车身轻量化设计方法

车身轻量化设计方法

张书任石贤良

（长城汽车股份有限公司河北保定071000）

摘要：在现阶段的汽车制造中，节能减排越来越受到重视，轻量化是汽车节能减排的重要技术路径。车身轻量化相比其它性价比更高。文章探索了车身轻量化的技术路线，该技术路线通过轻量化设计、轻量化材料和轻量化工艺来实现。通过此方法的研究并在实际项目中得以应用，实现了在满足性能要求的情况下降低车身重量的目的，使车身轻量化技术水平和车身开发能力得到提升。

关键词：汽车；轻量化；优化设计

随着汽车设计技术水平的提高，轻质材料的推广，工艺制造水平的提高，通过合理的车身结构、新材料的应用、新工艺实施，以更低的重量，实现整车性能目标成为可能。

1车身轻量化概念

车身轻量化是指汽车在保证安全性、驾驶舒适性和抗震性等，且本身造价在可接受前提下，有目的地减轻汽车自身重量。整车开发是性能、成本、重量三要素的平衡。减重除成本外也受限于行业工艺水平的发展，因此随着行业的发展，轻量化在整车上持续不断地有所突破。车身轻量化评价系统主要包含:车身性能、车身重量和车身成本，通过三方综合评价可对车身轻量化水平进行科学、客观的评估。

2车身轻量化设计方法

2.1减轻白车身重量m

轻量化系数主要考核的是单位重量的白车身所实现的车身性能。在保证车身性能的前提下，降低白车身质量，可能通过如下途径实现。①提高高强度钢板用量，减少材料厚度。零件材料厚度的减少，必须提高材料强度，以保证零件可靠性。高强度钢板除了随着强度增加，冲压性能变差，回弹量大尺寸难以控制外，其优势如下：——高成型性，高强度及抗凹陷性；——屈服强度高，是能够减薄板厚，降低重量；——吸能性强，在减重的同时提高汽车安全性；——耐腐蚀性好，使用寿命长。——相对于传统340MPa的材料，600MPa级钢种的减重潜能约为20%。——经济性好，可以沿用原有的冲压设备及焊接设备。目前钢板车身已大量使用高强度钢板（包括高强度、超高强度和夹层减重钢板），可以在不增加成本的前提下，实现车身降重25%（以4门轿车为参照），且静态扭转刚度提高80%，静态弯曲刚度提高52%，车身强度极大的增加，满足全部碰撞法规要求。目前高强度钢主要应用在汽车安全件、底盘及车身等方面，特别是车身座舱的A、B柱，门槛，车顶边梁以及底盘中央通道等关键部位上，可以大幅度提高车辆保护车内人员安全的能力。②轻量化系数计算参数。白车身重量m。白车身性能的好坏，决定了整车的性能优劣。轻量化系数主要考核的是单位重量的白车身所实现的车身性能。正投影面积A。正投影面积=轮距×轴距。把轴距与轮距之间的正投影面积A来作为分母的加权项，主要原因如下：—车身弯曲和扭转刚度的激励主要来源于四个车轮；—不同级别车型之间整车尺寸的差异对车身性能的影响。③新材料使用实现汽车轻量化。在汽车实现轻量化的进程中，新材料已成为实现汽车轻量化的一个重要途径。通过新材料的使用，在实现轻量化的同时，还实现了汽车性能的提升。目前，替代的新材料主要有高强度钢、铝合金、镁合金和塑料复合材料。高强度钢的减重主要是依靠自身超高强度等级来代替普通的钢材，利用强度差来减薄钢板厚度，在提升汽车轻量化的同时，还提升了汽车安全性能。高强度钢主要用于安全件上，例如AB柱、车门防撞杆等关键部位。目前，欧美车身的高强度钢的应用比在55%以上，国内自主轿车的应用也达到了45%。铝合金的密度只有不锈钢的35%，作为轻量化材料目前已在汽车上得到了广泛的使用。根据研究数据，汽车中典型铝制零件一次减重可达30%～40%，二次减重可以提高到50%。目前主要是5系列和6系列的铝合金用到应用到汽车车身，它们具有质量轻、强度高、耐疲劳等特点，在相同低质量的情况下可提供更大的强度。目前奥迪A8和A2，捷豹XJ均以实现了全铝车身，国内的轿车全铝车身也在新能源电动车上实现。镁合金作为最轻的工程材料，较铝合金具有更低的密度。镁合金不仅是最适合铸造汽车零部件的材料，也是最有效的汽车轻量化材料。而镁合金鉴于种种原因没有得到大力推广和使用，目前使用的主要方式为铸造镁合金，已使用的汽车零部件有变速箱壳体、座椅框架和发动机托架等。目前，每辆汽美国车约使用3.8kg的镁合金，日本约使用9.3kg，欧洲已达到14kg，而国内平均仅1.5kg，仍有很大的发展空间。塑料复合材料主要是由两种或两种不同性质的材料组成，复合后的性能较单一材料有较大的提升，具有密度小，比强度高，抗腐蚀能力好等特点，被广泛用在汽车内饰和外装件上。其中碳纤维复合材料具有密度低、性能好、耐高温、耐腐蚀和耐疲劳等特点，重量是钢的四分之一，但是强度却是普通钢材的数倍。迈凯伦通过在MonoCell的底板上通过充分使用碳纤维强化树脂，将底盘的重量控制在75kg。在奔驰推出的SmartForvison概念车上，通过使用树脂制造，实现每个轮子减重3kg的效果。

