孫啟林，張龍，李凡，王泉杰，劉凱

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

前言

目前，車企都在大力推進(jìn)新材料應(yīng)用，尤其是涉及到輕量化、安全、防腐等性能的新型輕質(zhì)材料越來越受到青睞，但是受成本及技術(shù)成熟度等限制，大家還是傾向于鋼質(zhì)車身的開發(fā)。傳統(tǒng)汽車通過不斷提升高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用比例來降低車身的重量，這不僅有效保證了車身的碰撞安全[1]，提升了車身的剛度，還能使車身成本維持在一個(gè)比較合理的區(qū)間，所以在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)鋼質(zhì)車身還是主流。本文重點(diǎn)講述了鋼制車身的輕量化、安全及防腐設(shè)計(jì)技術(shù)。

1 輕量化設(shè)計(jì)

1.1 車身輕量化關(guān)鍵技術(shù)

研究數(shù)據(jù)顯示，汽車車身自重約消耗 70%的燃油，若整車重量減低10%，燃油效率可提高6%～8%，排放下降約4%[2]。汽車輕量化是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)創(chuàng)新工程，涉及整車、發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身、懸架、內(nèi)外飾等各個(gè)方面，簡(jiǎn)單逆向設(shè)計(jì)并不可取，其中，車身輕量化技術(shù)又是各大車企尤其是新能源汽車企業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，其關(guān)鍵技術(shù)包含：高強(qiáng)鋼應(yīng)用技術(shù)、鋁合金應(yīng)用技術(shù)、鎂合金應(yīng)用技術(shù)、碳纖維應(yīng)用技術(shù)及結(jié)構(gòu)環(huán)理論設(shè)計(jì)等。

1.2 輕量化設(shè)計(jì)

車身輕量化設(shè)計(jì)主要從材料、結(jié)構(gòu)、工藝三方面入手，其中材料設(shè)計(jì)包括，高強(qiáng)鋼應(yīng)用、以塑代鋼設(shè)計(jì)、鋁合金應(yīng)用、結(jié)構(gòu)膠設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化、框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；工藝設(shè)計(jì)包括激光拼焊板及熱成型板等應(yīng)用。

1.2.1 高強(qiáng)鋼設(shè)計(jì)

江淮汽車二代車型白車身大量采用高強(qiáng)度鋼板，應(yīng)用比例達(dá)到60%以上，較一代車型實(shí)現(xiàn)減重50kg，A、B柱等區(qū)域使用抗拉強(qiáng)度1500MPa的熱成型鋼板，比例達(dá)5%；其它車身結(jié)構(gòu)件大量應(yīng)用抗拉強(qiáng)度500-600 MPa高強(qiáng)度鋼板，比例達(dá)40%以上，很好的滿足了車身輕量化設(shè)計(jì)要求。

表1 江淮汽車某車型高強(qiáng)鋼應(yīng)用比例

圖1 江淮汽車車身示意圖

1.2.2 結(jié)構(gòu)輕量化

1）法蘭式焊接邊設(shè)計(jì)

在零部件焊接邊位置，通過合理設(shè)計(jì)，在滿足強(qiáng)度與焊接邊尺寸要求的情況下，將其設(shè)計(jì)成法蘭形式，能夠?qū)崿F(xiàn)2kg左右的減重。

圖2 法蘭式焊接邊

2）減重工藝孔設(shè)計(jì)

在 A、B、C柱、頂蓋橫梁、后圍加強(qiáng)板等部位設(shè)計(jì)減重工藝孔，能夠?qū)崿F(xiàn)減重3kg。

圖3 減重孔

3）搭接止口設(shè)計(jì)

側(cè)圍外板下部采用斷開式搭接設(shè)計(jì)，將側(cè)圍外板下止口上移與門檻外加強(qiáng)板側(cè)面焊接，減少了側(cè)圍外板高度方向（Z向）的尺寸，能夠?qū)崿F(xiàn)減重4kg。

圖4 側(cè)圍外板下部斷開式搭接

2.2.3 工藝輕量化

1）熱成型鋼板應(yīng)用

上A柱、上A柱連接板及B柱采用熱成型鋼板，左右共計(jì)6個(gè)件，相應(yīng)的減少了A柱及B柱加強(qiáng)板，相比普通鋼板，能夠?qū)崿F(xiàn)減重13kg，同時(shí)也保證了車身的側(cè)碰性能要求。

