汽車輕量化解決方案—全鋁車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、汽車輕量化解決方案全鋁車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)           伍成祁摘要： 解決汽車節(jié)能環(huán)保的問題，有提高傳統(tǒng)燃油發(fā)動機(jī)的能效、發(fā)展新能汽車、應(yīng)用輕量化技術(shù)三個方向。比較以上三種技術(shù)路線，在當(dāng)今發(fā)動機(jī)技術(shù)提升難度日益加大、動力電池效率不高的背景下，不論對傳統(tǒng)燃油汽車，還是新能源汽車，汽車輕量化技術(shù)都是一項(xiàng)共性的基礎(chǔ)技術(shù)。大力發(fā)展并推進(jìn)汽車輕量化技術(shù)，成為節(jié)能、減排的主導(dǎo)之一。而實(shí)現(xiàn)汽車輕量化技術(shù)又有三個技術(shù)途徑：一種“輕量化材料”要通過一種“輕量化工藝”來實(shí)現(xiàn)一種“輕量化結(jié)構(gòu)”。關(guān)

2、鍵詞：汽車輕量化 全鋁車身  型材截面優(yōu)化Stiffness Mass Efficient 由于世界能源的隨時枯竭與環(huán)境的日益惡化，世界各行各業(yè)都積極行動起來，根據(jù)政府的優(yōu)惠政策與民眾的強(qiáng)烈要求，在節(jié)能、環(huán)保方面進(jìn)行了高投入研發(fā)其高效節(jié)能、積極環(huán)保的產(chǎn)品。汽車產(chǎn)業(yè)首當(dāng)其沖，其汽車零部件的制造，遷聯(lián)到能源、鋼材、鋁材、合金、塑料、橡膠、玻璃、化工、機(jī)械、電器、信息等各行各業(yè)，對汽車節(jié)能環(huán)保的要求，就是對其它相關(guān)行業(yè)的要求。對汽車進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)的研究，要聯(lián)系相關(guān)行業(yè)的專業(yè)知識，進(jìn)行綜合性的研究。一、汽車輕量化的目的就汽車產(chǎn)業(yè)而言，根據(jù)汽車

3、產(chǎn)品的特點(diǎn)，降低油耗或提高燃油效率、減少或清潔排放對環(huán)境的污染，是節(jié)能環(huán)保研發(fā)的主要目的。從全球汽車產(chǎn)業(yè)來看，解決汽車節(jié)能環(huán)保問題主要采用以下三種方式：一是大力發(fā)展先進(jìn)發(fā)動機(jī)技術(shù)，通過對傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的改良和一系列汽車電子技術(shù)的應(yīng)用，來提高燃燒效率，改善燃油經(jīng)濟(jì)性。二是大力發(fā)展新能源汽車，通過研發(fā)先進(jìn)新型發(fā)動機(jī)技術(shù)和推廣使用氣體燃料、生物質(zhì)燃料、煤基燃料、高效電池等動力替代傳統(tǒng)能源來減少汽車燃油消耗和對石油資源的依賴。三是大力發(fā)展汽車輕量化技術(shù)，在保障汽車安全性和其他基本性能的前提下，通過減輕汽車自身重量降低能耗來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。比較以上三種技術(shù)路線，在當(dāng)今發(fā)動機(jī)技術(shù)提升難度日益加大、動力電池

4、效率不高的背景下，不論對傳統(tǒng)燃油汽車，還是新能源汽車，汽車輕量化技術(shù)都是一項(xiàng)共性的基礎(chǔ)技術(shù)。大力發(fā)展并推進(jìn)汽車輕量化技術(shù)，成為節(jié)能、減排的主導(dǎo)之一。汽車的輕量化，英文名：Lightweight of Automobile，涵義是“在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染?！笔澜绻?jié)能與環(huán)境協(xié)會的研究報(bào)告指出：汽車自重每減少10，燃油消耗可降低68，排放降低5%6%。而燃油消耗每減少1升，CO2排放量減少2.45kg。燃油消耗量減少不僅有利于節(jié)約能源，也可有效減少污染物排放。當(dāng)前，由于節(jié)能和環(huán)保的需要，汽車

5、的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。伴隨著技術(shù)進(jìn)步，制造汽車車身的材料已經(jīng)不僅僅是鋼鐵了，越來越多的新材料被應(yīng)用到車身的制作中。其中包括：玻璃鋼、鋁合金、碳纖維、塑料、高分子復(fù)合材料等等。這些相對于鋼鐵比重要低得多的輕質(zhì)材料，為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化成為了工程師們的考量選材。二、汽車輕量化的實(shí)施在實(shí)現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計(jì)時，首先必須要確保其整體汽車結(jié)構(gòu)達(dá)到國家的汽車安全標(biāo)準(zhǔn)，其次確保其使用性能達(dá)到或超越傳統(tǒng)鋼制車身的要求。汽車輕量化設(shè)計(jì)與整車的安全性是一對矛盾體，如果為了滿足各種法規(guī)的要求，保障乘員的安全，就應(yīng)提高車身結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度、側(cè)翻強(qiáng)度、碰撞吸能等特性；如果為了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性、減少排放等因

