

2.2 高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用

高強(qiáng)度鋼是一種廣泛應(yīng)用的輕量化材料，在使用高強(qiáng)度鋼時(shí)，可以通過減少零件數(shù)量、降低零件厚度來達(dá)到減重的目的。車身用鋼板按照屈服強(qiáng)度大小分類，屈服強(qiáng)度在210～550MPa為高強(qiáng)度鋼板。高強(qiáng)度鋼板的特點(diǎn)是不但具有較高的拉伸強(qiáng)度，還有較高的屈服點(diǎn)。高強(qiáng)度鋼板用于汽車車身除能夠減薄零件降低汽車自重外，還可以提高汽車車體的抗凹陷性、耐久強(qiáng)度、大變形沖擊強(qiáng)度和安全性。目前應(yīng)用在汽車車身上的高強(qiáng)度鋼板主要有：高強(qiáng)度IF鋼板，烘烤硬化鋼板（BH鋼板），雙相鋼板（DP鋼板）、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIP鋼），含磷高強(qiáng)度鋼板（RP鋼板）等。

迫于成本的壓力，汽車車身無法大量采用鋁合金材料，但是通過加大高強(qiáng)鋼的應(yīng)用比例，既可以有效的控制成本，又可以達(dá)到減重目的。表1為此款SUV部分高強(qiáng)度鋼零部件，高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用比例達(dá)到 46.7%，在國產(chǎn)車上達(dá)到了領(lǐng)先水平。

表1 某SUV車型車身部分高強(qiáng)度鋼零部件

3 先進(jìn)工藝

3.1 熱成型工藝

圖2 熱成型B柱、A下柱、A上柱

當(dāng)板材的抗拉強(qiáng)度提高到1000～1200MPa時(shí)，冷沖壓模具需要使用昂貴的材料和高噸位的壓機(jī)才能使零件成型，且冷沖壓工藝在成型過程中極易產(chǎn)生破裂回彈現(xiàn)象，無法適應(yīng)超高強(qiáng)度鋼板的制造需求。熱成型工藝采用的鋼材屈服強(qiáng)度和抗拉輕度分別在300MPa和500MPa左右，斷后延伸率達(dá)到30%以上，機(jī)械性能屬于普通高強(qiáng)度鋼的范疇，但板材經(jīng)過高溫加熱、沖壓再冷卻后，板材的力學(xué)性能發(fā)生了巨大變化，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高到 1100MPa和 1500MPa左右，是一項(xiàng)專門用于成型高強(qiáng)度鋼板沖壓件的新技術(shù)，具有成型精度高、成型性能好等優(yōu)點(diǎn)。通過大量熱成型零部件的應(yīng)用可有效減少板材數(shù)量、零件厚度、加強(qiáng)筋數(shù)量。圖 2為此款SUV通過采用熱成型工藝加工的部分零部件，使車身質(zhì)量降低8kg。

3.2 激光拼焊技術(shù)

激光拼接技術(shù)是從20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的以高能量密度的激光為熱源的精密焊接技術(shù)，主要用于車身框架結(jié)構(gòu)的焊接。與傳統(tǒng)焊接方法相比，激光焊接具有焊接速度快、效率高、焊縫深寬比小等優(yōu)點(diǎn)，且激光焊接板材的成形性良好，因此被大規(guī)模應(yīng)用在汽車制造領(lǐng)域。

激光焊接在汽車制造中的一個(gè)重要應(yīng)用是車身框架的激光焊接。汽車車身部件的傳統(tǒng)連接方式為點(diǎn)焊連接，屬于間斷連接，而激光焊接是連續(xù)焊接，比點(diǎn)焊的間斷連接能夠更好的傳遞載荷，提高了車身的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)激光焊接技術(shù)可將不同厚度、不同材質(zhì)、不同表面狀態(tài)的鋼板通過激光拼焊成一個(gè)整體板材，在進(jìn)行沖壓制造，采用這種拼接板坯可減少零部件的數(shù)量，使車身沖壓件的搭接邊寬度減小，減少了鋼板的使用量，減輕了車身質(zhì)量。圖3為某SUV車型通過門止口采用激光焊接工藝，使止口邊寬度降低，實(shí)現(xiàn)減重的目的，車身通過激光焊接減重8kg。

圖3 門止口采用激光焊接

4 車身輕量化評(píng)價(jià)

車身輕量化系數(shù)是目前被行業(yè)普遍接受的一個(gè)評(píng)價(jià)車身輕量化水平的指標(biāo)。式（1）為車身輕量化系數(shù)的定義：

式中，L為車身輕量化系數(shù)；m為白車身質(zhì)量；CT為車身的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度；A為車身腳印面積。

車身輕量化系數(shù)僅可作為一個(gè)參考指標(biāo)，不是評(píng)判一個(gè)車身輕量化水平的絕對(duì)指標(biāo)。車身輕量化應(yīng)朝著減輕車身質(zhì)量和提高車身剛度兩個(gè)方面努力。此款SUV車身通過以上技術(shù)合計(jì)減重50kg，輕量化系數(shù)達(dá)到 2.8，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。

5 結(jié)論

汽車輕量化顧名思義就是在不影響汽車性能的前提下盡可能的減少整車質(zhì)量，而實(shí)現(xiàn)輕量化的主要技術(shù)包括輕質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和先進(jìn)工藝。輕質(zhì)材料技術(shù)日漸成熟，新材料不斷出現(xiàn)，而基于這些新材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和新型制造工藝推陳出新，只有各種輕量化技術(shù)相輔相成，充分發(fā)揮不同輕量化手段的優(yōu)勢，才能更好的實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，也是未來汽車輕量化的發(fā)展方向。

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Lightweight technology and application of a SUV

Tong Lei, Men Lizhongi, Li Fei, Cui Jian
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Automobile lightweight is one of the important measures to reduce fuel consumption and emissions, it has become a research hotspot in automobile industry ,and has far-reaching influence on the sustainable development of automobile industry. At present, Automobile lightweight mainly adopts the method combining material lightweight, structure lightweight and advanced process. Meanwhile, lightweight is one of the most important way to improve competition. The lighter the curb weight, the shorter the braking length, and the longer the active safety response time in an emergency, improve the safety.< class="emphasis_bold">Keywords: AutomobileLightweightMaterial; Structure; Technology

AutomobileLightweightMaterial; Structure; Technology

U466 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)20-26-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.009