圖5 熱成型零部件應(yīng)用

2）激光拼焊板設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)艙縱梁、門內(nèi)板采用激光拼焊工藝，左右共計(jì) 5個(gè)件，相比普通鋼板，能夠?qū)崿F(xiàn)減重5.0kg。

圖6 激光拼焊板

表2 激光拼焊板應(yīng)用方案對(duì)比

3 安全性設(shè)計(jì)

隨著中國(guó)汽車保有量的持續(xù)增長(zhǎng)，中國(guó)汽車交通安全問題逐漸凸顯，汽車產(chǎn)品的安全性能成為汽車潛在消費(fèi)者關(guān)注的重要購(gòu)買因素[3]。

3.1 框架設(shè)計(jì)

框架式車身骨架，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建“結(jié)構(gòu)環(huán)”式的牢籠車身，確保車身的剛度及安全性能；拓?fù)鋬?yōu)化下車體骨架，使從車身前部或者側(cè)面來的碰撞能量能夠通過合理的傳遞路徑被車身框架有效吸收；前部碰撞能量被發(fā)艙環(huán)、邊梁環(huán)及A柱環(huán)等結(jié)構(gòu)吸收，側(cè)面碰撞能量則被B柱環(huán)、門檻及座椅橫梁等結(jié)構(gòu)吸收?？蚣苓吜涵h(huán)是由6個(gè)車身板件構(gòu)成，能夠有效傳遞正面碰撞的能量，提升整車的安全性能，保護(hù)乘客安全。

圖7 框架環(huán)狀結(jié)構(gòu)

圖8 框架邊梁環(huán)結(jié)構(gòu)

3.2 側(cè)面碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

B柱、B柱上框采用熱成型鋼板，減少了側(cè)面碰撞時(shí)的車身侵入量，提高了碰撞安全性。

圖9 熱成型上B柱、B柱上框結(jié)構(gòu)

3.3 扭矩盒設(shè)計(jì)

圖10 扭矩盒結(jié)構(gòu)

在關(guān)鍵鉸接點(diǎn)位置采用扭矩盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它一般由6個(gè)車身結(jié)構(gòu)件組成，節(jié)省了因單純?cè)黾恿虾窕蛘咴黾恿悴考淼闹亓?，而且能夠提升關(guān)鍵受力部位的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)車身輕量化。

3.4 高剛度前后懸安裝結(jié)構(gòu)

在前、后懸架安裝部位設(shè)計(jì)有Z向加強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)，提升了車身關(guān)鍵受力部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而有效承載來自底盤部件的作用力，能夠提升整車的操穩(wěn)及NVH性能[4]。

圖11 前懸加強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)圖

圖12 后懸加強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)

4 防腐設(shè)計(jì)

車體防腐設(shè)計(jì)工作主要是從防腐要求、防銹工藝設(shè)計(jì)、重點(diǎn)部位防銹設(shè)計(jì)開展，包含結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、材質(zhì)設(shè)計(jì)三方面內(nèi)容，下面以A柱防腐設(shè)計(jì)為例做下介紹。

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1.1 結(jié)構(gòu)分類

側(cè)圍A柱主要由側(cè)圍外板、A柱外板加強(qiáng)板、上鉸鏈加強(qiáng)板、下鉸鏈加強(qiáng)板、限位器安裝加強(qiáng)板、A柱內(nèi)板、CCB管梁安裝支架/加強(qiáng)板、A柱內(nèi)板加強(qiáng)板等組成，同時(shí)受到翼子板分縫位置、外飾門檻護(hù)板配置等因素影響結(jié)構(gòu)有所不同。

圖13 側(cè)圍A柱總成結(jié)構(gòu)

4.1.2 空腔截面尺寸

圖14 涂裝電泳空腔尺寸

為了便于電泳液在空腔內(nèi)流動(dòng)，除焊接面外需對(duì)空腔最小的最小尺寸做出要求，根據(jù)工藝特點(diǎn)要求，并且經(jīng)過實(shí)車的拆解驗(yàn)證，當(dāng)最小間隙設(shè)計(jì)為 5mm時(shí)，空腔內(nèi)各位置的電泳膜厚符合設(shè)計(jì)要求，如圖示意。

