徐海霞，李坤

白車身輕量化設(shè)計(jì)實(shí)例研究

徐海霞，李坤

（華晨汽車工程研究院白車身工程室，遼寧 沈陽 110141）

白車身輕量化設(shè)計(jì)，可以減小汽車整備質(zhì)量，從而降低汽車油耗，節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，在汽車制造工業(yè)中具有非常重大的意義。文章從某車型白車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、新材料、新工藝等方面介紹了白車身輕量化技術(shù)的應(yīng)用，并簡述了白車身輕量化技術(shù)研究方向。

白車身；輕量化；設(shè)計(jì)

前言

有關(guān)資料數(shù)據(jù)顯示，2020年上半年我國汽車保有量3.6億輛，較2019年底增加1.2億輛。其中汽車保有量最高達(dá)到2.7億輛，占機(jī)動車總量的70%以上。隨著汽車保有量的急劇增加，節(jié)約能源，減少環(huán)境污染已經(jīng)是汽車行業(yè)迫切解決的兩大問題。據(jù)有關(guān)研究表明，汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。汽車整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3 L～0.6 L。二氧化碳排放量可減少約5～8 g/km。因此，汽車輕量化已經(jīng)成為當(dāng)今汽車行業(yè)的重要研究課題。汽車輕量化是指在保證汽車安全、剛度、NVH等性能提升或者不降低的前提下[1]，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，合適的材料選用，合理的制造工藝等手段來達(dá)到整車質(zhì)量降低，從而提高汽車的動力性能，減少燃料損耗，降低污染排放，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

白車身的輕量化設(shè)計(jì)，可以保證車身具有良好的剛度性能和均勻合理的受力分布，提高材料利用率[2]。對已有的車型進(jìn)行輕量化計(jì)，可以在保證車身結(jié)構(gòu)整體性能不受影響的前提下，最大限度地減輕車身各零部件的重量。本文結(jié)合我公司某款車型，從白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，新材料，新工藝等方面，介紹白車身輕量化技術(shù)的應(yīng)用。

1 白車身減重途徑

1.1 提高材質(zhì)牌號，減小板材厚度

提高材質(zhì)牌號，減小板材厚度可以實(shí)現(xiàn)減重。根據(jù)前上縱梁內(nèi)板后板CAE正碰分析報(bào)告（如圖1），左右前縱梁變形較小，橫截面連接平滑，傳力充分；將此零件由材料B340LA 替換成HC420LA，料厚由1.6 mm變成1.4 mm提升載荷傳遞。重量由3.21 kg減小到2.809 kg，實(shí)現(xiàn)減重0.401 kg。減小板材厚度后需再一次進(jìn)行CAE正碰分析，以滿足車身性能要求。

圖1 前上縱梁內(nèi)板后板正碰示意圖

1.2 增加減重孔，合理的切邊

增加減重孔，合理的切邊也是減重的重要途徑。例如頂蓋橫梁中間增加減重孔（如圖2），采取鋸齒形切邊，避讓焊點(diǎn)，達(dá)到減重的目的。

圖2 頂蓋橫梁

經(jīng)CAE頂部抗壓強(qiáng)度分析，車頂最大承受載荷為58.9 kN，按照法規(guī)要求，載荷達(dá)到3倍重力（45.42 kN）時(shí)，車頂位移為31.4 mm（<100 mm），滿足法規(guī)要求，如圖3。

圖3 頂部抗壓強(qiáng)度分析示意圖

1.3 鋁合金、鎂合金材料的應(yīng)用

鋁合金材料具有重量輕，吸能效果好，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好，成型工藝簡單的特點(diǎn)。目前我司平臺車型已全部采用鋁合金材料前防撞梁，比較與傳統(tǒng)的鋼制前防撞梁，經(jīng)過一系列的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終鋁合金前防撞梁能夠滿足整車性能要求，實(shí)現(xiàn)重量降低45%。（如圖4所示）。

