鋁合金乘用車車身平臺設計與開發(fā)

肖榮光

（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003）

0 引言

汽車平臺開發(fā)技術在國外已經(jīng)發(fā)展成熟，近年來隨著國內(nèi)汽車技術進步及零部件供應鏈逐步健全，自主品牌相繼建立了自有的開發(fā)平臺[1]。鋁合金車身技術是車身輕量化設計的重要途徑，隨著新能源汽車的市場份額逐年擴大，鋁合金材料將更多地應用到車身設計與開發(fā)領域。未來的車身材料應用不僅僅局限于普通鋼、高強鋼，將更多地加入鋁合金、碳纖維。新材料的應用給原有車身設計與開發(fā)規(guī)程帶來新的變化，包含材料類型、連接技術、結構設計等多方面的新技術新工藝。無論何種材料的應用，車身平臺開發(fā)的大趨勢不可逆轉(zhuǎn)，因此以鋁合金材料為主的車身平臺設計與開發(fā)順應時代潮流。本文依托公司近年來承接的鋁合金車身開發(fā)項目，結合國內(nèi)外先進的開發(fā)案例，論述了鋁合金車身平臺的優(yōu)勢，以及設計與開發(fā)過程中的關鍵點。

1 鋁合金車身平臺概述

鋁合金車身平臺是以平臺技術為大背景的車身設計和開發(fā)策略，全部或部分關重零部件使用鋁合金材料，具備平臺可延展屬性。目前，鋁合金材料在全新平臺電動汽車上的應用非常豐富，結構形式存在三大主要類型：1）鋁合金鑄件。代表零部件有減震器塔座、各類連接件、副車架等。2）鋁合金型材。代表零部件有前后防撞梁、機艙縱梁、門檻梁、座椅橫梁、電池包框架等。3）鋁合金板材。代表零部件有前壁板、地板、裙板、各類封板、電池包蓋板等。

鋁合金車身平臺設計與開發(fā)涵蓋兩大方面的內(nèi)容：一方面是平臺設計技術內(nèi)容，概述為運用合適的平臺策略通過合理的布置設計達成模塊化、通用化設計的目的；另一方面是鋁合金車身制造技術內(nèi)容（如圖1），概述為運用合適的鋁合金材料并通過合理的工藝手段達成鋁合金車身結構設計的目的。鋁合金乘用車車身平臺設計與開發(fā)是龐大的系統(tǒng)工程，限于篇幅，本文僅從三方面內(nèi)容進行設計要點論述,分別是平臺技術方向的平臺布置設計、車身技術方向的連接鑄件和型材斷面設計。

圖1 鋁合金車身制造技術內(nèi)容

2 鋁合金車身平臺優(yōu)勢

2.1 輕量化優(yōu)勢

鋁合金車身平臺首要優(yōu)勢是鋁合金材料的應用實現(xiàn)了車身輕量化，本文以某中大型純電動SUV鋁合金車身為例，進行輕量化優(yōu)勢說明。整車車格尺寸為4900 mm×1920 mm×1750 mm，其白車身設計主要技術參數(shù)如表1所示，其主要零部件材料應用類型如表2所示。

表1 某SUV鋁合金白車身設計主要技術參數(shù)

表2 某SUV鋁合金白車身主要零部件材料應用類型

達成如表1所示的白車身設計參數(shù)目標，采用“上鋼下鋁”的設計方案（如圖2），其總質(zhì)量為332 kg。如進一步實現(xiàn)輕量化設計，保留使用熱成型鋼和高強度鋼，將普通鋼板替換為鋁合金板材，依據(jù)經(jīng)驗及結構拓撲方法進行材料厚度設計，實現(xiàn)近似“全鋁”的設計方案（如圖3），其總質(zhì)量為298 kg。

