汽车车身轻量化节能技术

陈岩

(广东福迪汽车有限公司，广东 佛山 528225)

1 轻量化节能技术意义

用于改进汽车能源消耗的技术，就是节能技术。2004年国家颁布首个油耗强制性国家标准—— 《乘用车燃料消耗量限值》，目的就是要降低汽车的燃油消耗。在汽车开发方面，降低汽车能耗的主要措施有两条:(1)改进汽车动力系统;(2)开发轻量化车身。当前，动力系统的性能已经达到相当高的水平，进一步提高性能变得越来越难，而车身轻量化的潜力却非常大，因而在全球范围内得到普遍的重视［1］。车身轻量化具有以下意义:

(1)减少燃油消耗、尾气排放

据测算，一辆车若减重10%，可相对减少6%～8%的燃油消耗，节能明显。同时，汽车的尾气排放也相应减少，资料表明，汽车每减重1 kg，每年可少排放尾气0.8 kg。

(2)提高动力性能

发动机的功率主要消耗在克服汽车行驶阻力上，行驶阻力由空气阻力、滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力等组成。在行驶时除空气阻力外其他阻力均与整车的总重量成正比，所以，减轻汽车自重，能减少以上3种阻力，提高汽车动力性能。

(3)提升车辆操控稳定性

车辆轻量化可以减小车轮和路面的总摩擦力，降低惯性力，便于驾驶，降低阻力转向的能耗。

(4)提高汽车安全性能

随着汽车重量的减轻，汽车在行驶中的惯性减小，所以制动距离减小，发生碰撞的机会减少。即使发生碰撞，由于汽车的重量轻，惯性减小，碰撞冲击减小，危害性随之降低，安全性提高。

(5)促进新材料新工艺的研发

轻量化技术将大量使用新型材料，尤其对铝合金、镁金属、高强度钢板、复合材料、塑料等在材料性能、加工性、工艺性方面将提出新的、更高的要求。目前，国外的汽车厂商，如福特、通用、大众等，已经在车身上大量使用铝合金，部分高档车型已经开始使用全铝车身，而我国在此方面的技术还很落后，轻量化车身技术的研究将给新材料的研究提供良好的机会。

(6)推动电动汽车产业的发展［2］

轻量化车身不仅可以广泛用于传统汽车，更是电动汽车不可或缺的重要组成部分。可以看到，世界上各种新型电动汽车的开发，例如燃料汽车、太阳能汽车、电动汽车、混合燃料汽车，都伴随着轻量化车身的开发，因为这些新型汽车的构成原理不同，都不能直接应用传统汽车的车身，而必须针对性开发新车身。

2 国内外发展现状与趋势

车身轻量化技术仍然掌握在传统的汽车强国和地区——美国、欧洲、日本，几十年来，他们通过立法，对汽车的能耗和排放提出严格的标准，从而促进汽车技术进步，其中包括轻量化技术的发展。例如，美国能源部与三大汽车公司合作提出新一代汽车共同开发计划(PNGV-Partnership for a New Generation of Vehicles)，侧重于车体结构与动力系统的轻量化，表1是美国PNGV汽车计划的质量减轻目标。

表1 美国PNGV汽车计划的质量减轻目标

目前，车身轻量化技术研究主要集中在新材料、新工艺、新设计3个方面。但是无论采用什么方法和技术，车身轻量化过程中，人们必须解决好以下3个基本矛盾:

(1)降低车身质量不能影响汽车构架的强度和刚度;

(2)应用新材料不能增加汽车制造成本;

(3)应用新材料不能增加汽车使用维修成本。

据通用发表的数据表明，1997年一辆汽车的黑色金属占整车总质量的71%、中高强度钢占3%、铝合金占3%、其他占18%、塑料及复合材料占5%，但是到2004年，黑色金属占有量明显下降，中高强度钢的应用大幅度提高，例如美国PNGVClass计划所开发的概念车车体及外围构件全部采用高强度钢，其中，85%采用新型高强度钢，该车在2004年通过美国的正面和侧面碰撞安全性能测试，同时通过了欧洲混合碰撞的评估，并于2005年10月获得了由美国节能联盟颁发的“能源之星杰出表现奖”。福特2005年两款非常受欢迎的Ford500和freestyle都大量采用高强度钢。

铝质材料在汽车上的应用典范代表是奥迪车系，奥迪A8已经实现全铝车身，是规模生产的很好典范。1989年本田跑车NSX也是使用全铝制车架，此外，宝马5系和7系的铝质悬架，日产Altima的发动机罩和轮毂、法拉利612车身都是铝制车身。国产汽车要达到国外同类车水平，汽车用铝增加是必然趋势［3］。

