王浩，陳鵬，鐘萬澤

鋼鋁混合白車身在汽車輕量化中的應(yīng)用及乘用車輕量化實例

王浩，陳鵬，鐘萬澤

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003）

在節(jié)能減排和新能源汽車長續(xù)航里程的需求下，汽車輕量化是目前最有效的手段，白車身重量占據(jù)整臺汽車較大百分比，白車身輕量化是汽車減重的核心目標(biāo)，目前新型輕量化設(shè)計，鋁合金白車身在乘用車領(lǐng)域已被廣泛使用，但全鋁車身也存在材質(zhì)本身缺陷，鋁合金強度低于鋼，關(guān)鍵強度位置無法達(dá)到碰撞要求，文章以熱成型鋼作為關(guān)鍵強度建與鋁合金組成混合材質(zhì)的乘用車白車身實例進(jìn)行分析，比較傳統(tǒng)的鋼制車身，可使整車減重40%。并保證汽車優(yōu)異碰撞性能要求。

白車身；輕量化；鋁合金；節(jié)能環(huán)保

引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們生活水平普遍提高，汽車保有量穩(wěn)步提升。伴隨著汽車制造的快速發(fā)展同時帶來的負(fù)面影響是加速環(huán)境的污染和能源的消耗。在政策對汽車排量嚴(yán)格要求和新能源汽車大力推動下，廠商都在積極對汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計，但受汽車發(fā)動機、變速箱的等機械部件在設(shè)計、強度、結(jié)構(gòu)等方面的局限性影響難以實現(xiàn)汽車整備重量質(zhì)的改變，車身結(jié)構(gòu)和使用新型材料來進(jìn)行減重已成為車企主流方向。白車身輕量化制造技術(shù)水平已經(jīng)成為衡量車企制造水平的重要標(biāo)志。

1 汽車輕量化的意義

歐洲議會投票通過了2020年前后汽車二氧化碳排放目標(biāo)，到2020年歐洲汽車二氧化碳平均排放水平將從當(dāng)前的132.2L/Km削減至95L/Km以下，并給出2025年指標(biāo)預(yù)期，最低達(dá)到68L/Km。中國2020年中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展（泰達(dá)）國際論壇論述的重點也是汽車的節(jié)能減排。從歐美至國內(nèi)一系列出臺的政策可以看出，目前都在強調(diào)節(jié)能減排。而汽車輕量化是實現(xiàn)汽車產(chǎn)品節(jié)能減排的最有效措施之一。對于燃油車來說汽車整備質(zhì)量每減少10%，汽車尾氣排放量將減少10%，能耗將減少5%-8%。對于新能源電動汽車來說，汽車整備質(zhì)量每減少10%，續(xù)航里程增加5%。汽車輕量化除節(jié)能減排和增加續(xù)航里程等優(yōu)點之外，對于一臺汽車而言，在保證安全強度的情況下，越輕的重量能夠讓其“負(fù)擔(dān)”更小，車輛更容易“推動”，加速時間就減少，而對于操控性而言，更輕的車身能帶來更加靈活的車身動態(tài)響應(yīng)，制動距離、車身震動和噪音也減少。

2 白車身輕量化技術(shù)

汽車輕量化技術(shù)是指：輕量化設(shè)計、輕量化材料、輕量化制造三大部分。

（1）車身輕量化設(shè)計主要從尺寸優(yōu)化、形貌優(yōu)化、結(jié)構(gòu)拓補優(yōu)化等方向來實現(xiàn)鋁制白車身減重。利用軟件模擬分析車身在各工況下的受力變形情況，對車身斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓補優(yōu)化，關(guān)鍵受力部位提高斷面強度以達(dá)到車身裝配要求。

（2）輕量化材料是白車身減重的核心意義，相比于傳統(tǒng)鋼制車身，輕質(zhì)車身材料正向著具有足夠的承載強度、原材料來源豐富、足夠的耐久性、碰撞吸能和成員保護(hù)的方向發(fā)展。

（3）車身輕量化制造工藝在零部件加工及白車身裝配的過程中減輕重量，車身焊接采用激光焊，攪拌摩擦焊等對零件進(jìn)行整合，避免大面積材料堆疊增加重量。

材料選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、先進(jìn)工藝系統(tǒng)化、集成化以及模塊化架構(gòu)設(shè)計貫穿于整車輕量化設(shè)計過程，實現(xiàn)輕量化與汽車高性能的平衡。