圖2 某SUV鋁合金白車身“上鋼下鋁”設計方案

圖3 某SUV鋁合金白車身“全鋁”設計方案

對比車格尺寸同級的鋼制白車身，其總質(zhì)量通常為460 kg左右。白車身由上車體和下車體兩部分組成。以“上鋼下鋁”及“全鋁”兩種設計方案與車格尺寸同級的鋼制白車身進行減重率對比分析，結果如圖4所示。顯而易見，不論使用哪種材料應用設計方案，鋁合金車身輕量化優(yōu)勢非常顯著。

圖4 材料應用設計方案減重率對比

2.2 結構簡化優(yōu)勢

車身平臺設計以下車體為關鍵要素，下車體由梁、支柱、結構加強件、小型支架、封板等構件組成，其結構適合采用鋁合金型材、鑄件、板材。應用鋁合金車身技術，使得原有復雜鋼制鈑金拼焊車身結構得到簡化。以前地板為例，原鋼制結構前地板由16個主要沖壓零部件拼焊而成，而應用鋁型材和鋁板結構的前地板，主要零部件縮減到9個，而且各零部件型面規(guī)則，易于制造，如圖5所示。減少的零部件數(shù)量及規(guī)則的型面意味著模、夾、檢具制造成本的降低。因此，僅從工裝成本而言，結構的簡化給鋁合金車身技術帶來明顯的制造成本優(yōu)勢。

圖5 鋁合金前地板結構簡化對比

2.3 延展成本優(yōu)勢

下車體與造型相關度小，與底盤布置相關度大，在底盤平臺帶寬范圍內(nèi)延展，可以實現(xiàn)最小范圍的變更。鋁合金車身平臺梁系廣泛使用型材，因為型材采用的是擠出工藝，加長和縮短沒有模具的投入，具有得天獨厚的成本優(yōu)勢。如圖6所示，某A00級電動汽車鋁合金下車體框架結構采用鋁合金型材與鑄件組合，軸距變更時僅需調(diào)整縱梁中段長度；輪距變更時，僅需調(diào)整各個橫梁寬度，對封板結構進行適應性加長或加寬。因此，鋁合金車身技術應用到同平臺多車型開發(fā)過程中，零部件模塊化、通用化效果顯著，可有效降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。

圖6 某A00車身平臺延展策略

3 鋁合金車身平臺設計要點

3.1 平臺布置設計

目前鋁合金車身主要應用于全新電動汽車平臺設計開發(fā)中，相比傳統(tǒng)燃油汽車平臺設計以零部件最大通用化率為主要設計目標而言，有著更深層次的設計需求。全新電動汽車平臺設計目標以最大效率發(fā)揮整車關鍵性能，如續(xù)航里程、碰撞安全、熱能管理、底盤行駛等性能為主。目前，驅(qū)動系統(tǒng)的集成化和模塊化為新材料的應用和輕量化設計創(chuàng)造有利條件。舉例說明：如圖7所示，采用鋁合金型材結構的縱梁，因型材不能Z向折彎，轉(zhuǎn)向拉桿包絡和傳動軸包絡決定了縱梁最低位置。如圖8所示，得益于電驅(qū)動總成靈活布置，例如反置，并將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)前置，驅(qū)動軸位置縱梁挖缺避讓，可以實現(xiàn)縱梁離地高度的降低?？v梁離地高度降低，縱梁與門檻梁高差縮小，碰撞傳力更為集中，能有效規(guī)避碰撞過程中縱梁根部失穩(wěn)的問題[2]。特斯拉model、蔚來ES8車型鋁合金車身設計中均有類似的結構應用。鋁合金車身因結構設計、材料性能、工藝要求等各方面因素，有著更強烈的空間需求。因此，各系統(tǒng)零部件應集成化設計并最優(yōu)化布置，為車身平臺設計創(chuàng)造有利空間條件。

