汽車車身輕量化設(shè)計探討

楊楊 蔣慶慶

摘 要：隨著社會的不斷發(fā)展，汽車在人們的生活中所占的地位也越來越重要，而汽車車身輕量化是未來汽車的發(fā)展趨勢，因此汽車企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)汽車車輛輕量化的優(yōu)化設(shè)計。文章通過對汽車車身輕量化發(fā)展的現(xiàn)狀進(jìn)行了解，然后提出在這個發(fā)展過程中仍存在的一些問題，并對汽車車身輕量化優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：汽車；車身；輕量化；設(shè)計

能源消耗過快和環(huán)保形勢日趨嚴(yán)峻的今天，輕量化設(shè)計是汽車設(shè)計發(fā)展不可避免的趨勢，所帶來的效果也是非常直觀而有效。在汽車車身輕量化設(shè)計的過程中，我們要轉(zhuǎn)變理念，不斷的創(chuàng)新和研究新型材料，實(shí)現(xiàn)車身輕量化的要求和安全性的保障，為汽車的現(xiàn)代化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 汽車輕量化的理論和意義

難道說輕量化就一定會使安全性下降嗎？那要看減少的鋼板厚度是不是減到了點(diǎn)子上，單從車身鋼板的角度來講，蒙皮鋼板由于對車身安全起不到有效作用，所以對于這部分的“肥肉”而言，甩掉一部分反而更好，而發(fā)動機(jī)蓋板上的蒙皮鋼板更不宜過厚，過厚會影響到正面撞擊時的潰縮吸能能力，反而會對乘員安全造成影響。汽車輕量化的概念就是在保證汽車車體的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)以及碰撞性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性和安全性，減少燃料消耗，降低排氣污染。世界各國均在推行強(qiáng)制汽車制造商降低汽車油耗的政策。有研究數(shù)據(jù)顯示，汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽車整車重量，每減少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6升，CO2排放量可減少約5g/km。由此可見，汽車輕量化可以提高燃油效率和降低油耗，進(jìn)而環(huán)保節(jié)能。所以，汽車輕量化已成為汽車企業(yè)的共識。如果不能保證行駛安全，汽車再輕再省油，沒有誰敢開。如果追求絕對的安全和耐撞，那就只能開重達(dá)數(shù)十噸的坦克，忍受每小時數(shù)百升的耗油量。因此輕量化是汽車制造的趨勢，目前輕量化主要是減少汽車自重，但是，車身作為汽車的主要承載件，需要保證足夠的剛度、強(qiáng)度和疲勞耐久性能，從而使整車具有良好的安全、振動噪音和耐久性能，而輕量化無疑對上述要素提出了更高的要求，這對倒逼汽車制造技術(shù)升級換代無疑是一大刺激。

2汽車車身輕量化發(fā)展現(xiàn)狀

世界上第一輛汽車誕生于1886年，到目前為止已經(jīng)經(jīng)歷了一百多年的發(fā)展，汽車在現(xiàn)代社會中扮演著重要角色，成為人們生活中必不可缺的工具。隨著人們的生活水平不斷提高，對汽車的要求也愈來愈高，在滿足人們最基本的需求上逐漸增加汽車的安全性、舒適度、輕量化、信息化等方面的要求。而這些要求中，汽車車身的輕量化是最為重要的，從而達(dá)到環(huán)保的目的。在影響汽車耗油量的因素當(dāng)中，汽車輕量化在該方面就顯得尤為突出，能夠大大降低燃油的消耗量。另外，汽車車身的輕量化讓駕駛者更便于操控汽車，并增加了操縱的穩(wěn)定性，當(dāng)發(fā)生碰撞的時候，汽車車身輕量化也保證了其安全性。

現(xiàn)代汽車對車身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的時候應(yīng)當(dāng)著重考慮其輕量化。目前以輕量化為目標(biāo)的汽車車身優(yōu)化設(shè)計一般采用的是現(xiàn)代設(shè)計方案，或者是在保證汽車性能的條件下，對汽車大量使用輕質(zhì)新型材料。這樣設(shè)計出來的汽車就能達(dá)到輕量化的目的，同時降低了能源消耗，提高安全性及環(huán)保性等。

3汽車輕量化的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)

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

3.1 優(yōu)化車聲結(jié)構(gòu)，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(qiáng)筋；加強(qiáng)防滾架平衡桿；有限元法設(shè)計；采用承載式車身，減薄車身板料厚度等。

3.2 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。

3.3 新材料的研發(fā)與應(yīng)用

比如使用高強(qiáng)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(chǔ)，常見的評判指標(biāo)有車身扭轉(zhuǎn)剛度等。剛度與材料的彈性模量相關(guān)，基本上材料種類確定，彈性模量也就確定了，比如采用高強(qiáng)鋼并不會提升車身的剛性，因為鋼的彈性模量都一樣。

