郎 勇

（吉利汽車前瞻技術(shù)研究部，上海 201501）

引言

隨著汽車設(shè)計技術(shù)水平的提高，輕質(zhì)材料的推廣，工藝制造水平的提高，通過合理的車身結(jié)構(gòu)、新材料的應(yīng)用、新工藝實施，以更低的重量，實現(xiàn)整車性能目標成為可能。

1 車身輕量化評價方法

目前汽車行業(yè)內(nèi)公認的評價車身輕量化設(shè)計指標是白車身輕量化系數(shù)。

白車身輕量化系數(shù)作為汽車輕量化的評價指標，考慮了車身扭轉(zhuǎn)剛度、車身大小、質(zhì)量水平，對白車身材料的合理使用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有重要意義。

1.1 車身輕量化評價方法

輕量化系數(shù)計算公式，如下：

其中：

— L為輕量化系數(shù)；

— m為白車身重量(不包含四門兩蓋及玻璃)；

— KTG為車身扭轉(zhuǎn)剛度；

— A為四輪的正投影面積(即輪距×軸距)。

2 車身輕量化設(shè)計方法

依據(jù)車身輕量化系數(shù)公式可知，隨著車身質(zhì)量減輕與車身扭轉(zhuǎn)剛度提高，車身輕量化系數(shù)將減少，車身輕量化水平將提高。

2.1 減輕白車身重量m

輕量化系數(shù)主要考核的是單位重量的白車身所實現(xiàn)的車身性能。

在保證車身性能的前提下，降低白車身質(zhì)量，可能通過如下途徑實現(xiàn)。

2.1.1 提高高強度鋼板用量，減少材料厚度

零件材料厚度的減少，必須提高材料強度，以保證零件可靠性。

高強度鋼板 除了隨著強度增加，沖壓性能變差，回彈量大尺寸難以控制外，其優(yōu)勢如下：

——高成型性，高強度及抗凹陷性；

——屈服強度高，是能夠減薄板厚，降低重量；

——吸能性強，在減重的同時提高汽車安全性；

——耐腐蝕性好，使用壽命長。

——相對于傳統(tǒng) 340MPa的材料，600MPa級鋼種的減重潛能約為20%。

——經(jīng)濟性好，可以沿用原有的沖壓設(shè)備及焊接設(shè)備。

目前鋼板車身已大量使用高強度鋼板（包括高強度、超高強度和夾層減重鋼板），可以在不增加成本的前提下，實現(xiàn)車身降重25%（以4門轎車為參照），且靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度提高80%，靜態(tài)彎曲剛度提高52%，車身強度極大的增加，滿足全部碰撞法規(guī)要求。

目前高強度鋼主要應(yīng)用在汽車安全件、底盤及車身等方面，特別是車身座艙的A、B柱，門檻，車頂邊梁以及底盤中央通道等關(guān)鍵部位上，可以大幅度提高車輛保護車內(nèi)人員安全的能力。

如圖1所示，高強度鋼板在車身上的應(yīng)用。

圖1

2.1.2 減少車身零件數(shù)量，降低車身質(zhì)量

高強鋼強度越高，成形難度越大，尤其是當鋼板強度達到1500MPa時，常規(guī)的冷沖壓成形工藝幾乎無法實現(xiàn)，只能采用熱成形技術(shù)。

圖2

目前，車身應(yīng)用的超高強鋼的零件主要有前、后防撞梁、A柱加強板、B柱加強板、車門防撞梁等構(gòu)件。通過熱成形零件的使用，可以有效的減少加強板零件的數(shù)量，并減輕車身質(zhì)量。

以某傳統(tǒng)車型為例，B柱結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括側(cè)圍外板、側(cè)圍內(nèi)板、B柱加強板及鎖扣加強板等零件。其中，B柱加強板的料厚為1.5mm，鎖扣加強板的料厚為2.0mm。

通過對設(shè)計進行變更，B柱加強板采用熱成形工藝的高強度鋼板，則可以省去鎖扣安裝板，減重大約2.5kg。

2.1.3 采用多種材料，降低車身質(zhì)量

以鋼板車身、鋁合金車身或鋼鋁混合車身為主，復(fù)合材料或塑料零件為輔，多種材料組成的車身日益成為輕量化車身的趨勢。

鋁合金材料具有如下優(yōu)勢：

——鋁的密度約為鋼的1/3；

——鋁合金具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、耐磨性好，比強度高及可回收等優(yōu)點；