6、素考慮就應(yīng)減輕車身的質(zhì)量。因此汽車車身輕量化是在保證汽車整體性能不受影響、確保車身強(qiáng)度、剛度和模態(tài)等結(jié)構(gòu)特性要求的前提下，來減輕車身質(zhì)量的一種設(shè)計(jì)趨向。所以要求汽車輕量化設(shè)計(jì)要充分地從材料分析、結(jié)構(gòu)力學(xué)、生產(chǎn)工藝、人體工程、工業(yè)設(shè)計(jì)、交通運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)效益等眾多各不相同的學(xué)科緊密地聯(lián)系在一起進(jìn)行綜合性研究開發(fā)。汽車車身輕量化的實(shí)現(xiàn)，主要包括輕量化的材料使用和輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及輕量化的制造工藝這三個方面。前者是車身輕量化的主流，即采用輕量化的金屬和非金屬材料，主要是采用高強(qiáng)度鋼材、鋁鎂合金、工程塑料、碳纖維、新型玻璃、陶瓷和各種復(fù)合材料；后者是利用 “以結(jié)構(gòu)換強(qiáng)度”的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和有限

7、元分析等方法，通過改進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)，使部件薄壁化、中空化、小型化、模塊化及復(fù)合化等以減小車身骨架、車身蒙皮等零部件的質(zhì)量來達(dá)到輕量化目的。實(shí)際上兩者是緊密相連的，往往采用輕量化材料結(jié)合輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在性能不降低的前提下獲得汽車車身的輕量化。 但是，一種 輕量化材料結(jié)合輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，還需要一種優(yōu)良的制造工藝來保證其完善實(shí)施。也就是說一種輕量化材料要通過一種優(yōu)良的制造工藝來實(shí)現(xiàn)一種輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，輕量化制造工藝顯得特別重要?？傊囕p量化的實(shí)施，還需要通過試制樣車，進(jìn)行試驗(yàn)，總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對其輕量化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與完善。汽車車身輕量化設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括：型材截

8、面優(yōu)化、連接工藝優(yōu)化和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。型材截面優(yōu)化和連接工藝優(yōu)化，根據(jù)材料特性、受力分析、制造工藝等實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是在一定空間區(qū)域(骨架部件或結(jié)構(gòu)整體)內(nèi)尋求材料最合理分布的一種優(yōu)化方法。它的目標(biāo)是根據(jù)一定的準(zhǔn)則，在滿足各種約束條件下，在結(jié)構(gòu)上開孔、打洞，去除不必要的構(gòu)件和材料，使結(jié)構(gòu)在規(guī)定意義上達(dá)到最優(yōu)，表現(xiàn)為“用材最小、剛度最大”設(shè)計(jì)。由于拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)自由度大，所以通常用于設(shè)計(jì)初期和概念設(shè)計(jì)的階段。 三、車身的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)     車身的輕量化設(shè)計(jì)，需要根據(jù)不同的材料選擇合適的結(jié)構(gòu)形式。下面是最常用的幾種車身形

9、式，通過分析比較，選擇不同的輕量化處理方法。   1）、碳纖維車身結(jié)構(gòu)：碳纖維的密度要比鋼材低4倍左右，而強(qiáng)度和硬度都是鋼材的兩倍。雖然它很堅(jiān)韌，但有受力向度的問題，即整體中的某些部位不太能受力，根據(jù)其材料的特點(diǎn)必將車身設(shè)計(jì)成一體式整體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以營造極輕量的車身重量，但同時會有較大的發(fā)動機(jī)振蕩傳入車廂，其材料價格昂貴，手工張貼工藝效率低，報(bào)廢期后碳纖維無法回收利用。主要用于批量少的高端乘用車上。如蘭博基尼、法拉利等車上。2)、玻璃鋼車身結(jié)構(gòu)：玻璃鋼材料與碳纖維一樣，呈纖維布的形狀，其制作工藝大都采用手工張貼制作工藝，它集合了碳纖維所有的缺點(diǎn)，車身結(jié)構(gòu)只

