汽车轻量化研究*

周伟 苏世荣 储胜林 梁媛媛 王浩

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心）

汽车轻量化设计是目前国内外研究的热门课题，大量的研究手段和方法被应用到汽车的结构设计中。近些年随着汽车保有量的增加，汽车产品产生的环保、安全和油耗等问题日益突出，汽车排放的COx，NOx，HC是造成空气污染的重要因素[1]。大量试验表明，汽车的质量每减少100 kg，油耗将减少0.4～1 L/100 km，汽车质量每减少10%，燃油消耗可降低6%～8%，同时车辆废气排放量也明显降低[2]。因此世界各大主机厂和零部件制造厂投入大量资源进行轻量化技术研究。

1 汽车轻量化的效果

1.1 降低油耗和减少排放

汽车质量的降低使汽车滚动阻力、加速阻力、爬坡阻力减小，从而降低了燃油消耗；如果动力性能保持不变，通过恰当的齿轮传动比还可以使燃油消耗进一步降低。

1.2 改善性能

汽车轻量化可以有效改善汽车的性能，主要体现为：1）汽车质量减轻后，车身质心降低，汽车行驶更加稳定、舒适，加速性能以及转动和振动部件的NVH性能都有明显的改善；2）汽车质量减轻使制动距离缩短，碰撞惯性和碰撞时动量也得以减小，降低了对汽车的损害，提高了汽车的主动安全性；3）动力总成质量减轻可以改善前轮轴荷，进而改善汽车操纵稳定性；4）轮辋、制动钳等质量减轻可以改善簧下质量，从而提高汽车乘坐舒适性。

2 汽车轻量化实施途径

1）采用体积质量低、强度高的新型材料。高强度钢：高强度钢对汽车轻量化的发展起着重要作用，研究表明，当钢板厚度分别减小0.05，0.10，0.15 mm时，白车身的质量将分别减轻6%，12%，18%[3]；铝合金：铝合金的体积质量为钢的1/3，与其他材料相比轻量化效果好、耐腐蚀性强，广泛应用于发动机、传动系统、车身和底盘部件[4]；镁合金：镁合金的体积质量为1.8 g/cm3，比铝还轻1/3，镁合金在座椅和仪表板骨架等部件上有广泛应用；工程塑料：塑料具有体积质量小、耐腐蚀、防振、隔声、隔热等特性，工程塑料应用在汽车内外饰件、仪表、电子电气和冷却系统以及车身覆盖件等[5]。

2）继续采用钢材，通过对结构进行拓扑、形貌和尺寸优化来减轻质量。拓扑优化也称结构布局优化，是在设计空间中寻找最佳的结构形式或最优的传力路径，提高材料的利用率，达到优化性能和减轻质量的效果；形貌优化既可改变结构的尺寸，也可改变结构的形状，在满足设计要求的前提下优化结构的边界形状，从而改善性能和减轻质量；尺寸优化设计是在给定结构的类型、材料、拓扑结构的情况下，优化结构截面尺寸，使结构质量最轻、体积最小[6]。

3）采用新型的轻量化制造工艺，如液压成型技术、激光拼焊、热成型冲压、差厚板冲压、半固态金属铸造等。液压成型技术在车身、底盘、发动机等领域有广泛的应用，如液压成型副车架、扭转梁等[7]。

3 汽车轻量化案例

3.1 客车车身轻量化

客车车身是客车重要的承载体，其质量占客车总质量的30%～40%，车身的轻量化对减轻整车质量有着重要的意义。文章研究的车身由管梁焊接而成，车身与底架纵梁通过焊接连接在一起，构成了半承载式车身结构。

3.1.1 建立拓扑优化模型

对车身结构进行拓扑优化设计的第1步需要定义拓扑优化的设计区域。定义拓扑设计区域的基本原则是尽可能选大的区域作为设计空间，以充分挖掘拓扑优化的潜力。定义拓扑优化区域后进行网格划分，赋予单元格材料属性。车身拓扑优化空间，如图1所示。

图1 客车车身拓扑优化空间

3.1.2 拓扑优化设计

客车车身承受的载荷较复杂，主要有弯曲载荷、扭转载荷、纵向载荷和侧向载荷。弯曲载荷主要是车身、车载设备、乘客及行李等的质量；扭转载荷主要由行驶路面不平对车身非对称支承引起；纵向载荷主要由制动、加速时产生的惯性力引起；侧向载荷主要是客车转向时的离心力和侧向风的作用力。弯曲载荷在客车行驶中自始至终都存在，扭转载荷在客车行驶时也普遍存在，而纵向载荷和侧向载荷只在少数工况下才产生。因此弯曲载荷和扭转载荷是对大客车性能影响较大的载荷，以这2种载荷工况对车身进行拓扑优化设计[8]。

