乘用車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)研究與實(shí)踐

王艷杰

[摘 要]在汽車工業(yè)飛速發(fā)展的今天，節(jié)約資源、減少環(huán)境污染、保證行車安全成為了世界汽車工業(yè)界亟待解決的三大問題，汽車輕量化是應(yīng)對(duì)這三大問題的有效手段和方法。汽車重量的減輕不僅可以減少原材料成本，減少汽車行駛阻力和燃油消耗，而且對(duì)提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低汽車的有害氣體排放也至關(guān)重要。本文主要對(duì)乘用車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究分析。

[關(guān)鍵詞]車身結(jié)構(gòu) 零部件 輕量化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP393.08 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）01-0271-01

引言

實(shí)現(xiàn)汽車輕量化主要有三種途徑：一是對(duì)汽車底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要采用前輪驅(qū)動(dòng)、高剛性結(jié)構(gòu)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等方法；二是在使用材料方面通過材料替代或采用新材料來使汽車輕量化。在替代材料方面，可使用鋁、鎂輕合金等有色金屬材料、塑料聚合物材料、陶瓷材料等密度小、強(qiáng)度高的輕質(zhì)材料，或者使用同密度、同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強(qiáng)度鋼；三是采用先進(jìn)的制造工藝，使用基于新材料加工技術(shù)而成的輕量化結(jié)構(gòu)用材，如連續(xù)擠壓變截面型材、金屬基復(fù)合材料板、激光焊接板材等，也可以達(dá)到輕量化目的。

一、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)外汽車輕量化技術(shù)發(fā)展迅速，主要的輕量化措施是輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析，設(shè)計(jì)已經(jīng)融合到了汽車設(shè)計(jì)的前期。輕質(zhì)材料在汽車上的應(yīng)用，包括鋁、鎂、高強(qiáng)度鋼、復(fù)合材料、塑料等，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的裝配、制造、防腐、連接等工藝的研究應(yīng)用融為一體。在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，利用CAD/CAE/CAM 一體化技術(shù)起著非常重要的作用，涵蓋了汽車設(shè)計(jì)和制造的各個(gè)環(huán)節(jié)。運(yùn)用這些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計(jì)、制造。輕量化的手段之一就是對(duì)汽車總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車零部件的精簡(jiǎn)、整體化和輕質(zhì)化。利用CAD/CAE/CAM 一體化技術(shù)，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)車身實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局設(shè)計(jì)，對(duì)各構(gòu)件的開頭配置、板材厚度的變化進(jìn)行分析，并可從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取由系統(tǒng)直接生成的有關(guān)該車的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行工程分析和剛度、強(qiáng)度計(jì)算。

具體結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)有以下3 個(gè)方面：

（1）通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小車身骨架及車身鋼板的質(zhì)量，對(duì)車身強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，確保汽車在滿足性能的前提下減輕自重。如采用優(yōu)化設(shè)計(jì)除去零部件的冗余部分（使零部件薄壁化、中空化），部件零件化、復(fù)合化以減少零件數(shù)量，設(shè)計(jì)全新的結(jié)構(gòu)等；

（2）通過結(jié)構(gòu)的小型化，促進(jìn)汽車輕量化，主要通過其主要功能部件在同等使用性能不變的情況下，縮小尺寸；

（3）采取運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)方式的變化來達(dá)到目的。比如采用轎車發(fā)動(dòng)機(jī)前置、前輪驅(qū)動(dòng)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等，使結(jié)構(gòu)更緊湊，或采取發(fā)動(dòng)機(jī)后置、后輪驅(qū)動(dòng)的方式，達(dá)到使整車局部變小，實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。

二、使用新型材料

據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車車身、底盤（含懸架系統(tǒng)）、發(fā)動(dòng)機(jī)三大件約占一輛轎車總重量的65%以上。其中車身內(nèi)外覆蓋件的重量又居首位。因此減少汽車白車身重量對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗和減少汽車總重量具有雙重的效應(yīng)。為此，首先應(yīng)該在白車身制造材料方面尋找突破口。具體可以有如下幾種方案：

（1）使用密度小、強(qiáng)度高的輕質(zhì)材料，像鋁鎂合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；

（2）使用同密度、同彈性模量而且工藝性能好的截面厚度較薄的高強(qiáng)度鋼；

（3）使用基于新材料加工技術(shù)的輕量化結(jié)構(gòu)用材，如連續(xù)擠壓變截面型材、金屬基復(fù)合材料板、激光焊接板材等。

2.1 有色合金材料

鋁具有良好的機(jī)械性能，其密度只有鋼鐵的1.8/3，機(jī)械加工性能比鐵高4.5 倍，耐腐蝕性、導(dǎo)熱性好。其合金還具有高強(qiáng)度、易回收、吸能性好等特點(diǎn)。汽車工業(yè)運(yùn)用最多的是鑄造鋁合金和形變鋁合金。運(yùn)用形變鋁材制造車身面板的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，包括發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱罩、車門、翼子板等。保險(xiǎn)杠、輪轂和汽車結(jié)構(gòu)零件也廣泛使用鋁合金材料。運(yùn)用鋁合金也面臨不少問題，比如，鋁合金加工難度比鋼材高，成型性還需繼續(xù)改善；由于鋁導(dǎo)熱性好，導(dǎo)致鋁合金的焊接性能差；鋁鑄件中不可避免地存在缺陷，壓鑄件還不能熱處理，因此在用鋁合金來生產(chǎn)要求較高強(qiáng)度鑄件時(shí)受到限制，為此在鑄件生產(chǎn)工藝上作了改進(jìn)，鑄造鍛造法和半固態(tài)成型法將是未來較多采用的工藝；不能像鋼板那樣采用磁力搬運(yùn)等。其中，關(guān)鍵是成本問題，目前鋁價(jià)還比較高，成本控制對(duì)鋁合金的運(yùn)用非常重要。