3.3.1 碳纖維

越來越多的新車上市，其中標(biāo)榜的一項特點(diǎn)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(fù)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(lǐng)域的應(yīng)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(xué)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(fù)合材料抗拉強(qiáng)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(xiàn)出很高的強(qiáng)度，其耐沖擊性卻較差，容易損傷，所以在制造成為結(jié)構(gòu)組件時，往往利用其耐拉質(zhì)輕的優(yōu)勢而避免去做承受側(cè)面沖擊的部分。

3.3.2 結(jié)構(gòu)膠

再比如結(jié)構(gòu)膠，過去烘烤硬化結(jié)構(gòu)膠只在車身上有少量應(yīng)用，但是現(xiàn)在的趨勢是可以通過采用更多的結(jié)構(gòu)膠提升車身剛度性能，從而降低結(jié)構(gòu)件的重量，奧迪、沃爾沃的一些車身上采用了超過100米的結(jié)構(gòu)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(qiáng)板形式的加強(qiáng)件，即提升性能，又降低重量。

3.3.3 鎂合金

鎂合金是工程應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)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(qiáng)度也比鋁合金、鋼鐵高。因此在不降低零部件強(qiáng)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(jī)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(yīng)用于儀表盤基座、風(fēng)扇架、方向盤軸、燈托架等汽車零部件中。工程塑料具有質(zhì)輕、防銹、吸震、可設(shè)計自由大等特點(diǎn)，工程塑料在汽車零部件，特別是內(nèi)飾部件的應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)計出最優(yōu)的車身結(jié)構(gòu)。與此同時，大量的新材料新工藝也在幫助車身降低重量。

4汽車車身輕量化方法

4.1 汽車零部件輕量化的方法

為了達(dá)到汽車車身輕量化的目的，應(yīng)當(dāng)從其根本著手，實(shí)現(xiàn)汽車零部件的輕量化將對汽車車身的輕量化有著非常大的幫助。實(shí)現(xiàn)汽車零部件輕量化的方法大致可以分為四個方面。第一，汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對汽車零部件設(shè)計的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化與安全性的結(jié)合。并增加駕駛的舒適度，使新型汽車車身與傳統(tǒng)相比，更耐腐蝕，使用年限增加，在對汽車零部件設(shè)計創(chuàng)新的時候，也應(yīng)當(dāng)注意下生產(chǎn)時的成本問題，從而達(dá)到提高汽車零部件的設(shè)計水平的目標(biāo)；第二，在對汽車零部件進(jìn)行設(shè)計的時候，應(yīng)當(dāng)依據(jù)相關(guān)的準(zhǔn)則，并對相關(guān)汽車零部件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，在保持原本零部件性能不降低的情況下，盡可能將輕量化材料應(yīng)用到汽車車身上，有的零部件相對較厚，這時候可以采用高強(qiáng)度的輕量化材料將其替代，從而在汽車零部件的材料方面達(dá)到汽車車身輕量化的目的；第三，在對汽車車身設(shè)計的時候，可以引進(jìn)先進(jìn)的制造工藝，從而最大程度上實(shí)現(xiàn)汽車車身輕量化。

4.2 基于設(shè)計的汽車輕量化方法

通過一些相關(guān)資料來看，國外汽車行業(yè)的技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)汽車車身輕量化主要是從開發(fā)技術(shù)方案及輕量化汽車結(jié)構(gòu)形狀入手。國外技術(shù)人員結(jié)合設(shè)計概念與理論，對設(shè)計方案進(jìn)行創(chuàng)新；在對汽車結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行設(shè)計的時候，有限考慮汽車內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行合理優(yōu)化，使汽車內(nèi)部的布局達(dá)到最佳狀態(tài)，這樣就能最大程度上減少汽車車身上的零部件，從而達(dá)到汽車車身輕量化的目的。

5結(jié)束語

汽車輕量化是近幾年行業(yè)內(nèi)一直熱議的話題，各大廠商在推出換代產(chǎn)品時，經(jīng)常會宣稱相對上一代產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了整車質(zhì)量減重XX公斤。這對消費(fèi)者的傳統(tǒng)觀念是一種挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)消費(fèi)者對于車身的重量有很大的執(zhí)念，并不能很快接受駕駛感官實(shí)際主要與底盤和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的調(diào)教，以及空氣動力學(xué)等因素有關(guān)，與車重并不是直接劃等號的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]范子杰，桂良進(jìn)，蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2017，01：1-16.

[2]馬鳴圖，易紅亮，路洪洲，萬鑫銘.論汽車輕量化[J].中國工程科學(xué)，2018，09：20-27.

[3]魯春艷.汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其實(shí)施途徑[J].上海汽車，2017，06：28-31.