汽车车身轻量化设计探讨

刘海亮 刘鹏凯

摘 要：汽車轻量化越来越多的被人们所熟知，但是轻量化到底是什么，汽车车身轻量化设计的发展目前是一个什么情况，轻量化有什么优势，这将是本文的主要研究内容。

关键词：汽车；车身；轻量化；设计

汽车轻量化是近几年行业内一直热议的话题，各大厂商在推出换代产品时，经常会宣称相对上一代产品实现了整车质量减重XX公斤。这对消费者的传统观念是一种挑战，传统消费者对于车身的重量有很大的执念，并不能很快接受驾驶感官实际主要与底盘和转向系统的调教，以及空气动力学等因素有关，与车重并不是直接划等号的关系。

1 汽车轻量化的理论和意义

难道说轻量化就一定会使安全性下降吗？那要看减少的钢板厚度是不是减到了点子上，单从车身钢板的角度来讲，蒙皮钢板由于对车身安全起不到有效作用，所以对于这部分的“肥肉”而言，甩掉一部分反而更好，而发动机盖板上的蒙皮钢板更不宜过厚，过厚会影响到正面撞击时的溃缩吸能能力，反而会对乘员安全造成影响。汽车轻量化的概念就是在保证汽车车体的强度、刚度、模态以及碰撞性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性和安全性，减少燃料消耗，降低排气污染。世界各国均在推行强制汽车制造商降低汽车油耗的政策。有研究数据显示，汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽车整车重量，每减少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6升，CO2排放量可减少约5g/km。由此可见，汽车轻量化可以提高燃油效率和降低油耗，进而环保节能。所以，汽车轻量化已成为汽车企业的共识。如果不能保证行驶安全，汽车再轻再省油，没有谁敢开。如果追求绝对的安全和耐撞，那就只能开重达数十吨的坦克，忍受每小时数百升的耗油量。因此轻量化是汽车制造的趋势，目前轻量化主要是减少汽车自重，但是，车身作为汽车的主要承载件，需要保证足够的刚度、强度和疲劳耐久性能，从而使整车具有良好的安全、振动噪音和耐久性能，而轻量化无疑对上述要素提出了更高的要求，这对倒逼汽车制造技术升级换代无疑是一大刺激。

2 汽车轻量化的设计和实现

在目前车身设计中高度智能化、仿真精度高的三维设计软件的辅助下，车身设计目前实现轻量化的最主要的两种方法：一种是用密度相近，但是强度更高的钢材去替换低强度的厚钢板；一种是用密度更小，强度更高的复合材料去替换低强度的厚钢板。

2.1 优化车声结构，提高材料利用率

比如车身下部由非连续性改为连续性，使得汽车在碰撞时有效分散撞击能量；增加加强筋；加强防滚架平衡杆；有限元法设计；采用承载式车身，减薄车身板料厚度等。

2.2 优化制造工艺

比如激光焊接、搅拌摩擦焊、挤压成型、热处理、锁锚连接等。

2.3 新材料的研发与应用

比如使用高强度钢材（热成型钢材）、轻合金（铝合金、碳纤维、镁合金）、记忆金属（微晶钢）、工程塑料、陶瓷、玻璃纤维等。刚度指的是材料抵抗外力变形的能力，通常在车身开发中特指材料在屈服前的弹性特性，良好的刚度是整车NVH性能、车辆动力性能和疲劳耐久性能的基础，常见的评判指标有车身扭转刚度等。刚度与材料的弹性模量相关，基本上材料种类确定，弹性模量也就确定了，比如采用高强钢并不会提升车身的刚性，因为钢的弹性模量都一样。

2.3.1 碳纤维

越来越多的新车上市，其中标榜的一项特点便是车身轻量化，而我们听到最多的一个词就是"碳纤维"。碳纤维又称碳化纤维，泛指一些以碳纤维编织或多层复合而成的材料。因为它又轻又坚硬，所以它的用途很广泛。碳纤维在汽车领域的应用率先从赛车开始，近年来在民用汽车中得到了广泛的引用。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000～43000Mpa也高于钢。但碳纤维材料也只是沿纤维轴方向表现出很高的强度，其耐冲击性却较差，容易损伤，所以在制造成为结构组件时，往往利用其耐拉质轻的优势而避免去做承受侧面冲击的部分。

2.3.2 结构胶

再比如结构胶，过去烘烤硬化结构胶只在车身上有少量应用，但是现在的趋势是可以通过采用更多的结构胶提升车身刚度性能，从而降低结构件的重量，奥迪、沃尔沃的一些车身上采用了超过100米的结构胶；再比如填充在车身接头的发泡硬化材料，可以有效替代传统加强板形式的加强件，即提升性能，又降低重量。2.3.3 镁合金

镁合金是工程应用中最轻的结构材料，也是汽车轻量化材料中的一员。纯镁的密度仅为铝的2/3，钢的1/4，接近工程塑料的密度。而且镁合金的比强度也比铝合金、钢铁高。因此在不降低零部件强度条件下，镁合金铸件比铝铸件的重量减轻大约25%。此外，镁合金还有良好的焊接和铸造性能、对振动与冲击的吸收性能好，抗凹陷性能好，易于机械加工。但是由于价格较高和高温抗蠕变问题尚未得到有效解决，镁合金目前主要应用于仪表盘基座、风扇架、方向盘轴、灯托架等汽车零部件中。工程塑料具有质轻、防锈、吸震、可设计自由大等特点，工程塑料在汽车零部件，特别是内饰部件的应用越来越大。工程塑料在汽车上的用量，甚至超过了铸铁的用量。很多塑料零件应用于车身上，比如大众系的车子都采用了塑料的前端水箱框架，有些车子有塑料的后地板等等。

可见目前几乎所有的优化设计的思路都是在保持车身性能不下降的前提下降低车身重量，通过给定的工况下求出载荷的最佳传递路径，从而设计出最优的车身结构。与此同时，大量的新材料新工艺也在帮助车身降低重量。

3 结束语

综上所述，能源消耗过快和环保形势日趋严峻的今天，轻量化设计是汽车设计发展不可避免的趋势，所带来的效果也是非常直观而有效。在汽车车身轻量化设计的过程中，我们要转变理念，不断的创新和研究新型材料，实现车身轻量化的要求和安全性的保障，为汽车的现代化发展奠定基础。

参考文献：

[1]范子杰，桂良进，苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报，2014，01：1-16.

[2]马鸣图，易红亮，路洪洲，万鑫铭.论汽车轻量化[J].中国工程科学，2009，09：20-27.

[3]鲁春艳.汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径[J].上海汽车，2007，06：28-31.