浅析科雷嘉车身轻量化设计及高强钢的应用

文/赵俊丰·东风雷诺汽车有限公司

浅析科雷嘉车身轻量化设计及高强钢的应用

文/赵俊丰·东风雷诺汽车有限公司

汽车轻量化是汽车诸多设计环节中的一部分，我国与先进国家还存在很大的差距，需要自主品牌的汽车厂家、上游钢铁企业共同合作，探索多学科、多专业领域高效合作的轻量化集成实现模式，共同推动自主汽车轻量化和高强度钢板应用技术的进步。

赵俊丰，设备技术科责任工程师，主要从事设备前期的引进和规划工作，在东风雷诺一期项目中先后参与并负责冲压XL高速线项目的规划、设计、安装调试以及后续问题的跟踪整改与总结。

随着环境恶化和能源紧缺问题的日益加剧，环保、安全和节能成为汽车制造业的主要发展方向。在减少燃油消耗、减低废气排放的诸多措施中，以降低车重效果最明显。资料表明，车重减轻10%，可节省燃油3%～7%。因此，汽车轻量化成为了各大汽车生产厂提高竞争能力的关键。而高强度钢在汽车中的不断使用为汽车的轻量化起到了重要的作用。

国内方面，东风雷诺汽车在新车型开发中，通过增加高强度钢板、轻合金、塑料材料的应用比例，同时配合激光拼焊板及先进成形制造工艺的应用，取得了显著的轻量化效果。目前科雷嘉作为东风雷诺第一款SUV车型，其轻量化系数达到3.28，与之相比上汽荣威350车型的轻量化系数达到了3.63。

汽车对钢板材料的要求

汽车碰撞安全性

图1 不同高强度钢用量的车型正面碰撞

汽车的碰撞安全性等级越来越多地成为用户选购车型的重要参考指标。图1为不同高强度钢板应用比例的车型正面碰撞情况，足以说明高强度钢板的应用对汽车安全性的作用。

汽车轻量化

由德国宝马公司Bruno Ludke提出的车身轻量化系数概念，已成为国内外评价车身轻量化设计水平的重要参考指标。白车身轻量化系数L可用下式表示：

式中，mBIW为白车身的结构质量(不包括车门和玻璃），单位为kg；Ct为静态扭转刚度(包括玻璃），单位为N·m／(°）；A为四轮间的正投影面积，即前后轮平均轮距乘以轴距，单位为m2。

从公式看出，车身轻量化系数的优化就是减轻车身质量和提高扭转刚度。减轻车身质量，可以从材料选用、结构设计和制造工艺三个环节进行优化考虑。提高车身扭转刚度，则可以通过车身加强件的增加或板材加厚、高强度钢板应用比例的提高、结构的断面优化和车身接头设计优化等方法实现。TWB、TRB材料的应用以及液压成形等制造技术的配套应用，也将对车身扭转刚度的提高起到非常重要的作用。图2为欧洲车身会议(ECB）发布的部分车型白车身轻量化系数与上一代车型的比较。从图2可以看出，排除结构优化的因素，新一代车型轻量化系数的优化效果与高强度钢板的应用比例的提高有着很强的对应关系。

汽车轻量化的途径

材料选用

⑴降低大件，特别是外覆盖件的材料厚度。

目前的设计趋势是将外覆盖件的厚度降到0.7mm，前后盖外板甚至可以降到更低。降低材料厚度以后会对外板的成形性、刚度和抗凹性带来不利影响，对不太复杂的外板件，一般可以通过适当提高材料等级来解决（一般屈服强度不超过220MPa）。对受造型制约的复杂外板件，一般可以采用烘烤硬化钢来解决；必要时，可以通过结构设计优化，如增加内板的搭接或通过增强非金属结构来对外覆盖件提供足够的支撑。对于一般的B级车型，在满足相同性能要求的前提下，和采用传统材料厚度的普通钢材相比，大件和外覆盖件采用降低0.1mm材料厚度的烘烤硬化钢或稍微提高一下钢材强度等级，单车质量可以减轻10kg左右，并能实现成本降低百元以上，同时不需要增加模具成本和制造成本，是值得大力推进的方案。但是，该方法一般只能应用在非碰撞传力路径和非关键耐久性的大件和外覆盖件上，数量一般只有十几个，所以总体应用范围有限。

