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来源：网络 作者：李传博① Li Chuanbo；谢然② Xie Ran；郭琳② Guo Lin （①商洛学院城乡发展与管理工程系，商洛 726000；②广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 510640） 摘要：汽车结构轻量化对降低汽车排放和油耗具有重要意义。文章介绍了汽车结构轻量化的几个代表性研究项目；对高强度钢板、铝镁合金 及塑料等轻质高强度材料在车身结构轻量化中的应用进行了阐述；围绕新材料的先进成形工艺，如激光拼焊板、液压和气压成形，热冲压工艺等成形工艺，以及自冲铆接等先进连接工艺进行了分析；同时还介绍了有关的汽车结构优化和创新设计方法。最后对汽车结构轻量化设计方法的发展动向进行了展望。 关键词：汽车轻量化；高强度钢板；激光拼焊板；自冲铆接 随着快速增长的汽车保有量，一方面，汽车作为方便、快捷的交 通工具改善了人们的生活和工作方式；另一方面，却加剧了能源消耗，带来尾气、噪声等环境污染以及交通安全危害。汽车产业面临着节能、安全和环保的巨大压力。 针对上述问题，解决的重要途径是在对动力系统进行改进的同 时积极开发和寻找替代能源及相关技术。 但受技术难度、开发周期和市场份额等问题制约，仅靠这一途 径很难满足国家和市场的要求；另一个重要途径是整车轻量化。有关研究数据表明 ，若车桥、变速器等机构的传动效率提高 10%，燃油效率可提高 7%；若汽车整车质量降低 10%，燃油效率可提高 6%～8%。车身占整个汽车制造成本 60%，占汽车总重量的 30~40%，空载情况下，70%的油耗将用于车身质量上。 图1展现了日本统计的乘用车自重与油耗之间关系。显而易见，当车辆的自重从 1500kg 下降到 1000kg 时，每升燃油平均行驶的里程由 10km 上升到17.5km，即每减重 100kg，每升油可多行驶 1.5km，也就是说在此区间内，燃油的经济性提高了 5.7％－10％。 车身结构轻量化设计研究，主要从三个方面进行： 一是结构优化或创新，改进车身结构，使零部件薄壁化、中空化、小型化和复合化，采用 CAD/CAE/CAM/CAPP 数字化设计和制造技术提高零部件开发质量； 二是采用先进的车身制造工艺，如激光拼焊、中高温成形、滚压或液压成形等； 三是采用轻质高强度材料。 宝马汽车轻量化设计方案就是综合运用各种技术在保证汽车性能前提下，最大限 度的减轻汽车重量，如图 2 所示。 3.1 高强度钢板 高强度钢板材料在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合优势。高强度钢板的明显优点是在车身结构设计上采用更薄的钢板，并获得相同的强度，在钢板厚度分别减小 0.05、0.10 和 0.15mm 时可以使车身分别减重 6%、12%和18%[8]。因此，在高强度钢板比传统钢在价钱上更贵的情况下，减轻了重量可使得两者实际成本相近。 未来十年，高强度钢在汽车中的应用会大幅度增加。 3.2 铝合金 比强度和比刚度十分优良的铝金属基复合材料研究开发的成功，是汽车轻量化的进一步发展的一个很好途径。据统计 2010 年每辆轿车的平均铝使用量与 1998 年相比增长 53％，上升到 130kg。铝材的强度和刚度虽然是比钢材小很多，通过框架结构设计及采用更厚的板材也可以补偿这个不足，车身空间框架结构质量在使用铝材后下降 47％，与此同时采用改进的断面形式将使车身抗扭抗弯能力增加了 13％。 目前，受加工技术和成本的约束，铝材料主要应用在发动机、车 门、内外引擎罩、及其他零部件上，在车身制造上还是少见。各汽车 制造商和众多学者的研究一个热点问题是怎样从根本上解决铝合 金板成形性能差，因此可获得稳定可靠的成形工艺。 3.3 镁合金和塑料 镁的密度仅为 1.8g/cm3，是钢的 1/5，铝的 2/3。相对而言镁合金的比强度（强度与质量之比）最高；比钢度（刚度与质量之比）远高于工程塑料而接近铝合金和钢。当前镁基合金 汽车零部件使用和研制发展势头良好。正在使用和在研制中的镁基 合金汽车零部件欧洲已超过 60 多种，北美已多达100 多种。 今后将重点发展的镁合金零部件主要有：仪表板骨架、发动机缸体、缸盖、油底壳、格栅加强体、结构支架（座）、后车箱盖、内门框、车顶板、加强板，以及某些抗碰撞零件。 塑料在汽车中的应用遍及所有总成，习惯上将它们分为内饰 件、外饰件和功能件（其它结构件）。塑料及其复合材料不仅可减轻 零部件约 40%的质量，而且还可以使生产成本降低 40%左右是当前最重要的汽车轻质材料。就目前车用塑料配件市场来看，相对于国外发达地区车用塑料已占塑料总消耗量的 7%~11%，我国的所占比例不足 1%。