2.2提高扭转刚度KTG

①增加板料厚度，提高车身扭转刚度经对零件扭转刚度敏感度分析发现，板材料厚的增加对零件的扭转刚度影响明显。但材料厚度的增加，对车身轻量化不利。此方法只适用于局部扭转刚度相对薄弱的单个零件进行调整。②不同车身结构的扭转刚度。对于非承载式车身，车身作为非承载零件与车架是分离的，它们之间是通过采用悬浮式三点或菱形悬置进行连接，来提高乘员舒适性，因此车身的扭转刚度比例相对较小，主要通过车架来抵抗变形。对于半承载式车身，车身和车架采用铆接、焊接或螺栓的方式进行多点硬性或有限弹性连接。因此，车身对车架扭转刚度贡献通常会达到车架的3～4倍。由于车身与车架共同作用抵抗变形，通常半承载式车身的扭转刚度＞承载式车身的扭转刚度。③车身接头刚度对整车安全、刚度及强度有重要的影响。车身结构中两个以上承载构件相互交叉连接的部位称为接头或节点。这些车身上的T形接头与其它承载件共同形成了一个牢固的车身承载结构。接头部位对结构的系统影响较大，应当保持足够的刚度。刚度不足，会导致局部区域出现大的变形，从而影响车和正常使用。在设计时，应保证接头尽量采用封闭盒状结构，加强接头处断面的结构设计与优化，保证接头的强度。

3车身结构设计优化应用

在车身结构设计方面，采用拓扑优化、参数化快速模型及多学科参数优化等方法，对白车身进行载荷传递路径设计、优化与验证。利用辅助开发工具和评价体系，通过整车集成式的优化手段来完成减重目标，优先考虑结构优化。在项目开发过程中，采用了同一个模型中同时考虑结构、碰撞、NVH等多工况要求的优化方法，使减重结果更易于在整车开发中实施，并且通过对整车布置的不断调整，以及结构设计形式的调整，使减重方案效率更高、更有利于低成本高质量地完成减重目标。

结语

综上所述，本文系统论述了车身的轻量化的设计方法与途径。车身轻量化设计的基础是在保证汽车的被动安全、刚度、噪声、振动和平顺性等性能提高或者不降低的前提下通过结构优化设计、轻量化材料的应用、材料厚度的减薄及合理的制造工艺等手段来实现的。

参考文献

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