图2 2011—2015年欧洲车身会议轻量化系数变化趋势

⑵提高高强度钢板的用量。

目前，高强度钢和普通钢的价格差距缩小到了合理范围内（10%～15%）。选择高强度钢之后就可以适当减少零件数量、降低材料厚度和缩小结构盒状断面尺寸来达到减轻质量效果，而总成本变化不大。因此，高强度钢板得到了广泛应用，一些新车型采用抗拉强度在600MPa以上的超高强度钢板的比例占到30%，甚至更高，而一些能满足欧洲NCAP五星级碰撞要求的A级车，这一比例达到了50%。增加高强度钢板的比例不仅可大幅度减轻车身质量，同时也有利于提高车身刚度、碰撞和耐久性性能。

⑶其他新材料的选择。

采用工程塑料或者轻质金属合金替代传统钢材，比如：采用工程塑料制作的前端模块、翼子板和举升门；采用铝合金制作的前、后缓冲梁和发动机盖；采用镁合金制作的车门框、仪表板骨架和座椅骨架等。相比传统的钢材，采用这些材料每个零件质量可以减轻2～10kg，但零件成本也会随之大幅上升，有时会高1倍甚至数倍。对于必须达到较高燃油经济性或必须满足更低排放要求的车型，采用以上技术来减轻质量才能在总体上更有成本优势。另外，车身采用更多工程塑料对于总销量50000辆以下的车型更有成本优势。

另外，在设计隔音系统时还可以采用静音钢板来代替普通钢板。静音钢板是在两层钢板中间涂一层特殊的吸音材料，形成类似三明治结构的钣金材料，以用于正常的冲压、焊接，这样可以减薄甚至取代阻尼垫、沥青板及隔音垫的使用，以此来减轻车辆质量。图3是普通钢板隔音系统与静音钢板隔音系统对声音的吸收情况对比。其中，传统隔音系统由普通钢板、隔音垫、发动机侧吸音垫、沥青板组成，共计22.4kg；新型隔音系统由静音钢板、重新设计的隔音垫组成，共计12.1kg。从图3中可以看到，新型隔音系统取消了发动机侧吸音垫和沥青板，车内总体噪声能够降低2～3dB，质量减轻了10kg。从成本上分析，原普通材料的前围板和所有取消的隔声零件价格之和与静音钢板的价格基本相同。但是，该技术及其最关键的原材料供应都控制在国外一两家供应商手里，在国内基本属于空白。

图3 整体隔音系统的声音传递损失预测对比

采用非金属结构增强材料替代钣金加强件，如某两家国际企业推出Terocore材料和CBS材料，这类材料多由热激活可膨胀的高强度粘结剂和负荷载体组成，通过填充车内间隙，将各个独立的负荷载体粘结成一个复合结构，以提高车身的强度和刚度。其质量、零件成本和模具支出都较低，既可以作为局部结构优化时的工具，也可以部分替代钣金加强件来减轻车身质量。如图4所示是将CBS运用于某车型的实例，通过CBS局部加强B柱上接头，使得该车型的侧碰表现由2星级上升到了4星级，而增加的质量不足1kg，如单纯采用钣金件加强，则质量至少需增加5kg。