4.1.3 工藝孔

A柱上的通電孔設(shè)計(jì)主要以A柱外板加強(qiáng)板為主要部位，側(cè)圍外板和A柱內(nèi)板根據(jù)電力線貫通需求增加相應(yīng)的貫通孔位，保證電泳液能夠順利進(jìn)入并有效附著。

圖15 側(cè)圍A柱工藝孔

4.1.4 毛刺設(shè)計(jì)

沖壓件毛刺對(duì)于車身防腐也有一定的影響，尤其是在止口邊位置，設(shè)計(jì)時(shí)要求毛刺方向盡量朝向非外觀面（中間加強(qiáng)板方向），具體要求如下：

1）側(cè)圍外板毛刺方向D如圖示，向內(nèi)，毛刺高度0.06mm（料厚0.7mm）；

圖16 側(cè)圍外板毛刺方向示意

2）外板加強(qiáng)板毛刺方向 D如圖示，向內(nèi)，毛刺高度0.11mm（料厚1.0mm～1.6mm）；

圖17 側(cè)圍外板加強(qiáng)板毛刺方向示意

3）A柱內(nèi)板毛刺方向D如圖示，向外，毛刺高度0.11mm（料厚1.0mm～1.6mm）；

圖18 側(cè)圍A柱內(nèi)板毛刺方向示意

4.2 工藝設(shè)計(jì)

4.2.1 點(diǎn)焊密封膠

為保證側(cè)圍A柱的防腐性能，防止水流入A柱內(nèi)空腔內(nèi)，側(cè)圍A柱總成的前部搭接邊位置、側(cè)圍A柱與前圍總成搭接位置等需設(shè)計(jì)點(diǎn)焊密封膠，如下圖所示。

4.2.2 焊縫密封膠

為保證A柱空腔的密封及A柱總成的前端外露止口銹蝕，需設(shè)計(jì)焊縫密封膠，如下圖所示。

圖19 焊裝密封膠打膠位置示意

4.2.3 焊裝密封膠片

1）車身應(yīng)用位置：①翼子板及其他焊裝安裝的需要一起過涂裝電泳的鈑金件的安裝面處；②圖 1所示規(guī)格適用 M6安裝螺栓。

4.2.4 焊裝密封膠片設(shè)計(jì)要求

1）翼子板與其安裝支架之間的數(shù)模設(shè)計(jì)間隙為零。2）在焊裝裝配翼子板前，將密封膠片粘貼于翼子板安裝支架的安裝面上，然后進(jìn)行翼子板的安裝與調(diào)整（不得影響螺栓安裝）。3）密封膠片無吸水、發(fā)泡以及開裂現(xiàn)象，微弱膨脹后，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件也起到一定的保護(hù)作用，對(duì)整車外觀無影響,滿足外觀間隙要求。

圖20 所有翼子板支架安裝點(diǎn)

圖21 密封膠片安裝示意圖

4.3 材質(zhì)設(shè)計(jì)

為保證整車的防腐性能要求，在重要外觀面、水流接觸部位、重要安裝面等采用鍍鋅板設(shè)計(jì)，如表3中所示左/右側(cè)圍外板等部位；表4所示表明隨著車型開發(fā)要求的提高，車型鍍鋅板的應(yīng)用比例也在不斷加大，目前我公司較多的采用熱鍍鋅鋼板，如DC56D+ZF等。

表3 車身鍍鋅板應(yīng)用部位

表4 車身鍍鋅板應(yīng)用比例

5 總結(jié)

汽車所用的材料，由于節(jié)省能源、節(jié)省資源、安全等的需要而有所變化，新材料相繼被推出、應(yīng)用，如鋁合金、鎂合金、碳纖維等。但是，在現(xiàn)階段尤其是在車型開發(fā)成本控制比較嚴(yán)格的情況下，鋼板在汽車上的應(yīng)用前景仍然十分廣闊，潛力巨大，所以如何通過合理的設(shè)計(jì)來滿足相關(guān)性能目標(biāo)達(dá)成就顯得十分必要[5]。目前，我們也在持續(xù)研究結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及先進(jìn)高強(qiáng)鋼、先進(jìn)工藝的應(yīng)用方法，而且隨著高強(qiáng)度鋼板本身技術(shù)的進(jìn)步，相信車身的輕量化、安全、防腐等性能也一定會(huì)越來越好。

參考文獻(xiàn)

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[2] 詹華.馬鋼汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼的研究發(fā)展.中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)第20屆材料年會(huì)論文集2016.131-138.

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