由于车身结构是对称的，因此对拓扑空间进行对称性约束，经过拓扑优化迭代得到车身拓扑优化云图，如图2所示。图2表示的是单元相对密度，其中深蓝色表示相对密度值小的单元，是要去除材料的部分；红色表示相对密度大的单元，是需要保留材料的部分。从优化结果可以看出：载荷传递路径明显，左右侧围都有明显的传力大梁，并且与裙部立柱相接，有利于力的传递，不易产生应力集中现象。比较2种工况的拓扑优化结果，在左右侧围和行李架处有相同的传递路径，说明左右侧围和行李架传力特性与工况没有明显的联系。弯曲工况在车身顶棚位置处没有出现明显的保留材料部分，主要原因是弯曲工况的载荷是垂直方向的；而扭转工况有扭转载荷，车身顶棚出现了比较清晰的交叉的横梁。

图2 客车车身拓扑优化密度云图

3.1.3 优化前后性能对比

根据车身拓扑优化云图设计新车身结构，但车身骨架构件截面参数不进行优化，与原结构保持一致。由拓扑优化结果设计新车身结构时要遵循一定的原则：1）尽可能用直杆件代替拓扑优化中的弯曲部分；2）尽可能多地使车身构件相互连接，形成封闭环形，以提高力的传递效率；3）尽可能使车身构件形成三角形结构，因为三角形结构稳定性好，三角形多的车身结构刚度更高。车身局部由拓扑云图到3D结构的拓扑优化设计结构，如图3所示。优化后的车身整体结构，如图4所示。

图3 客车车身局部拓扑优化设计结构演变图

图4 新客车车身结构

经拓扑优化设计的新车身质量为2 231 kg，比原车身减轻了244 kg，减重效果较明显。对新车身性能进行有限元分析，并与原车身进行对比，如表1所示。从表1可以看出，车身弯曲刚度、扭转刚度以及各阶模态特性都有提升，说明经拓扑优化设计的轻量化车身性能优于原车身。

表1 拓扑优化前后客车车身性能对比

3.2 乘用车扭力梁轻量化

3.2.1 扭力梁结构对比分析

普通的扭力梁横梁常采用V形或U形冲压单层板，为了增加扭转刚度，在V形或U形凹槽内嵌入一根稳定杆，如图5所示。这种结构不仅零部件数量多，而且焊接搭接多易产生焊接应力集中现象，导致疲劳损坏。随着液压成型技术的成熟及产业化推广应用，将空心管液压成型为双层V形截面作为扭力梁的横梁，只需对V形截面特性进行适当设计就可以得到满意的扭转刚度，因此稳定杆及加强板就被取消了，如图6所示。液压成型横梁的扭力梁由于零部件数量以及搭接焊接的减少，其质量不仅大大降低（降低4.2 kg），而且可靠性有明显提升，表2示出改进前后的扭力梁零部件对比。

图5 普通乘用车扭力梁结构

图6 液压成型的乘用车扭力梁结构

表2 改进前后乘用车扭力梁零部件对比

3.2.2 性能对比分析

建立扭力梁式半独立悬架刚柔耦合多体动力学模型，如图7所示。对改进前后扭力梁式悬架进行动力学仿真对比分析，具体仿真结果，如表3所示。从表3可以看出，4种工况的外倾角变化率、前束变化率、轮距变化率等都有微小的改善趋势，因此液压成型扭力梁在动力学性能不降低的情况下降低了质量。

图7 乘用车扭力梁式悬架刚柔耦合动力学模型

表3 乘用车扭力梁式悬架改进前后动力学性能对比

3.2.3 强度对比分析

对改进前后的扭力梁进行强度仿真对比分析，如图8和表4所示。

图8扭力梁转弯工况应力云图截图

表4 改进前后乘用车扭力梁强度对比 MPa

从图8和表4可以看出，改进后扭力梁最大应力小于原结构，改进后扭力梁强度得到明显的改善。

4 结论

面对汽车工业的快速发展，节能、环保等现实形势日益严峻，减轻汽车质量与节能减排已成为汽车技术进步的重要课题。而汽车轻量化的内涵应是在保证汽车质量和功能不受影响的前提下，最大限度地减轻部件的质量、降低燃耗、减少排放。同时汽车的价格应当下降或保持在合理水平，即汽车轻量化技术应当是兼顾质量、性能、价格的技术。

拓扑优化技术越来越多地应用于车辆概念设计阶段，通过拓扑优化使材料布局达到最优，提高了材料的利用率。文章对客车车身进行拓扑优化设计后，车身质量降低了244 kg。有限元分析表明，优化后刚度、强度和模态等性能都有不同程度的提升。通过对普通扭力梁应用液压成型新技术，新扭力梁在整车动力学性能、扭力梁强度和刚度等性能不降低的前提下，实现质量减轻4.2 kg，取得了较好的减重效果，为其他车型产品轻量化设计提供了一定的借鉴和帮助。