铝合金车身结构设计及其连接技术

刘雪霞

【摘要】着眼于可持续发展，节能、环保成为世界汽车工业界亟待解决的两大问题。汽油车方面每减重10% ，油耗可降低6% ～8% ，排放降低4% ，电动车方面数据显示，电动汽车整车质量每增加10%，续航里程减少5.5%左右。因此减轻汽车质量是节能和环保的最基本途径之一。车身质量占汽车总质量的40% 左右，车身的轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用。

汽车车身轻量化是一个系统工程。实现汽车车身轻量化有两个途径：一是选用轻质高强度的新材料;二是依据新材料特点，设计更合理的车身结构，使零部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以及对车身零部件进行结构和工艺改进等。这两种途径相辅相成，只有采取材料替换与结构改进相结合的方法，才能在保证车身强度、刚度、模态、疲劳、碰撞安全性、抗振抗冲击性能满足设计与使用要求的前提下，最大限度地减轻汽车整体质量。汽车轻量化的重点和难点是车身轻量化，根据路线图第二阶段（2020年～2025年）要求，车身用材主要采用铝、铝合金及碳纤维增强复合材料在车身上的应用。本文针对铝合金汽车车身结构设计与其连接技术进行探求。

【关键词】铝合金车身结构设计;轻量化;连接技术。

1 车身用铝合金材料

汽车车身用铝合金材料主要包括2000系、5000系、6000系合金板材、型材、管材及高性能铸铝，不同受力部位采用不同型号的铝合金材料。

骨架部分：车身受力最大的部分，采用2000系或7000系材料，可热处理强化。

蒙皮部分：车身次要的受力部位，采用5000系或6000系材料。

车门部分：采用5000系或6000系材料。

底板部分：采用5000系或6000系材料。

内饰部分：采用1000系或5000系材料，无热处理强化。

座椅部分：采用2000系或6000系材料，可热处理强化。

铸件：采用高性能铸铝合金，可热处理强化。

铝合金板材主要有2000系、5000系和6000系合金。

2000系合金是一种热处理可强化的铝合金，具有优良的锻造性、较高的强度和良好的焊接性能，很好的烘烤强化效应，但其抗腐蚀性则比其他系列的铝合金差。目前，2036和2022合金已部分用于汽车车身板材。

5000系合金是一种热处理不可强化的铝合金，具有良好的抗腐蚀性和焊接性能，但退火状态下在加工变形时可能产生吕德斯线和延迟屈服，因此主要用于车身内板等形状复杂的部位。

6000系合金属于热处理可强化铝合金，具有较高的强度、较好的塑性和优良的耐腐蚀性。与钢板相比，6000系T4态板材的屈服强度和抗拉强度相近，硬化系数甚至超过钢板。

2汽车车身用铝合金零件关键制造技术

2.1 型材挤压成形

型材挤压成形——车身框架型材伺服控制挤压弯曲一体成形技术。空间框架设计使车身的静态扭转刚度提高60% 。

2.2结构件铸造（铸铝）成形技术

车身框架的连接件多为铝合金铸件，此类铸件起到连接车身各铝材的作用，是主要的承力部件，要求具有较高的强度。为了满足使用需要，车身铝合金铸件多为复杂薄壁结构。由于此类铸件的结构特点，以及汽车产业大批量生产的需要，采用传统的铸造工艺已无法满足要求，国外目前制造铝合金车身铸件大多采用真空压力铸造和特种挤压铸造等新的压挤铸造工艺技术。

3汽车用铝合金车身结构

目前铝车身结构设计有两种种结构形式：铝板式车身结构、铝管式车身结构。

3.1铝板式车身结构

铝板式车身结构与传统的钢板式车身结构是一样的，铝板通过冲压成形各种内外板，然后将内外板结合在一起，钢板车身是焊接的，而铝板车身则是通过无铆连接、锁铆连接、铝板特殊的点焊工艺以及一种环氧树脂将铝制内外板刚硬地结合起来。

3.2铝管式车身结构

此种车身结构是利用铝材可挤压成型材的特点，车身框架及主要受力结构由铝型材组成，不受力或受力小的地方用沖压铝板进行连接，车身结构的特点是“骨架加蒙皮”的形式存在。

车身骨架由铝合金材料通过挤压模挤压出各种断面的闭口或开口的长条形结构型材（钢材无法办到的），可根据需要锯切任意长度，再根据结构设计需要进行拉弯和机加，达到车身结构形状的要求。

从结构轻量化途径考虑，在满足空间尺寸限制的前提下，还可以从“型材截面优化”方面来增加其结构件的强度（钢制型材无法办到的），如增加矩形截面薄壁梁的高度为提高其弯曲和扭转刚度的最佳方案，增加宽度仅能提高其扭转刚度，但改变壁厚没有效果。如增加矩形截面薄壁梁中的筋板个数为提高其弯曲和扭转刚度的最佳方案，但改变壁厚没有效果。如增加矩形截面薄壁梁中的筋板形状为提高其弯曲和扭转刚度的最佳方案，但改变壁厚没有效果。如增加圆筒截面的直径为提高其弯曲和扭转刚度的最佳方案，但改变壁厚没有效果。与上述闭口情况相反，对于任意开口截面，增加壁厚为提高其扭转刚度的最佳方案，但开口型材的扭转刚度远远小于闭口型材。

车身碰撞安全：车身采用全铝型材骨架，封闭环状车身骨架结构设计理念，前舱纵梁和前保横梁通过CAE仿真模拟方法，采用不同的截面和料厚;有效利用前舱内溃缩吸能空间，在碰撞的初始阶段吸收掉大部分的碰撞能量，减少乘员舱所要承受的碰撞能量，从而达到保护乘员的目的。

4汽车用铝合金材料连接技术

4.1 机械连接技术

铝车身用的机械连接技术有很多，主要包括：无铆连接、SPR自穿铆接、FDS流钻螺钉连接、抽芯铆钉连接、压铆/拉铆/自穿铆接螺母、拉铆螺栓

无铆连接：          锁铆连接：             压铆/拉铆/自穿铆：

4.2 焊接技术

对铝车身零部件连接技术而言，目前除大量无铆连接、采用锁铆、自攻螺钉、冲联工艺及胶（粘）接等非熔化连接方法外，还大量采用M IG 焊、激光焊（包括激光熔焊、激光钎焊）及TIG焊等熔化焊接方法。其中，M IG 焊、激光焊及激光-M IG 电弧复合焊、搅拌摩擦焊成为铝车身零部件焊接的标准工艺。

5.结束语

现在全铝车身，重量较传统车减重40%。 采用复杂断面设计、高强度铝镁合金挤压成型、3D空间精密弯曲、激光组合焊接等技术，部分承重覆盖件的加强板也采用挤压铝型材，覆盖件与框架的接通过冲压铆钉铆接完成，形成结构性很强的整体，突破了传统车身设计、制造技术，共享车身结构平台，可以设计、生产和制造“跨平台、跨模块”的差异化车身，以满足不同的整车外观造型和功能结构的需求。可持续研究其材料，生产制造的相关课题，达到车身安全可靠，质量轻。

参考文献

[1]韩金龙，韦继红.浅析汽车轻量化技术[J].南方农机，2018，49（23）：218.

[2]王文革.新能源汽车铝合金冲压轻量化技术研究[J].世界有色金属，2018（23）：22+24.

[3]陈俊.汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径研究[J].花炮科技与市场，2018（04）：200.