10、能設(shè)計(jì)成一體式整體結(jié)構(gòu)，由于其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于碳纖維，一般只用汽車的零部件、外蒙皮等附件上。大客車的前后圍蒙皮常用玻璃鋼來制作，是因?yàn)榭蛙嚠a(chǎn)量少，蒙皮面積又大，不宜開模，只能適應(yīng)玻璃鋼的手工工藝。3)、鋁管式車身結(jié)構(gòu)。利用鋁材可擠壓成型材的特點(diǎn)，事先擠壓成各種所需截面的型材，此類車身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)大都是“骨架加蒙皮”（板梁式）的形式存在，如以奧迪R8全鋁車身為例，它們的ASF車身結(jié)構(gòu)在外型上基本是一體式鋁制蒙皮的構(gòu)造，鋁型材骨架本身已經(jīng)勾勒了車身的線條，與一體式車身稍有不同的是少了一些一體壓制的車身內(nèi)板件，取而代之的是增加大量的鋁型材結(jié)構(gòu)分布。根據(jù)奧迪公布的數(shù)據(jù)，使用全鋁車身ASF的R8比使用傳統(tǒng)一體式

11、鋼制車架的車輛能減輕高達(dá)40%的車架重量，與此同時整體車架的剛度也有40%的增加。而湖南南車時代設(shè)計(jì)的高鐵全鋁車身卻采用了骨架與蒙皮結(jié)合于一體的鋁型材結(jié)構(gòu)（型材式），其強(qiáng)度可佳，但其重量與鋼結(jié)構(gòu)一樣重。湖南晟通集團(tuán)汽車工程研究院研制全鋁車身12m公交車，采用了 “板梁式”與“型材式”相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，在達(dá)到與鋼制車身一樣強(qiáng)度的前提下，其車身質(zhì)量減少了50%，整備質(zhì)量減少30%，滿載質(zhì)量減少了20%，其節(jié)能效果明顯，達(dá)到了國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)水平。4)、鋁板式車身結(jié)構(gòu)：鋁板式車身結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鋼板式車身結(jié)構(gòu)是一樣的，板材通過液壓成形各種內(nèi)外板，然后將內(nèi)外板結(jié)合在一起，鋼板車身是焊接的，而鋁板車

12、身則是通過一種環(huán)氧樹脂將鋁制內(nèi)外板剛硬地結(jié)合起來，堅(jiān)固度高得出奇，經(jīng)過撞擊試驗(yàn)，而扭曲的車身沒有一處結(jié)合環(huán)氧樹脂的地方崩斷。另外還能夠避免以焊接方式連接鋁件，可以用上薄一點(diǎn)的鋁材，進(jìn)一步的降低車架的重量。其缺點(diǎn)是鋁的壓延性太差，液壓成形工藝復(fù)雜，成本高。如全新的（2013款）第四代攬勝全鋁車身就是采用了此種結(jié)構(gòu)技術(shù)與連接方式?？傊?，通過以往使用經(jīng)驗(yàn)與綜合條件分析，采用鋁制的“骨架+蒙皮”的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再配合型材截面優(yōu)化、連接工藝優(yōu)化和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，是目前實(shí)現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計(jì)的最佳解決方案。四、骨架與蒙皮的成形工藝      以下再探討

13、一下關(guān)于全鋁車身的骨架與蒙皮制作工藝。1)、車身骨架成形工藝車身骨架由鋁合金材料通過擠壓模擠壓出各種斷面的閉口或開口的長條形結(jié)構(gòu)型材（是鋼材無法辦到的），可根據(jù)需要鋸切任意長度。這種鋁型材還要根據(jù)車身結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行變截面變形加工，達(dá)到車身結(jié)構(gòu)形狀的要求。于是一種“型材液壓成形”技術(shù)應(yīng)聲而生。型材液壓成形技術(shù)應(yīng)用主要為底盤大梁、車身結(jié)構(gòu)、各系統(tǒng)零部件的骨架變形加工，因其具備高剛性、尺寸精度與穩(wěn)定性高、較為耐蝕、工件數(shù)少、制作過程簡化、成本降低等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在汽車制造業(yè)廣泛應(yīng)用。此技術(shù)保證了零部件精準(zhǔn)的尺寸和形狀，在充分利用空間、贏得更多軸力度和硬度的同時，減輕了重量。由于型材液壓成形技術(shù)不僅簡化了

14、模具結(jié)構(gòu)，還減少了模具副數(shù)，改善了材料嚴(yán)重變薄的狀況，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，大幅度降低了生產(chǎn)成本，因此型材液壓成形零部件需求快速增加。2004年北美生產(chǎn)的典型車型中將有50%結(jié)構(gòu)體零件采用型材液壓成形技術(shù)制造。    以型材液壓成形技術(shù)制造結(jié)構(gòu)件的車型，經(jīng)碰撞測試結(jié)果，其安全性比傳統(tǒng)的“板材沖壓”制造結(jié)構(gòu)件要好，同時整車質(zhì)量有了大幅度的降低。因此在北美、歐洲制造的轎車、客車、高鐵中，空心輕體的鋁型材構(gòu)件在轎車總量的比例已從15年前的10%上升到20%，而在貨車、客車、專用汽車、越野吉普車等的比例已達(dá)到70%以上。    

