浅谈汽车车身轻量化问题

李宁宁，吕贻旬，刘 慎

(奇瑞汽车河南有限公司，河南 开封 475000)

汽车车身轻量化是提高汽车动力性、减少燃料消耗、减低排气污染、提高使用寿命的重要途径之一。汽车轻量化问题是近年来汽车研发制造的一大趋势。所谓汽车轻量化，是指在保证汽车各部分强度和安全性能的前提下，尽量减轻整体重量，发动机输出动力不变的情况下，能获得更大的加速度，既提高了燃油效率、又减少了尾气排放，是汽车未来发展的重要方向之一。据相关资料表明，整车重量减轻5%，基本可保证降低相同比例的燃油消耗。

车身重量约占整车质量的一半，对车身轻量化的研究对整车轻量化有较大的贡献。目前，汽车车身轻量化的研究方向主要集中在以下几个方面：高强钢板及其先进制造技术、新工艺应用、轻质材料的选择及车身结构优化设计等[1]。

1 高强钢板及其先进制造技术

因高强度钢可有效增加车身本身结构的弯曲及扭转刚度，甚至能够直接强化其自身的抗撞及碰撞能量吸收能力，且其具有良好的生产制造效率及经济性，目前90%以上的汽车车身仍采用高强度钢，因此在此基础上采用新的制造技术对车身降本有重要的意义。

1.1 激光拼焊

激光拼焊是将不同材质、不同料厚或不同表面处理的板料拼焊在一起，然后通过传统冲压成形的方式冲出需要形状零件的一种成形方式，门内板、侧围、门框等零件均可采用拼焊板成形技术。这种工艺的应用不仅降低零件的种类、降低生产成本，而且增加了结构的整体性和尺寸精度，广泛应用于航空航天制造业中。但由于焊缝的影响，与普通板材相比，激光拼焊板的成形极限降低，影响生产制造的质量及效率。针对这一缺陷，国内外研究人员从不同角度进行了研究，如NINFORGE D、YOUNGMOO H等人研究了在拼焊板成形过程中，焊缝两侧材质不同、需要的变形力有差异，针对不同的材料施加合适的压边力，则可能减缓焊缝移动情况，并经试验证实该种方法是有效的；KINSEY Brad Lee等人研究了采用液压缸夹持焊缝来控制焊缝的移动，从而增加其成形能力；SHIN J K等人发现对拼焊板门内板的母材、厚度及焊缝位置进行优化，不仅可以有效控制零件的形状精度，同时能够提高拼焊板整体的成形能力，进而提高拼焊板的综合性能。

1.2 液压成型

与一般冲压成形不同，液压成形是利用液态水或油的压力，代替刚性的凹模或凸模，通过传力介质使板料贴合凸模或凹模实现所需零件形状。液压成形能实现车身轻量化，主要是因为液压成形的零件质量控制方面比传统冲压成形的较高，进而提高了零件的成形极限，同时该种成型方式减少了部分模具开发费用。目前液压成形在汽车车身上的应用主要集中在型面较复杂且对精度有较高要求的零件，如汽车翼子板等。

除了一般的液压成形方法外，国内外研究人员还对带周向液压的充液拉深法、外周带液压的充液反拉深法、超声波振动充液拉深法、差温充液拉深技术[2]、成对液压成形新工艺、充液变薄拉深新工艺以及微温充液拉深等有深入的研究。

1.3 热冲压成形

热冲压成形技术是利用金属塑性成形的原理，将板料加热至一定温度(奥氏体状态)，然后进行冲压处理，在冲压成形过程中实现板料淬火处理的成形方式，最后获得具有超高强度的零件。热冲压成形技术具有零件尺寸精度高、零件成形性能好、车身结构设计简单和零件表面硬度及耐磨性高的优点。车身上一般热冲压成形零件如图1所示。

2 轻质材料

2.1 铝及铝合金

在轻质材料中，纯铝具有很强的塑性和韧性、硬度低，不适用于机械上要受力的制件，但铝合金中的锻铝具有良好的焊接加工性、耐腐蚀性及抗疲劳性等综合性能；另外随着铝合金焊接性能研究的深入，使铝合金在汽车车身轻量化中应用越来越广泛。

与传统钢板相比，铝合金在车身上的优缺点如下：(1)缺点。a)材料及研发成本高，约是传统钢板车身的一倍；b)加工工艺复杂、难度大，因传统焊接工艺应用于铝合金上时效率低、不利于大批量生产，铝合金车身目前较成熟的拼接工艺是自冲铆接拼技术，且生产过程要求极高；c)后期维修困难且成本高。(2)优点。a)车身轻量化；b)表面质量优良；c)强度高、整体稳定性好；d)高防腐、高耐热性。