圖7 傳統(tǒng)機艙布置架構示意

圖8 創(chuàng)新機艙布置架構示意

3.2 連接鑄件設計

連接鑄件設計對鋁合金車身剛度、強度、碰撞能量吸收、平臺空間布局，關鍵點位精度起到至關重要的影響。鋁合金車身平臺下車體共計分布六大鑄件，分別是左右減震器塔座鑄件、左右前縱梁連接鑄件、左右后縱梁連接鑄件。傳統(tǒng)鋼制車身鈑金隨形避讓能力強。型材的加工是擠出工藝，折彎和回彈控制是生產(chǎn)工藝的難點。車體作為裝配基體，焊裝精度要求較高，應避免型材3D彎曲。在連接部位（如前縱梁和門檻梁部位的連接），鋁合金鑄件的使用就尤為必要[3]。在連接鑄件設計過程中可以采用結構拓撲方法進行彎曲、扭轉(zhuǎn)、前碰、側(cè)碰等單一工況和由單一工況疊加的多種復合工況加載分析。首先根據(jù)鑄件周邊布置條件和搭接需求確定初始設計邊界；然后按照應變最小原則，得出各種工況下連接鑄件加強筋的分布情況；最后綜合考慮成型要求，確定加強筋分布和厚度[4]。在連接鑄件設計和開發(fā)過程中，需特別重視碰撞安全性能指標分析。如圖9所示，某SUV鋁合金車身在ODB碰撞仿真分析中，縱梁根部鑄件位置出現(xiàn)嚴重折彎。造成該問題的原因有兩個：1）碰撞后期型材很難繼續(xù)在截面方向被壓潰，吸能效果減弱；2）如圖10、圖11對比所示，新能源鋁合金車身因電池包布置需求取消了兩條地板縱梁及多條加強橫梁，傳力路徑縮減，碰撞力由縱梁經(jīng)鑄件直接傳遞給門檻梁，加之車身平臺設計存在縱梁與門檻梁高差過大的缺點。兩方面因素共同導致連接鑄件失穩(wěn)折彎問題的發(fā)生?？朔鲜鰡栴}，需對連接鑄件進行結構加強，甚至新建加強件以應對應力集中，上述方式屬于打補丁的策略，質(zhì)量成本均有增加。本文所倡導的是在鋁合金車身平臺設計伊始，盡可能地降低縱梁離地高度，減小縱梁與門檻梁高差，以優(yōu)化碰撞力傳力路徑，避免上述問題的發(fā)生。

圖9 某鋁合金車身SUV碰撞仿真連接鑄件失穩(wěn)

圖10 燃油鋼制車身碰撞傳力路徑

圖11 新能源鋁車身碰撞傳力路徑

3.3 型材截面設計

鋁合金車身平臺設計中，型材用量最大，規(guī)格最多。車身用材型大部分以6系鋁合金為主，少數(shù)部位，如前防撞梁使用7系高強度鋁合金[5]。型材截面設計需滿足模具要求，精度要求，輕量化要求，剛度、強度要求，碰撞安全要求等。首先根據(jù)型材周邊布置條件和搭接需求確定截面邊界；然后對于型材內(nèi)加強筋的設計可以采用結構拓撲方法進行單一工況和復合工況的加載分析，得出各工況下加強筋的最優(yōu)化分布；最后根據(jù)安裝需求和成型要求，確定型材截面形狀和厚度[4]。需要指出的是，當設計積累較多時，可總結形成鋁合金型材截面庫和規(guī)格庫，以模塊化的方式提高設計效率和降低開發(fā)成本，體現(xiàn)平臺設計與開發(fā)的宗旨。

4 結語

本文論述了鋁合金車體平臺設計與開發(fā)的概念、優(yōu)勢，并著重介紹其設計要點。對標國內(nèi)外新型的鋁合金縱梁結構并在平臺布置層面進行剖析。鋁合金鑄件和型材是車身的主要梁系和接頭結構，是車身承載力的主要部件，針對二者設計思路及方法，進行了簡要的論述。對于在鑄件結構碰撞安全性能開發(fā)領域所遇到的問題，基于設計經(jīng)驗，結合平臺布置設計內(nèi)容，著力強調(diào)降低縱梁離地高度，減小縱梁與門檻梁高差的規(guī)避措施。本文所呈現(xiàn)的鋁合金車體平臺設計與開發(fā)內(nèi)容具備一定的工程參考意義。