国内在车身轻量化技术上的基础较薄弱，在电动汽车轻量化车身开发方面才刚起步。在国内，特别是在广东，已经开始具备一些重要的相关技术基础条件。

(1)先进制造技术

经过“九五”CIMS工程和“十五”制造业信息化工程，先进制造技术在企业获广泛应用，广东制造业信息化水平居国内前列，广东地区的高校和研究机构也对一系列先进设计技术开展了深入研究，掌握了三维CAD技术、有限元技术、动力学仿真技术、反求工程技术、快速原型技术等先进的设计与制造技术。

(2)铝合金型材制造

广东是国内最大的铝型材制造大省，拥有国内最先进的铝型材加工技术和设备。虽然目前的主要产品是面向建筑行业，但是该行业也密切关注航天、航空、汽车行业中的先进铝合金技术的发展，并开始尝试应用开发，例如凤铝铝业为航天运载工具提供了技术支持。

(3)焊接工艺

广东地区的一些重型制造业在焊接技术方面的基础扎实，例如广重企业集团具备大型复杂零部件和成套装备的焊接能力，其中包括铝合金的焊接;黄埔船厂也在舰船和水下潜艇中大量采用铝合金焊接工艺;北京航天部研究所引进了世界先进水平的搅拌摩擦焊技术和装备，并且和广东兴发铝型材厂合作，开展该先进工艺在汽车生产中的应用。

(4)塑料成型工艺

随着塑料制品的普遍应用，塑料成型技术不断进步。目前国内在塑料成型技术与装备方面已经接近世界水平。

3 轻量化节能技术的路线

轻量化车身从开发设计阶段就要打下良好的轻量化基础，主要从紧凑型设计、结构优化计算以及材料轻量化等方面开展研究。在制造工艺方面主要是采用激光拼焊板、深拉延件和液压成形、轻量化的铸件，先进的点焊和激光拼焊等连接技术，以及铝合金板材的自铆技术和翻边连接技术，热成形与液压成形技术以及滚压成形技术;解决高强度零件的成形，减少零件数量，减少结构的焊点，提高零件的性能。在材料技术方面，采用高强度钢和先进高强度钢、铝合金与镁合金、不同材料的复合应用技术、纤维增强复合材料的应用等，最终达到开发时间最短、成本最低和白车身性价比最佳化的目标。

3.1 轻量化结构设计

开发设计车体和部件更趋合理化的中空型结构。主要途径就是在结构上采用“以空代实”，即对于承受以弯曲或扭转载荷为主的构件，采用空心结构取代实心结构，同时优化结构布局，使之更加紧凑，这样既可以减轻质量，节约材料，又可以充分利用材料的强度和刚度。

通过CAD来优化设计汽车结构，减少车身质量和钢板厚度，使部件薄壁化、中空化，小型化及复合化达到轻量化目的，采用CAE技术计算汽车强度和刚度，确保加强整车的性能。

结合工业设计，制作外形比例模型并进行风动实验，结合数字模拟技术优化整车外形，目的是降低风阻系数，并获得良好的覆盖件外形。

覆盖件结构设计:根据车身覆盖件要满足的功能，以及它与车门、车架等其他零部件的联接方案，来开展覆盖件的结构设计;采用反求工程和曲面CAD技术构造曲面模型;采用三维CAD技术构造覆盖件的结构模型;采用有限元技术进行重要覆盖件的结构计算，优化结果。

覆盖件与车架的联接方案设计:综合考虑联接的可靠性、振动性、密封性、装配性等因素，实现一种可快捷拆卸、更换的联接方案。

3.2 轻量化材料及热成型技术

车身覆盖件轻量化中常采用的材料有高强度钢板、镀锌钢板、复合钢板、铝合金、复合材料等。高强度钢板目前主要的先进成型制造技术包括热冲压成型、液压成型、激光拼焊成型、管材内高压成型等。

热成型技术广泛应用于国外汽车上的各类强度高达1500 MPa的汽车前后保险杠、保安件和碰撞件的加强件，为汽车轻量化和提高安全性做出了突出贡献。根据有关资料记载，德国大众汽车公司在其开发的PassatB6车型中就对大部分车身零件采用了热冲压成形技术，其典型应用为侧边防撞杆，前后保险杠防撞梁、横梁和边梁，A、B、C柱增强件和腰部导轨增强件等。

【1】朱平，张宁，葛龙，林忠钦．基于正面耐撞性仿真的轿车车身材料轻量化研究［J］．机械工程学报，2005，41(9):207 －212．

【2】李秀芬，黄妙华．轻型材料在电动汽车上的应用与发展［J］．汽车工艺与材料，2006(7):7－8．

【3】肖军．现代轿车全铝车身的研究进展［J］．上海有色金属，2006，27(1):24－28．