呂秋菊

【摘 要】汽車的車身是車的外表，消費者根據車身的外觀進行選擇。一般情況下，對汽車的設計主要表現在汽車車身方面，因此對汽車車身的研究就相對多點。汽車車身在汽車上占有重要比例，僅車身質量就約占汽車總質量的五分之二。為了滿足消費者的需求，在對汽車車身進行優(yōu)化設計的時候，應當從輕量化入手。文章通過對汽車車身優(yōu)化設計進行分析，并達到車身輕量化的目的。

【關鍵詞】輕量化；汽車車身；設計

一、汽車輕量化發(fā)展現狀

（一）高強度鋼板的應用

高強度鋼板的真正優(yōu)勢是減薄鋼板、減輕車身質量而又不降低車身安全性。無論從成本還是性能角度分析，高強度鋼板是滿足車身輕量化、提高碰撞安全性的首選材料，主要應用在AB柱、地板、門檻等車輛的關鍵結構件。

（二）鋁合金的應用

鋁合金作為輕質金屬，是汽車輕量化的理想材料。鋁合金在汽車領域的用量在逐步增加，且種類多樣化，大有代替鋼板、成為未來汽車車身主要材料的趨勢。

1.鋁合金的特點

鋁合金的主要特點包括：密度小、比強度和比剛度高、彈性和抗沖擊性能好、耐腐蝕、耐磨、高導電、高導熱、易表面著色、良好的加工成形性及高的回收再生性等。

2.鋁合金的分類

鋁合金分為鑄造鋁合金和變形鋁合金，鑄造鋁合金用于重力鑄造件、低壓鑄件和特種鑄造件；變形鋁合金主要用于空調系統(tǒng)零件、壓縮機件、行駛系部分零件、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱器件、車身零件和裝飾件等。鋁基復合材料用于制造汽車活塞、氣缸套、懸臂架、制動卡鉗、驅動軸及車輪等汽車零件。

3.應用于汽車上的鋁合金部件

馬自達、奧迪等外覆蓋件均采用鋁合金板材。鋁合金在車身上的應用是從發(fā)動機罩和行李箱蓋開始，逐漸發(fā)展到全鋁車身。在汽車上的應用材料為鋁合金和鋁復合材料，目前國外可達80%以上。60%以上的汽車用鋁合金材料為再生鋁，回收1t鋁合金要比加工制造1t少耗能95%。汽車工業(yè)中加工鋁合金所需的工裝設備的投資要比鋼鐵少得多。同時，汽車鋁制車身框架以鋁擠壓型材為主，焊點少，提高了裝配效率，也減少了制造成本。

4.熱塑性塑料與復合材料的應用

熱塑性塑料目前主要應用在后尾門，目前很多商用汽車的后行李廂門多采用熱塑性材料，相比鋼制后尾門，減重10%，提高了市場感知度，并且注塑、組裝工藝簡單，降低了生產成本。

復合材料是由2種或2種以上不同性質的材料組成，其綜合性能優(yōu)于原組成材料，并滿足不同的要求。其中，碳纖維復合材料（CFRP）因其質量輕、高強度（鋼的5倍）、高模量和良好的耐熱、耐腐蝕性等特點，已成為一種非常理想的汽車輕量化材料。如果1輛乘用車采用10kg的復合材料，按照每年新車產量2300萬輛計算，車用復合材料產業(yè)將形成千億元的市場規(guī)模。由于碳纖維復合材料制造成本過高，在汽車中的應用有限，最初僅在F1賽車、超級跑車、小批量車型上應用，如蘭博基尼、柯尼塞格、雷克薩斯LFA、保時捷911GT3承載式車身上。但隨著碳纖維制造成本的下降，復合材料制造工藝的成熟，各大主機廠紛紛進行碳纖維零部件的開發(fā)，如今被廣泛地應用于高級轎車上。

二、汽車輕量化的設計和實現

在目前車身設計中高度智能化、仿真精度高的三維設計軟件的輔助下，車身設計目前實現輕量化的最主要的兩種方法：一種是用密度相近，但是強度更高的鋼材去替換低強度的厚鋼板；一種是用密度更小，強度更高的復合材料去替換低強度的厚鋼板。