由此可见我国仍需要大力扩展车用塑料配件市场。 结构优化的常见形式有： ①优化并排焊点。布置两排或多排焊点的翻边肯定比布置单排焊点的翻边宽，因此在设计中应充分利用 模拟分析来优化焊点的布置形式和数量以减少车身重量。 ②避免用 增加零件整体厚度的办法来解决零件本身局部刚度或模态问题。一 般可以通过采用优化加强筋的形状和位置，局部增加加强板的方法 来加以解决。 ③减重孔的优化设计。通过减重孔的设计去掉不必要 的质量，达到减重的目的。整合零部件，减少其数量是实现零件结构 轻量化的有效途径。某些车型的车身骨架零件数已由 400 个减到了75 个，质量减轻达到 30％左右。由于减少了零部件之间的连接，车身刚度得以加强，在提高车身舒适性的同时，达到减重的目的。 5.1 激光拼焊板 激光拼焊板是将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材焊接成一块整体板，以满足零部件对材料性能的不同 要求，也可以把相同材质的等厚材料焊接到一起冲压，以提高材料 利用率。与传统点焊工艺的产品相比，激光拼焊板最显著的优点是 减少了零件数量和材料消耗，降低了整车重量，简化了装配工艺，因 而得到了越来越广泛的应用。目前，由拼焊板生产的汽车零部件主 要有前后车门内板、前后纵梁、侧围、底板、车门内侧的 A、B、C 立柱、轮罩、尾门内板等。 5.2液压和气压成形技术 液压成形技术是把管状或板状材料放在密封的模具中，再把流体介质（水、油等）引入管件的内腔或板件与模具的内腔，增加液体压力，使工件在常温下变形，经过膨胀、压缩和成形三个阶段，最终成为所需零部件形状的成形方法。使用液压成形方式制造的零件，成型后的回弹少、精度高，因此可以节省 后续所需的加工以及组装费用。同时，使用液压成形的加工方法，可将原来需要分割成数个零件组合的部件，用单一的零件代替，减少了零件组合的工作，同时增加车体的刚性，从而达到减轻重量、降低成本的目的。典型的液压成形汽车零部件有 T 形接头、发动机支架，排放系统与后桥部件，各种结构件。 图 3 给出了液压成型生产流程示意图。 气体热成形是正在研究的一项金属成形新技术，它适用于钢、 铝合金、镁合金等金属管材、板材，尤其是高强度钢管件的成形。其工艺过程如图 4 所示。 同液压成形相比，气体热成形所需的成形压力仅为液压成形的1／30；由于改善了材料成形性能，从而可生产形状更为复杂的零件；同时，设备投资和能源消耗也远低于液压成形。上述优点使气体热成形有望成为车身、底盘构件的新一代成形工艺。 5.3 热压成型技术 将钢板被加热到奥氏体温度区间（约900℃）进行热冲压，同时在冲模内对冲压件快速冷却（淬火），可制 造抗拉强度达到 1400MPa 以上的部件。 热压成型的技术优势包括： ①具有高的强度且具备良好的延展性，从而可适当降低零件的 厚度，有效的减轻零件重量，达到减重目的； ②具有高的尺寸精度； ③降低压机的吨位； ④能够提高整车的碰撞性能。 图 5 为热冲压成形应用实例。 连接技术也是轻量化发展的技术关键之一，它关系到被连接结构的性能、重量、加工工艺、安全等诸多方面。传统的连接技术主要有电阻点焊和MIG/MAG 焊，但随着多材料轻量化设计的需要，激光焊接、铆接与自冲铆接及复合连接等新的连接技术逐步发展并得到 越来越多的应用。 6.1机械连接技术 机械连接技术包括压焊、钳铆、自冲铆接和折叠等。 采用机械连接技术替代电阻点焊的连接方法可用于多种材料组合或夹层材料，具有投资低，不需加热，不需预处理及加工的优点。 6.2 黏贴连接 粘接采用面接触而非点接触，与点焊及铆接相比，有改善连接刚度与强度，减少应力集中，提高密封性，减少受潮及脏物进入，通过接合处的合理设计能很好地吸收能量，起到减少振动与降低噪声的作用。粘接连接的优点已经为多数汽车生产企业生产的许多产品所证明，如美洲豹 XJ220，福特 AIV，罗孚 ECV3， Lotus Elise，及本田 NSX 等。 6.3 复合连接技术 复合连接是指将两种连接方法组合在一起使用的连接技术，如铆接－粘结，点焊－粘结，激光焊接－MIG 等。复合连接的主要优点是可以使不同连接方式的优势互补，接头扭转刚度 和疲劳强度高、密封性好，并可改善车辆的 NVH。 在安全、节能、环保等法规的推动下，以及受到性能和成本等因 素的制约下，预计未来汽车轻量化材料技术将会朝以下方向发展： 7.1 碳纤维、钛合金和金属基复合材料有望成为新一代轻量化材料。 7.2 在轻量化材料技术的持续推动下，设计理念将会发生根本性的变化。 7.3 零部件制造技术仍将是未来研究的重点。 来源：网络 |
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