轻量化技术在车身设计制造中的应用

徐昱 杨自斌 张继祥

摘 要：汽车轻量化能有效的降低汽车燃油消耗，是我国现阶段实现节能减排的重要手段。在保证汽车的强度、刚度、模态等性能优异的情况下通过运用材料应用轻量化、结构设计轻量化以及制造工艺轻量化等方法，尽可能地降低汽车的整备质量，提高汽车的动力性、操控性和车身安全性，达到节能减排的目的。

关键词：轻量化;车身;安全;节能减排中图分类号：U463.82

文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）04-64-04

前言

经有关研究表明，汽车自重每降低10%，可降低燃油消耗6%～8%，减少co²排放13%^[1]，通过以上数据我们可以知道汽车轻量化对降低燃油消耗具有显著的成效，并且《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中也明确指出发展新能源汽车要着力突破材料和结构的轻量化技术^[2]。2012年1月1日，强制性国家标准《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》（GB 27999--201 1）执行，旨在“推动我国汽車节能技术革新，鼓励车辆小型化和轻量化，进一步降低乘用车单车燃料消耗量水平，使我国乘用车平均燃料消耗量水平在2015年下降至7 L/100km左右。”根据以上的政策文件可以看出，轻量化仍是我国现阶段实现节能减排目标最为重要的手段之一。

白车身的重量占到汽车整车重量中的30%-60%，在汽车正常行驶的过程中，其中70%的燃油消耗在白车身上^[3]。所以汽车轻量化的关键就是降低白车身重量，另外白车身的重量的减轻，导致汽车动力系统功率的需求也相应降低，使得汽车动力部件的尺寸随之减小，这样部分汽车零部件的质量随之变轻;与此同时，车身的轻量化可以给消费者带来更好的操控性，所以白车身轻量化技术在汽车轻量化技术中起到了至关重要的作用。本文对白车身轻量化的现状、方法、要求、发展趋势以及安全性进行综述。

1 白车身轻量化的现状与未来前景

现今，各大车企都在进行车身轻量化研究，白车身（BIW）轻量化技术就是在保证汽车的成本不变，强度、刚度、模态以及安全性能不降低的前提下，通过不同材料的运用及轻量化的设计理念来设计车身，尽可能地降低车身质量，从而提高汽车的动力性和操控性，减少燃料消耗，降低排气污染，并非偷工减料的做法。

随着科技的发展，轻量化材料和技术层出不穷。高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料等是当前常见和应用较多的轻量化材料。各种材料自身的属性和工艺技术水平决定了它们的应用范围和推广难度。车身轻量化研发过程中需要根据轻量化材料不同的优势去应用不同的材料，从而以材料组合的形式应用到车身。另外计算机技术的发展，车身CAE技术应运而生， CAE仿真优化功能可以对目标车身进行强度、刚度、模态等车身性能等的模拟验算分析，依据模拟分析结果，降低白车身重量，从而降低多次车身实验带来的成本。

未来，随着新能源汽车销量的不断攀升，各国争相加大了对新能源汽车技术的研究力度，我国要利用新能源汽车技术实现汽车领域的弯道超车，关键在于提高新能源汽车的续航里程，而汽车轻量化成为解决该问题的重要途径，其中车身轻量化将是未来新能源汽车发展的重点方向。

2 白车身轻量化方法

汽车轻量化主要有三种实现途径，分别是材料应用的轻量化、结构设计轻量化以及制造工艺轻量化，其中材料应用轻量化是效果最好最快的选择。如图1所示。

2.1 材料应用的轻量化

车身不同的部位对材料的刚度、强度等性能有着不同的要求，根据不同的需求采用不同的材料来达到所需的性能。而材料轻量化就是在保证性能满足要求的前提下采用质量较小的高性能材料代替原来所用的材料。比如用高强度钢材来代替厚重的普通钢材、大量使用铝以及铝合金的材料，这些材料的使用能在汽车碰撞时，有效的提高汽车车身刚度，车身抗冲击能力，同时有效的降低车身重量。目前主要的轻量化材料主要有高强度钢、铝合金、以及复合材料等。

2.1.1 高强度钢

高强度钢是近年来应用在车身制造上的材料之一。它是依靠自身超高抗变形强度等级来减薄钢板厚度和质量，以此代替原本的普通钢材。出于研发效率、整车成本等因素，加上高强度钢的高性价比、成熟的制造技术和成型经验，使得更多车企在车身轻量化材料技术上更多的采用高强度钢。高强度钢主要用于车身的前防撞梁、下车体纵梁、中央通道、地板横梁、AB柱、车门防撞梁等驾驶乘坐舱关键部位。图2为某车型的车门防撞梁，该车型的白车身共使用了64%的高强度钢打造。

2.1.2 铝合金

在材料应用轻量化领域中，铝合金因其较低的密度、较高的比强度以及比刚度，较好的弹性和抗冲击性能、耐腐蚀性、耐磨性、高导电性、易加工成型、高回收再生性等优异性能，加上巨大的存量，使得它成为一种非常理想的汽车轻量化材料。铝合金的用量在汽车领域正逐渐增加，而且类型多样化，有成为未来车身主材的趋势。目前铝合金材料在欧美、日本等发达国家已经广泛应用。图3为某美系车型白车身，其车身采用了75%的铝材打造，车身重量仅为1474kg。

2.1.3 复合材料

复合材料主要是由两种或两种以上不同性质的材料组成，复合后的性能要比单一的材料优秀不少。值得一提的是碳纤维复合材料，这种材料不仅质量轻，强度更是钢材的数倍，同时它还有很好的耐热性、耐腐蚀性，是理想的汽车轻量化材料，在赛车、超跑上使用较多。图4为某车型碳纤维车身。