图4 CBS结构增强材料在B柱的应用

结构设计

⑴结构优化。

在碰撞关键区域优化断面的形式主要有以下几种：⑴通过增加封闭盒状结构来配合零件尺寸或材料厚度的降低（图5），科雷嘉在地板纵梁处采用封闭式盒状设计增加了整体强度；⑵在零件的关键部位增加加强筋，如图6所示为科雷嘉在侧围拐角承接板处增加加强筋，降低了板料的厚度；⑶可增加减重孔，在不降低强度的前提下有效的降低了质量；⑷切除多余翻边等。

图5 地板纵梁封闭式盒状结构

图6 关键部位增加加强筋

⑵激光拼焊技术的运用。

采用激光拼焊技术，可以使用部分区域低料厚、部分区域高料厚的拼焊板材来进行冲压，这样除大幅减轻质量外还可以减少零件焊点数量，进一步降低模具、夹具及焊接成本。

目前东风雷诺科雷嘉在左右门内板、左右侧前地板均采用了激光拼焊的技术，如图7所示，其车窗与门外板处材料厚度为1.4mm，其他部位材料厚度为0.65mm，有效减轻质量0.8kg。而其地板也采用了激光拼焊技术，面板厚度为0.65mm，与纵梁连接的部位厚度为1mm，既保证了下部强度，又能有效减轻质量。

制造工艺

当板材的抗拉强度提高到1000～1200 MPa时，冷冲压模具需要使用特殊且昂贵的材料配合极高吨位的压机才能使零件成形。同时，对于零件反弹、尺寸精度、局部材料严重变薄甚至开裂等方面的控制往往是制约设计的一系列难点。热成形工艺采用一种比较特殊的钢材，其在加热前的屈服强度和抗拉强度分别在300MPa和500MPa左右，断后延伸率达到30%以上，机械性能属于普通高强度钢板范畴，但在板材高温加热、冲压再冷却后，该材料会大幅度硬化，零件的屈服强度和抗拉强度能够分别提高到1100MPa和1500MPa以上，远超过冷冲压零件的极限强度。因此通过大量热成形零件的采用，可有效减少加强板的数量并减薄零件。如图8所示为热成形件在东风雷诺科雷嘉车身上的应用，在A柱上侧梁、B柱上侧梁、B柱加强板、中央通道、纵梁延伸板、前缓冲梁等多处采用了热成形零件，占车身总质量的16%，使得车身质量仅为289kg。

图7 左右前门内板采用激光拼焊板

图8 热成形件在东风雷诺科雷嘉车型上的应用

图9 热成形钢在B柱的使用

图9所示为某车型B柱内板的两种不同的设计方案，经CAE分析显示其具备相似的侧碰表现。其中，图9a所示方案中只包含一块1.4mm的热成形B柱内板，而图9b所示方案中包含了2.0mm的B柱内板和分别为2.5mm和2.0mm的两块加强板。两者相比，图9a所示方案可以减轻质量近9kg，且单件成本比图9b中方案低约50元，但模具费高约260万元。当车型总销量达到6万辆以上时，图9a方案的总成本更低。

热成形工艺目前也存在一些明显的缺点，如：模具费和材料费很高；热成形零件的生产速度远低于冷冲压工艺，很难满足大批量的供货需求；模具可修改的幅度较小，对于设计的成熟度也是一大挑战。

结束语

车身轻量化系数是一个综合了车身尺寸、质量和性能三方面的综合系数，采用它来比较各车型车身设计的优劣，相比传统的单纯比较车身质量或性能的方法更为科学。当然，车身轻量化系数目前也存在一些不明确内容，如车身扭转刚度试验中常包含的车身油漆、油漆密封阻尼零件、前后挡风玻璃和前后副车架等零件是否应统计在车身质量中；另外，前悬架长度和车身高度并没有被考虑到这个参数中，大型车辆的参数会受此影响等。

对于消费者来说，衡量一款车的优劣，轻量化只是其中的一项内容，还有更多的包括安全性、舒适性、美观性、功能性等要求，东风雷诺科雷嘉车身70%采用高强度钢板，在实现轻量化的同时，为消费者的生命安全提供了多一重保障。