出于成本和生产条件的限制，铝及铝合金车身多适用于高端豪华轿车及跑车上，关于铝及铝合金在车身轻量化上的应用，欧美等国家的研究步伐要快于我国。目前我国在铝及铝合金车身上的研究逐渐加速，应用也逐渐广泛，我公司小蚂蚁电动车车身就是采用的全铝框架。这种车身轻量化方式，会成为未来我国铝加工行业和汽车行业重要的研究方向之一。

2.2 镁及镁合金

镁合金较铝合金来说，是更轻量化的材质，具有良好的抗震、降噪、抗电磁干扰和耐蚀性，且易回收，被誉为“绿色金属结构材料”。镁合金由于其优良的性能多用于汽车传动系统、车体系统、引擎系统和底盘系统等部位，不仅可以达到轻量化的目的，更能实现降噪、吸震、提高成型性和车身刚度，提高安全性，全球很多车企对镁合金的研发和应用技术已日渐增多。

我国镁资源居世界之首，镁产量占世界产量达70%。镁合金目前在我国车企中的应用多为中小壳体件，大型件及复杂件的生产技术仍不成熟。近年来镁合金的开发应用和产业化被列为国家重大科技攻关专项，在这种背景下，我国镁及镁合金的开发技术有了质的飞越，多家制造公司和车企已形成不小规模的镁合金生产基地，结合我国镁合金资源优势，研发适用于汽车多数结构件且性能优良、生产可行的车用新颖零部件指日可待。

2.3 工程塑料及复合材料

汽车轻量化中另一类理想材料是工程塑料和复合材料，应用较广泛。工程塑料在强度、耐热、耐疲劳、抗老化及化学方面的性能优良，代替金属可实现减重40%。另外在加工成型性、产品尺寸稳定性方面均优于金属材料，在车身轻量化的应用方面占了很大比重。目前汽车车身上的工程塑料主要集中在内外饰上，如质保横梁、翼子板、仪表板、玻璃、支架等。汽车车身结构件和外装件用工程塑料的开发和研究，及如何有效的回收利用、更安全可靠等是今后重要的发展和技术方向。

复合材料是汽车轻量化的一种新型选材，且在汽车制造业中的应用日益广泛，在汽车车身中主要应用于顶盖、门框、保险杠、格栅及内饰件。复合材料密度小，材料性能具有可设计性，所以汽车零部件对力学、机械性能及其他防腐、耐磨、抗震等条件要求均可通过人为调整最大限度以达到使用要求，甚至很多性能优于金属材料，因此复合材料很大程度上能满足汽车工业的发展要求。但复合材料一般具有成本较高、生产周期长且不易回收等缺点，也一定程度上限制了其在汽车上的应用。近年来，随着科技的发展，对复合材料新技术、新工艺的不断摸索，及复合材料对车身线条设计和外观高品质要求的契合，复合材料在汽车车身上的应用潜力依然巨大。

3 车身结构优化设计

车身结构优化设计是在项目初期对车型进行结构优化，一般可通过拓扑优化、形状优化和尺寸优化实现。拓扑优化，是指在给定的设计空间、约束条件、载荷条件和特定工艺的要求下，由软件确定结构的最佳材料分布和连接方式；拓扑优化的方法应用在产品设计初始阶段，利用优化计算来得到满足设计要求的结构材料分布。形状优化是拓扑优化之后，对已确定拓扑方式的车身进行详细的结构设计，在结构设计中分析出最省材料的结构形状。最后根据已定的拓扑方式和结构形状，对结构主要尺寸进行满足强度、刚度、稳定性要求的最优化。目前为止，结构优化离不开有限元仿真分析方法，现有的很多有限元软件都可以支持拓扑优化、尺寸优化、形状优化，代表性的有Hyerworks的Optistruct模块，该软件已被汽车设计和制造公司普遍使用。有些软件甚至已实现几何模型与网格的参数化设计，比如SFE Concept软件，isight、optimus软件，目前国内上汽研究院、泛亚技术中心都已开展参数化设计的研究工作[3]。

4 结语

目前国内外车企车身上使用的材料仍以高强度钢、铝、镁和塑料为主。但随着车身新材料、新技术、新工艺的研发及轻量化的迫切需求，汽车车身材料将趋向多元化材料轻量化的设计方向。但是过犹不及，汽车的重量还会影响到汽车的使用安全，所以在轻量化设计的同时还要考虑汽车的碰撞性能，以保证汽车的使用安全。所以在设计时要全面考虑，使设计方案各方面达到最优。