——鋁合金減重效果優(yōu)于鋼鐵，汽車使用1kg鋁可替代2.25kg鋼材，相比于鋼板車身，輕質(zhì)鋁合金車身可以減重30%～40%。

復(fù)合材料的優(yōu)勢：

——復(fù)合材料綜合性好；

——復(fù)合材料具有密度低、體積質(zhì)量小、強度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點。

——如碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）車身比鋼質(zhì)車身可減輕50%的質(zhì)量，比鋁車身輕約30%，如寶馬I3。

工程塑料的優(yōu)勢：

——成形性好，質(zhì)量輕，減重約20%～30%

——能夠緩沖吸能，抗沖擊性好，抗腐蝕性好，具有一定的耐熱性。

在車身設(shè)計中，可以利用各種材料的性能優(yōu)勢，在滿足車身性能的前提下，降低車身質(zhì)理。

2.1.4 合理選擇材料厚度，減輕車身質(zhì)量

在車身設(shè)計中，合理選擇材料厚度對車身質(zhì)量的影響十分明顯。以喇叭安裝支架為例，根據(jù)喇叭性能的要求，有的設(shè)計者選用BLC t=1.2mm的材料，有的選用BLC t=1.4mm或BLC t=1.5的村材，單從材料厚度上看，相差不大，但實際上，選用t=1.2mm就能滿足要求，而選用t1.4mm及t=1.5mm的材料就屬于過度設(shè)計。相比較而言主，選用t=1.2mm的材料，從重量上零件就可以減輕0.014kg。如果考慮全車近500多個零件，則輕量化較果相當?shù)拿黠@。

如何選用合理的材料料厚，需要結(jié)合以往的設(shè)計經(jīng)驗，并與CAE分析相結(jié)合，達到減重的目的。

2.1.5 設(shè)計減重孔，減輕車身質(zhì)量

通過設(shè)計減重孔，減輕零件質(zhì)量，并根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計加強筋及翻邊強結(jié)構(gòu)，適當增加零件的強度，如圖 3所示，增加減重孔來減輕零件質(zhì)量并設(shè)計翻邊結(jié)構(gòu)，增加零件強度。

圖3

2.1.6 合理設(shè)計焊接搭接邊，以減輕零件質(zhì)量

焊接邊的設(shè)計需要根據(jù)焊接流程及生產(chǎn)實際與工藝水平進行合理設(shè)計。不能只考慮設(shè)計方便，均設(shè)計成L=15mm的焊接邊。

應(yīng)根據(jù)焊接順序及零件的大小，參考生產(chǎn)實際工藝水平，分別對待。例如，有的零件的焊接邊就可以設(shè)計成L=12mm。

通過優(yōu)化焊接邊的設(shè)計，可以達到減輕零件質(zhì)量的目的，從面減輕車身的質(zhì)量。

2.1.7 控制車身用膠量及阻尼板的布置面積與厚度，減輕車身質(zhì)量

車身的用膠量及阻尼板的使用面積=與厚度對車身質(zhì)量具有一定的影響，通過優(yōu)化可以達到減重5kg～10kg左右。

阻尼板的布置應(yīng)參考CAE分析結(jié)果，進行確定。

2.1.8 采用先進的焊接技術(shù)，減輕車身質(zhì)量

傳統(tǒng)的點焊技術(shù)，通常對車身質(zhì)量影響不大。但CO2保護焊的使用，則對車身質(zhì)量影響較大。在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，盡量減少CO2保護焊的應(yīng)用。

對不同厚度要求的板料，可以考慮采用激光拼焊技術(shù)，減少零件數(shù)量，減輕車身質(zhì)量。如前縱梁內(nèi)板，根據(jù)正面碰撞的性能要求，其前段要求吸能，后段要求具有一定的強度，以控制發(fā)動機等零件對前圍板的侵入。因此要求其本體前后兩段料厚不一致，如圖4所示，前段料厚為1.2mm,后段料厚為1.8mm。