3 輕量化車身材料的選用

材料選擇最初的目標(biāo)是確定所要使用材料的要求特性，然后進(jìn)行實際材料的選擇，以從多種可用材料中濾出最適合的候選材料[1]。輕量化材料應(yīng)用方面主要是應(yīng)用熱成型鋼、鋁合金、非金屬復(fù)合材料。鋁合金、熱成型鋼和非金屬復(fù)合材料各自具有其材料本身固有的優(yōu)點和缺點，熱成型鋼材料強度高適用于車身關(guān)鍵強度要求較高部位，鋁合金吸能效果好、成型性好、輕量化效果顯著，鋁元素于自然界儲存量較大，且可實現(xiàn)100%回收再利用。非金屬復(fù)合材料目前成本較大，無法大量使用在定位較低的汽車車身上，所以汽車白車身使用鋼鋁混合材質(zhì)，既可達(dá)到高強度的要求，又可滿足輕量化需求，兼顧汽車低速碰撞吸能韌性。

4 鋁合金在汽車車身生產(chǎn)中的應(yīng)用

4.1 變形鋁合金

變形鋁合金是指通過沖壓、彎曲、軋、擠壓等工藝使其組織、形狀發(fā)生變化的鋁合金。車身常用鋁合金為擠壓鋁合金型材和軋制鋁合金板材，擠壓型材根據(jù)不同位置的性能需求不同，采用不同合金牌號。汽車車身骨架主要使用的鋁合金為6系合金、7系合金。而鋁合金軋制板材多用于汽車車身外板、CAS面覆蓋件等，主要為5系合金。

擠壓鋁合金主要使用位置為汽車車身骨架主體機構(gòu)部分例如：前后防撞梁，吸能盒，前后縱梁，副車架等。目前國內(nèi)奇瑞螞蟻系列的電動車車身輕量化以鋁合金代替鋼制車身已達(dá)行業(yè)前沿，奇瑞螞蟻車身骨架采用大量擠壓鋁型材和少量熱成型鋼裝配組成，車身鈑金件大量采用軋制鋁板，鋁化程度達(dá)95%以上，較比傳統(tǒng)鋼制車身減重40%左右，相同規(guī)格的動力電池驅(qū)動下，增加了續(xù)航里程15%。

4.2 鑄造鋁合金

鑄造鋁合金是利用鋁合金材質(zhì)加熱至熔融狀態(tài)的流動性，流入模具中冷卻成型后加工成汽車零部件，鋁合金鑄造產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、尺寸精度高、易于大批量生產(chǎn)。鑄造鋁合金具有良好的導(dǎo)熱性和抗腐蝕性，已被車企廣泛使用在發(fā)動機氣缸、汽車搖臂、輪轂等耐久性要求高的位置，采用鋁合金輪轂和搖臂較比傳統(tǒng)鋼制輪轂可減重40%左右，減重效果十分可觀。減重的同時鋁合金輪轂和搖臂還兼顧提高汽車性能的，使汽車抵抗較多的縱向和橫向震動，耐腐蝕性和抗壓強度也大幅度提升。

4.3 泡沫鋁

泡沫鋁材是一種在金屬基體中分布有無數(shù)氣泡的多孔材料。這種材料的質(zhì)量更輕、強重比更高，并且具有高的吸能特性、阻尼特性和吸振特性[2]。將泡沫鋁填充于兩個鋁合金外板之間制成的三明治板材AFS，用于車身前后保險杠可以增加撞擊吸能的能力，提高了撞擊安全性。泡沫鋁三明治AFS還具有耐燃性，電動汽車的電池包頂部和底部使用AFS制造，可避免碰撞產(chǎn)生燃燒現(xiàn)象。

5 鋼鋁混合材質(zhì)在乘用車車身零部件上的應(yīng)用

汽車防撞結(jié)構(gòu)件采用鋁合金材質(zhì)代替鋼制材質(zhì)，可保護(hù)發(fā)動機總成在中、低速的碰撞中不受到過大的損失，鋁制吸能盒的平衡多腔體形狀和布局，具有較高變形均勻性，使碰撞力在吸能盒部分被吸收掉，保證成員安全的同時也降低碰撞維修的費用。

汽車骨架結(jié)構(gòu)件采用擠壓鋁合金材質(zhì)性能與鋼材質(zhì)相近且重量更輕。同等位置的斷面結(jié)構(gòu)，鋁合金材質(zhì)可簡化零部件加工工序，簡化結(jié)構(gòu)部件數(shù)量，使焊接總裝時焊接步驟及工序減少，自動化焊接的工裝設(shè)計制作等費用減少。