圖4 材料對比

壓鑄鎂合金材料具有重量輕，零件集成化程度高，尺寸精度高，設(shè)計(jì)靈活，百分百回收利用的特點(diǎn)，能夠很好地起到減重的效果，如圖5。

圖5 鎂合金儀表板橫梁

1.4 激光拼焊及熱成形技術(shù)的應(yīng)用

目前激光焊接生產(chǎn)線已大規(guī)模出現(xiàn)在汽車制造業(yè)，成為汽車制造業(yè)突出的成就之一。激光拼焊是同一個(gè)零件不同部位，可以實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度、不同厚度的材料拼焊，是較好地實(shí)現(xiàn)減少零件數(shù)量，減少模具套數(shù)，降低重量的技術(shù)。激光拼焊還可以實(shí)現(xiàn)異形料片剪裁拼焊，提升材料利用率。如圖6，前縱梁采用激光拼焊，達(dá)到了輕量化的目的。

圖6 前縱梁

超高強(qiáng)度鋼（抗拉強(qiáng)度達(dá)1 500 MPa以上），有效提高碰撞性能，零件集成度高，成形性好，尺寸精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)車身輕量化。常規(guī)的冷沖壓幾乎無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件成形，可以采用熱成形技術(shù)[3]。歐洲典型車熱成形件應(yīng)用情況如圖7。

圖7 歐洲典型車熱成形件應(yīng)用情況

我司熱成形技術(shù)已應(yīng)用于A柱、B柱、縱梁加強(qiáng)板等零件。例如B柱采用熱成形技術(shù)，重量降低25%，如圖8。

圖8 熱成形技術(shù)

2 白車身輕量化技術(shù)研究方向

（1）對于應(yīng)用現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以在具體項(xiàng)目開發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)。

（2）輕量化關(guān)鍵技術(shù)是多材料整體設(shè)計(jì)技術(shù)。針對傳統(tǒng)車型和新能源車型應(yīng)用的輕量化技術(shù)特點(diǎn)，開展設(shè)計(jì)-材料-工藝一體化設(shè)計(jì)模型與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、零部件評價(jià)等技術(shù)研究。

（3）研究超高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等多種材料混合應(yīng)用技術(shù)，以及應(yīng)用這些技術(shù)必需的連接技術(shù)，以達(dá)到“合適的材料用在合適的部位”[4]的目標(biāo)。

（4）管制車身結(jié)構(gòu)是基于沖壓與焊接技術(shù)來實(shí)現(xiàn)其車身結(jié)構(gòu)，越來越多的液壓管材成型技術(shù)也正在投入使用中，液壓成型管材技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)減重，結(jié)構(gòu)整合，簡化工藝程序的目標(biāo)，是未來白車身輕量化技術(shù)的研究方向，如圖9。

圖9 管制結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)論

本文主要闡述了實(shí)現(xiàn)白車身輕量化的主要途徑，并在實(shí)際車型中得以應(yīng)用。在滿足車身強(qiáng)度、剛度、NVH等性能要求的前提下，達(dá)到了降低車身重量的目的，大大提升了車身開發(fā)能力和輕量化技術(shù)水平。白車身輕量化對于降低汽車燃油消耗和減少排放污染起著舉足輕重的作用，未來輕質(zhì)材料及新工藝的應(yīng)用將是白車身輕量化的重要研究課題。

[1] 趙桂虎.淺談白車身輕量化[J].中國科技博覽,2018(33):132.

[2] 汪濤.車身輕量化設(shè)計(jì)分析[J].時(shí)代汽車,2019(18):82-83.

[3] 王立成,王松,湯湧.輕量化車身減重設(shè)計(jì)研究[J].汽車實(shí)用技術(shù), 2020(14):59-61.

[4] 王磊,劉瑩,喬鑫.基于正向開發(fā)流程的車身輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車工程學(xué)報(bào),2015,5(06):461-465.

Case Study on Lightweight Design of Body in White

XU Haixia, LI Kun

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute BIW Section, Liaoning Shenyang 110141 )

The lightweight design of BIW can reduce the vehicle's curb weight, reduce the fuel consumption, save energy and reduce environmental pollution, which is a great significance in the automobile manufacturing industry. This paper introduces the application of BIW lightweight technology from the aspects of structural design optimization, new materials and new technology of a certain vehicle, and briefly describes the research direction of BIW lightweight technology.

Body in white; Lightweight; Design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.032

U463.82

A

1671-7988(2021)21-123-03

U463.82

A

1671-7988(2021)21-123-03

徐海霞，就職于華晨汽車工程研究院白車身工程室，主要從事白車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。