鎂合金具有與鋁合金相似的性能，但是鎂的密度更低，它們的密度之比為1.8：3，是當(dāng)前最理想、重量最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，因而成為汽車減輕自重、以提高其節(jié)能性和環(huán)保性的首選材料。但其鑄造性差，后處理工藝復(fù)雜，成本高。我國(guó)的鎂資源非常豐富，儲(chǔ)量占世界首位。但是國(guó)內(nèi)用量很少，尤其汽車行業(yè)用量極少，因此前景非常廣闊。而西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)鋁基、鎂基的金屬基復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用，已達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化階段。

2.2 高強(qiáng)度鋼

用高強(qiáng)度鋼替代原使用材料，能適當(dāng)減小零件尺寸。世界上廣泛通過進(jìn)一步提高合金鋼、彈簧鋼、不銹鋼等鋼種的比強(qiáng)度和比剛度，以及粉末冶金配件具有的多孔密度低、精度高、成本低等特點(diǎn)，來作為汽車輕量化的措施。采用高強(qiáng)度鋼板在等強(qiáng)度設(shè)計(jì)條件下可以減少板厚，但是車身零件選定鋼板厚度大都以元件剛度為基準(zhǔn)，因此實(shí)際板厚減少率不一定能達(dá)到鋼板強(qiáng)度的增加率，不可能大幅度地減輕車重。高強(qiáng)度鋼板在汽車上應(yīng)用的目的主要有3 點(diǎn)，增加構(gòu)件的變形抗力、提高能量吸收能力和擴(kuò)大彈性應(yīng)變區(qū)。由于運(yùn)用高強(qiáng)度鋼板的經(jīng)濟(jì)性和相對(duì)容易性，因此應(yīng)大力提倡在汽車上運(yùn)用高強(qiáng)度鋼板?，F(xiàn)在各國(guó)都在加速高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼在汽車車身、底盤、懸架、轉(zhuǎn)向等零部件上的運(yùn)用。

三、塑料和復(fù)合材料

與相同結(jié)構(gòu)性能的鋼材相比，塑料和復(fù)合材料一般可減輕部件的重量在35%左右。低密度與超低密度片狀成型復(fù)合材料的發(fā)展提供了更多的潛力，在重量減輕與強(qiáng)度方面達(dá)到甚至超過了鋁材，整體成本通常更低。塑料是由非金屬為主的有機(jī)物組成的，具有密度小、成型性好、耐腐蝕、防振、隔音隔熱等性能，同時(shí)又具有金屬鋼板不具備的外觀色澤和觸感。目前，塑料大都使用在汽車的內(nèi)外飾件上，如儀表板、車門內(nèi)板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護(hù)板、側(cè)圍內(nèi)襯板、車門防撞條、扶手、車窗、散熱器罩、座椅支架等。而后逐漸向結(jié)構(gòu)件和功能件擴(kuò)展。例如發(fā)電機(jī)及其相關(guān)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。塑料也在向制作車身覆蓋件方向發(fā)展。復(fù)合材料即纖維增強(qiáng)塑料，是一種增強(qiáng)纖維和塑料復(fù)合而成的材料。常用的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復(fù)合材料。增強(qiáng)用的纖維除玻璃外，還有高級(jí)的碳纖維、合成纖維。復(fù)合材料作為汽車材料具有很多優(yōu)點(diǎn)：密度小、設(shè)計(jì)靈活美觀、易設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu)、耐腐蝕、隔熱隔電、耐沖擊、抗振等。

四、其他輕量化材料

精細(xì)陶瓷是繼金屬、塑料之后發(fā)展起來的第3 大類材料。其發(fā)展史只有20 年左右，但具有優(yōu)良的力學(xué)性能（高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損等）和化學(xué)性能（耐熱沖擊、耐氧化、蠕變等）。作為輕量化材料用于汽車零件，不僅直接起到輕量化的作用，更因其優(yōu)良的耐熱性、耐腐蝕性和耐磨性，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室及熱交換器等零件，使功率提高，油耗大大下降，從節(jié)能角度看則間接地起到輕量化效果。蜂窩夾層材料是早已在飛機(jī)上采用的材料，其最大特點(diǎn)是剛性高、比強(qiáng)度高、密度低。目前應(yīng)用在汽車上的實(shí)例還不多，但應(yīng)用研究在不斷前進(jìn)，將來會(huì)較多地得到運(yùn)用。

五、結(jié)束語

雖然在目前看來汽車工業(yè)短期內(nèi)不會(huì)在減重方面出現(xiàn)革命性突破，但是由于我們?cè)诓粩嗟嘏?，人們?shí)際上正在一步步接近制造出輕量廉價(jià)的新一代汽車的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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