15、梁柱結(jié)構(gòu)是車身骨架的基本承載單元，在車身總成中所占比例較高。評價輕量化對剛度的影響程度可使用SME(Stiffness Mass Efficient)值，即“單位質(zhì)量所具有的剛度值”進(jìn)行比較。SME 值越高，表明該結(jié)構(gòu)在保持剛度不變的情況下輕量化效果越好，反之亦然。比如：鋁材與鋼材相比，如果用鋁材制作的結(jié)構(gòu)件，其強(qiáng)度大于同等質(zhì)量的鋼材結(jié)構(gòu)件30%。所以說，如果保持與鋼結(jié)構(gòu)件同等強(qiáng)度前提下，其鋁結(jié)構(gòu)件要輕30%左右。從結(jié)構(gòu)輕量化途徑考慮，在滿足空間尺寸限制的前提下，我們還可以從“型材截面優(yōu)化”方面來增加其結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度（鋼制型材無法辦到的），如增加矩形截面薄壁梁的高度

16、為提高其彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的最佳方案，增加寬度僅能提高其扭轉(zhuǎn)剛度，但改變壁厚沒有效果。如增加矩形截面薄壁梁中的筋板個數(shù)為提高其彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的最佳方案，但改變壁厚沒有效果。如增加矩形截面薄壁梁中的筋板形狀為提高其彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的最佳方案，但改變壁厚沒有效果。如增加圓筒截面的直徑為提高其彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的最佳方案，但改變壁厚沒有效果。與上述閉口情況相反，對于任意開口截面，增加壁厚為提高其扭轉(zhuǎn)剛度的最佳方案，但開口型材的扭轉(zhuǎn)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于閉口型材。2)、車身蒙皮成形工藝車身蒙皮是指附蓋在車身骨架上的外蒙皮，鋁板蒙皮加工成形方式與鋼板蒙皮加工方式基本上相同，通過液壓機(jī)與模具對板材進(jìn)行沖壓成形，由于鋁板的拉伸

17、性比較差，因此在對鋁板進(jìn)行沖壓成形時，要對模具進(jìn)行潤滑性改良，或?qū)︿X板進(jìn)行退火處理，或?qū)︿X板進(jìn)行加熱處理。對于有強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)件，在進(jìn)行退火、加熱處理成形后，還要進(jìn)行恢復(fù)強(qiáng)度的時效處理。還有一種全鋁車身蒙皮成形工藝，就是型材式的擠壓成形蒙皮，其與骨架連接后，可以增加骨架20%的強(qiáng)度。如沃爾沃生產(chǎn)的公路客車與晟通研制城市客車都采用了此項(xiàng)技術(shù)。五、鋁型材連接工藝車身各零部件的連接是指骨架與骨架、蒙皮與骨架、鋼件與鋁件、車門與骨架、內(nèi)飾與骨架等各零部件之間的有效連接，對于全鋁車身結(jié)構(gòu)來說，重點(diǎn)在骨架與骨架、蒙皮與骨架之間的連接，通過資料調(diào)查表明，目前全世界全鋁車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的制造企業(yè)，大概分為三類：一

18、是以英國亞歷山大丹迪斯為代表的鉚釘連接工藝；二是以法國肯聯(lián)為代表的螺栓連接工藝；三是以美國美鋁為代表的焊接連接工藝。按汽車輕量化的輕量準(zhǔn)則，其焊接連接工藝最輕，其次是鉚釘連接工藝，螺栓連接工藝最重。按疲勞強(qiáng)度可靠性來說，螺栓連接工藝和鉚釘連接工藝最佳，其次是焊接連接工藝。按生產(chǎn)成本核算，焊接連接工藝最省，螺栓連接工藝最貴。六：總結(jié)為達(dá)到汽車節(jié)能環(huán)保的目的，對汽車進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是最直接、最有效的途徑。在輕量化材料選擇上，利用鋁材可擠壓成各種截面形狀的特點(diǎn)，從而達(dá)到從截面結(jié)構(gòu)上增加整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，是高強(qiáng)鋼、玻璃鋼、碳纖維、不銹鋼等材料無法做到的。所以說，鋁合金材料是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的首選材料。全鋁車身結(jié)構(gòu)技術(shù)，在其輕量化材料、輕量化工藝、輕量化結(jié)構(gòu)三個方面的研究成果，是汽車輕量化的最佳解決方案。湖南晟通集團(tuán)汽車研究院全鋁汽車項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人：伍成祁  關(guān)鍵詞解釋：1)、Stiffness Mass Efficient：單位質(zhì)量所具有的剛度值：SME=K/M，系數(shù)=剛度/質(zhì)量。將車身薄壁梁截面參數(shù)對其彎曲剛