2.2 制造工艺轻量化

制造轻量化材料往往需要先进的制造工艺，例如高强度高和铝合金等轻质材料，如果采用传统的冲压成型工艺来制造，会造成回弹大的缺点，因此，针对不同的轻量化材料需要采用相应的先进成形制造工艺来完成。

目前轻量化材料制造工艺主要分为先进的制造工艺和连接技术。

2.2.1 先进的制造工艺

目前比较先进的制造工艺主要有液压成型技术、TRB技术（差厚板技术）、热冲压成形技术等，如图5所示。

其中值得一提的是有许多车型采用了TRB差厚板的工艺技术，这种技术通过工程师们对零部件的受力情况和结构进行优化分析后设计制造出一张具有不同厚度的板材，相比等厚度的板材，差厚板不仅减少了材料用量，同时还实现了力学性能的合理分布，在减轻重量的同时实现了力学性能的提高。

2.2.2 先进的连接工艺

先进的连接工艺主要有激光焊接技术、锁铆连接技术、结构胶粘接技术等，其中激光焊接技术日益成熟，广泛的应用到了各大汽车企业，如图6所示。

从20世纪80年代开始，激光焊接技术开始运用于汽车车身制造领域。激光技术采用集中在聚焦装置中巨大能量的光束，使工件在瞬间熔化，从而实现焊接过程。

激光焊接技术主要用于车身不等厚板的拼焊和车身焊接，对实现多种材料混合使用的轻量化车身有着很重要的作用。激光焊接主要用于车身框架结构的焊接，例如顶盖与侧围的焊接，通过激光焊接技术提高车身的装配精度，使车身刚度提升30%，从而提高车身安全性;降低汽车车身制造过程中的冲压和装配成本，减少车身零件的数目，提高车身一体化程度，进而减轻车身重量。

2.3 结构设计轻量化

通过优化车身造型设计来实现汽车轻量化也是非常靠谱的方法，主要由车身结构优化设计和汽车实体结构布局设计这两种方式来实现。

2.3.1 车身结构优化设计

车身结构优化设计是重要的轻量化方法，也在众多车企中被设计师们所青睐，它能在已有车身结构的基础上尽量少增加成本达到比较理想的车身性能效果。车身优化设计这种轻量化方法结合了设计概念和理论来对车身设计方案进行优化，在结构形状优化设计时，对车内空间结构合理优化，使车内布局达到最佳，并且将汽车的结构加强，用更加先进的碰撞吸能结构来保证乘客的安全，以及行人的安全。在保证各方面性能不降低的前提下最大限度的减少车身零部件使用，已达到轻量化的目的，图6为某车型白车身优化后的结构图。

2.3.2 车身结构布局

随着信息技术的不断进步，计算机辅助优化工具应运而生，它不仅能提高车辆研发效率还能降低研发成本。通过CAD对汽车结构布局进行设计，用仿真软件模拟实车，对整车进行分析，得到零部件的安置情况以及选择合适的轻量化材料。在对整车设计完成以后，可以通过CAE分析轻量化材料是否达到预期的各项性能指标，确保在车身重量减轻后，这辆车还是一辆安全的车。

3 轻量化技术背后汽车安全的关键

消费者抱怨自己的车身蒙皮钢板薄，通过这来验证车辆的安全性能。其实不然，真正决定车辆碰撞安全强度的还是车辆自身的车身结构，在碰撞发生的过程中由不同的车身区域进行能量的吸收和传递，从而保证驾驶舱的坚固不变形，即便是在大家心目中车身蒙皮钢板厚实的欧美车系，在碰撞发生过程中领先的仍旧是车身结构，而非钢板厚度。

汽车的底盘在交通事故中是最重要的吸能部分。好的底盘结构可以快速、合理的传递能量，从而降低乘员在碰撞中的伤害，图7为日本某汽车品牌新老车型底盘的对比图，该车型运用轻量化技术相比上代车型实现车身减重8%。通过图看出，旧车型底盘只设计了两条能量传输路径，而全新的车型在靠近车辆传动轴区域的对角线位置另外加入了一条纵梁，增加了能量传递路线，形成了三条能量传输路径，从而更有效地吸收冲撞能量，加固底盘刚度。经过测试，底盘加固后的全新车型在绝大多数细分项目测试中拿到了优秀成绩。

4 总结

汽车轻量化对降低燃油消耗具有显著的成效，是我国现阶段实现节能减排的重要手段，其中白车身轻量化技术在汽车轻量化技术中起到了至关重要的作用。汽车白车身轻量化技术主要包括材料应用的轻量化、结构设计轻量化以及制造工艺轻量化等方法，其中车身结构优化设计技术的应用不仅实现了汽车白车身輕量化、白车身实验成本最小化，而且增强了汽车白车身的结构强度，提高了汽车的安全性。通过运用汽车白车身轻量化技术在保证汽车的强度、刚度、模态等性能不降低的情况下，尽可能地降低汽车的整备质量，提高汽车的动力性、操控性和车身安全性，达到节能减排的目的。

参考文献

[1] JOHN S.World vehicle population tops l billion units[EB/OL]. 2011（08）.

[2] 国务院.国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定[EB/OL].2010（10）.

[3] 田浩彬，林建平，刘瑞同，等.汽车车身轻量化及其相关成形技术综述[J].汽车工程，2005，27（3）：382-355.