擠壓鋁型材作為車身骨架還可實現(xiàn)局部零部件特殊結(jié)構(gòu)的方式增加零部件強度，如前縱梁作為關(guān)鍵強度件，為使折彎位置強度增加，無需增加整體斷面壁厚，折彎處增加一段內(nèi)撐管達(dá)到提升強度的作用，較比于鋼制車身大大簡化制造工序，減重效果明顯。

圖1 全鋁車身彎曲剛度

圖2 全鋁車身扭轉(zhuǎn)剛度

碰撞安全性能是乘用車永遠(yuǎn)也繞不開的問題，碰撞事故中承擔(dān)保持乘員生存空間作用的鋼鋁混合籠型車身結(jié)構(gòu)而言，對在A、B、C柱以及門檻梁等位置需要的強度非常高，因此使用熱成型高強度鋼材則是更好的選擇。目前鋼鋁連接工藝的不斷進(jìn)步，這種鋼鋁混合材料作為車身的主體加工成本正在逐步變得可被接受，熱成型鋼強度夠高，故在同一位置結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，僅需結(jié)構(gòu)優(yōu)秀的少量熱成型鋼便可以達(dá)到設(shè)計強度需求，因此采用熱成型鋼與鋁合金混合材質(zhì)，該硬的地方硬，該軟的地方軟，在做到更高強度的同時也可以兼顧輕量化的效果。在試制階段分別針對整車模態(tài)、彎扭剛度、碰撞性能等指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，最終使得鋼鋁混合車身性能達(dá)到最優(yōu)匹配狀態(tài)。

車身采用全鋁合金材質(zhì)彎曲剛度經(jīng)軟件模擬分析為7317 N/mm、扭轉(zhuǎn)剛度為13986N.m/°，車身采用鋼鋁混合材質(zhì)彎曲剛經(jīng)軟件模擬分析度為12000N/mm、扭轉(zhuǎn)剛度為19417N.m/° 。由此可見車身采用鋼鋁混合材質(zhì)較比采用全鋁材質(zhì)，車身重量提升很少，但車身剛度將大幅度提升。

圖3 鋼鋁混合車身彎曲剛度

圖4 鋼鋁混合車身扭轉(zhuǎn)剛度

6 結(jié)語

隨著能源問題、環(huán)保問題的日益突出，人民安全意識的不斷提高，汽車輕量化已成必然趨勢。經(jīng)過多種輕量化材料的研究、試用，鋁合金以力學(xué)性能優(yōu)良，價格便宜，加工方法多樣等優(yōu)勢已成為汽車輕量化材料的主要選材。鋁合金作為汽車主體零部件輔以熱成型鋼材料作為關(guān)鍵強度件的鋼鋁混合車身生產(chǎn)技術(shù)在未來汽車制造中將被普遍采用。

[1] 弗蘭克·亨寧,埃爾韋拉·穆勒,Henning F,et al.輕量化材料和屬性[M].北京理工大學(xué)出版社,2015.

[2] 馬鳴圖,李志剛,易紅亮,等.汽車輕量化及鋁合金的應(yīng)用[J].世界有色金屬,2006(10):11-15.

Application of steel-aluminum hybrid body-in-white in automobile lightweight and examples of passenger car lightweight

Wang Hao, Chen Peng, Zhong Wanze

( Liaoning Zhongwang Group Co., Ltd., Liaoning Liaoyang 111003 )

In the energy conservation and emission reduction and new energy vehicles long range, under the requirements of automotive lightweighting is by far the most effective means, occupy the whole car white body weight percentage, larger white body lightweight is the core of the car weight loss goals, at present a new design of the lightweight aluminum alloy has been widely used in the field of passenger car white body, but also existing full aluminium body material itself defects, aluminium alloy strength is lower than steel, key strength can not meet the requirements of the collision, based on the hot steel as a key strength building and aluminum alloy composition hybrid material instances of passenger car white body is analyzed, their traditional steel body, can make the vehicle weight reduction of 40%. And to ensure the excellent collision performance requirements of vehicles.

Body in white; Lightweight; Aluminum alloy; Energy saving and environmental protection

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.025

U463.82

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1671-7988(2021)06-80-03

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王浩（1993.05-），男，漢族，本科，設(shè)計工程師，就職于遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，主要研究方向：汽車輕量化設(shè)計與制造。