（一）優(yōu)化車聲結構，提高材料利用率

比如車身下部由非連續(xù)性改為連續(xù)性，使得汽車在碰撞時有效分散撞擊能量；增加加強筋；加強防滾架平衡桿；有限元法設計；采用承載式車身，減薄車身板料厚度等。

（二）優(yōu)化制造工藝

比如激光焊接、攪拌摩擦焊、擠壓成型、熱處理、鎖錨連接等。

（三）新材料的研發(fā)與應用

比如使用高強度鋼材（熱成型鋼材）、輕合金（鋁合金、碳纖維、鎂合金）、記憶金屬（微晶鋼）、工程塑料、陶瓷、玻璃纖維等。剛度指的是材料抵抗外力變形的能力，通常在車身開發(fā)中特指材料在屈服前的彈性特性，良好的剛度是整車NVH性能、車輛動力性能和疲勞耐久性能的基礎，常見的評判指標有車身扭轉剛度等。剛度與材料的彈性模量相關，基本上材料種類確定，彈性模量也就確定了，比如采用高強鋼并不會提升車身的剛性，因為鋼的彈性模量都一樣。

1.碳纖維

越來越多的新車上市，其中標榜的一項特點便是車身輕量化，而我們聽到最多的一個詞就是"碳纖維"。碳纖維又稱碳化纖維，泛指一些以碳纖維編織或多層復合而成的材料。因為它又輕又堅硬，所以它的用途很廣泛。碳纖維在汽車領域的應用率先從賽車開始，近年來在民用汽車中得到了廣泛的引用。碳纖維是一種力學性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為23000～43000Mpa也高于鋼。但碳纖維材料也只是沿纖維軸方向表現出很高的強度，其耐沖擊性卻較差，容易損傷，所以在制造成為結構組件時，往往利用其耐拉質輕的優(yōu)勢而避免去做承受側面沖擊的部分。

2.結構膠

再比如結構膠，過去烘烤硬化結構膠只在車身上有少量應用，但是現在的趨勢是可以通過采用更多的結構膠提升車身剛度性能，從而降低結構件的重量，奧迪、沃爾沃的一些車身上采用了超過100米的結構膠；再比如填充在車身接頭的發(fā)泡硬化材料，可以有效替代傳統(tǒng)加強板形式的加強件，即提升性能，又降低重量。

3.鎂合金

鎂合金是工程應用中最輕的結構材料，也是汽車輕量化材料中的一員。純鎂的密度僅為鋁的2/3，鋼的1/4，接近工程塑料的密度。而且鎂合金的比強度也比鋁合金、鋼鐵高。因此在不降低零部件強度條件下，鎂合金鑄件比鋁鑄件的重量減輕大約25%。此外，鎂合金還有良好的焊接和鑄造性能、對振動與沖擊的吸收性能好，抗凹陷性能好，易于機械加工。但是由于價格較高和高溫抗蠕變問題尚未得到有效解決，鎂合金目前主要應用于儀表盤基座、風扇架、方向盤軸、燈托架等汽車零部件中。工程塑料具有質輕、防銹、吸震、可設計自由大等特點，工程塑料在汽車零部件，特別是內飾部件的應用越來越大。工程塑料在汽車上的用量，甚至超過了鑄鐵的用量。很多塑料零件應用于車身上，比如大眾系的車子都采用了塑料的前端水箱框架，有些車子有塑料的后地板等等。

可見目前幾乎所有的優(yōu)化設計的思路都是在保持車身性能不下降的前提下降低車身重量，通過給定的工況下求出載荷的最佳傳遞路徑，從而設計出最優(yōu)的車身結構。與此同時，大量的新材料新工藝也在幫助車身降低重量。

三、結束語

要獲得汽車車身輕如蟬翼堅如磐石的最優(yōu)效果，符合車身輕量化的理想狀態(tài)，必然要受到成本和性能的約束，只有借助先進的數字化手段，充分發(fā)揮多工藝制造手段的優(yōu)勢，實現工藝制造技術和方法在車身上的合理化和精細化使用，才能有效地節(jié)能減排，提高汽車的整體質量，促使我國的汽車制造業(yè)與世界汽車工業(yè)的差距大大地縮短。

【參考文獻】

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