圖4

如采用傳統(tǒng)方式設(shè)計，前縱梁內(nèi)板需要拆分成兩個零件，即：前縱梁內(nèi)板前段與后段，并通過點焊焊接成前縱梁內(nèi)板本體。兩個零件均需要設(shè)計焊接搭邊，以便進行焊接，零件重量必然有所增加。同時，在制造工藝上，共需要八套模具與一套焊接工裝，同時在焊裝線上需布置一個焊接工位，不利于降低成本。

如采用激光拼焊技術(shù)，將前縱梁內(nèi)板前段與后段焊接成一體，進行沖壓，制成一個零件，從而減少焊接搭邊及工裝器具，能夠達到有效降低成本，減輕零件質(zhì)量的目地。

2.1.9 控制標準件有效長度選用，減輕車身質(zhì)量

在車身設(shè)計中，標準件的選用量很大，總質(zhì)量占車身質(zhì)量的3%～5%左右。但標準件有效長度的選用，通常關(guān)注度不高。在設(shè)計時，因設(shè)計者而異，基本無統(tǒng)一標準，比如焊接螺栓的選用，有的設(shè)計人員選用 L=15mm，有的選用L=20mm，有的選用L=25mm，但如果選用L=15mm的就能滿足設(shè)計要求，那么選用L=25mm或L=25mm，就可以進行優(yōu)化設(shè)計，減輕車身質(zhì)量。

2.2 提高扭轉(zhuǎn)剛度KTG

白車身扭轉(zhuǎn)剛度是車身重要的力學(xué)特性之一。

2.2.1 增加板料厚度，提高車身扭轉(zhuǎn)剛度

經(jīng)對零件扭轉(zhuǎn)剛度敏感度分析發(fā)現(xiàn)，板材料厚的增加對零件的扭轉(zhuǎn)剛度影響明顯。

但材料厚度的增加，對車身輕量化不利。此方法只適用于局部扭轉(zhuǎn)剛度相對薄弱的單個零件進行調(diào)整。

2.2.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)斷面，增加接頭剛度，提高車身扭轉(zhuǎn)剛度

由白車身地板、縱梁、側(cè)圍 A、B、C柱區(qū)域、上下邊梁及頂蓋的前、中、后橫梁等零件組成的一個個閉合型腔結(jié)構(gòu)，支撐起整個車身，保證車身的性能指標達到設(shè)計要求。而白車身剛度主要是由這些閉合型腔的斷面，即車身結(jié)構(gòu)主斷面的力學(xué)特性所決定的。斷面的面積與斷面的主慣性矩是計算斷面剛度的主要參數(shù)，是影響白車身剛度特性的重要因素。通常這些封閉斷面的面積或主慣性矩越大，對白車身剛度越有利。所以，優(yōu)化這些結(jié)構(gòu)斷面是提高車身扭轉(zhuǎn)剛度具有重要意義。

車身接頭剛度對整車安全、剛度及強度有重要的影響。車身結(jié)構(gòu)中兩個以上承載構(gòu)件相互交叉連接的部位稱為接頭或節(jié)點。車身接頭示意，如圖4所示。

圖4

這些車身上的T形接頭與其它承載件共同形成了一個牢固的車身承載結(jié)構(gòu)。接頭部位對結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)影響較大，應(yīng)當保持足夠的剛度。剛度不足，會導(dǎo)致局部區(qū)域出現(xiàn)大的變形，從而影響車和正常使用。

在設(shè)計時，應(yīng)保證接頭盡量采用封閉盒狀結(jié)構(gòu)，加強接頭處斷面的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化，保證接頭的強度。提高車身的扭轉(zhuǎn)剛度。

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)論述了車身的輕量化的設(shè)計方法與途徑。車身輕量化設(shè)計的基礎(chǔ)是在保證汽車的被動安全、剛度、噪聲、振動和平順性等性能提高或者不降低的前提下通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、輕量化材料的應(yīng)用、材料厚度的減薄及合理的制造工藝等手段來實現(xiàn)的。

參考文獻

[1] 何莉萍.汽車輕量化車身新材料及其應(yīng)用技術(shù)[M].湖南大學(xué)出版社.2016,9.