以轻量化为目标的汽车车身优化设计分析

吕秋菊

【摘 要】汽车的车身是车的外表，消费者根据车身的外观进行选择。一般情况下，对汽车的设计主要表现在汽车车身方面，因此对汽车车身的研究就相对多点。汽车车身在汽车上占有重要比例，仅车身质量就约占汽车总质量的五分之二。为了满足消费者的需求，在对汽车车身进行优化设计的时候，应当从轻量化入手。文章通过对汽车车身优化设计进行分析，并达到车身轻量化的目的。

【关键词】轻量化；汽车车身；设计

一、汽车轻量化发展现状

（一）高强度钢板的应用

高强度钢板的真正优势是减薄钢板、减轻车身质量而又不降低车身安全性。无论从成本还是性能角度分析，高强度钢板是满足车身轻量化、提高碰撞安全性的首选材料，主要应用在AB柱、地板、门槛等车辆的关键结构件。

（二）铝合金的应用

铝合金作为轻质金属，是汽车轻量化的理想材料。铝合金在汽车领域的用量在逐步增加，且种类多样化，大有代替钢板、成为未来汽车车身主要材料的趋势。

1.铝合金的特点

铝合金的主要特点包括：密度小、比强度和比刚度高、弹性和抗冲击性能好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、良好的加工成形性及高的回收再生性等。

2.铝合金的分类

铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金，铸造铝合金用于重力铸造件、低压铸件和特种铸造件；变形铝合金主要用于空调系统零件、压缩机件、行驶系部分零件、发动机冷却系统散热器件、车身零件和装饰件等。铝基复合材料用于制造汽车活塞、气缸套、悬臂架、制动卡钳、驱动轴及车轮等汽车零件。

3.应用于汽车上的铝合金部件

马自达、奥迪等外覆盖件均采用铝合金板材。铝合金在车身上的应用是从发动机罩和行李箱盖开始，逐渐发展到全铝车身。在汽车上的应用材料为铝合金和铝复合材料，目前国外可达80%以上。60%以上的汽车用铝合金材料为再生铝，回收1t铝合金要比加工制造1t少耗能95%。汽车工业中加工铝合金所需的工装设备的投资要比钢铁少得多。同时，汽车铝制车身框架以铝挤压型材为主，焊点少，提高了装配效率，也减少了制造成本。

4.热塑性塑料与复合材料的应用

热塑性塑料目前主要应用在后尾门，目前很多商用汽车的后行李厢门多采用热塑性材料，相比钢制后尾门，减重10%，提高了市场感知度，并且注塑、组装工艺简单，降低了生产成本。

复合材料是由2种或2种以上不同性质的材料组成，其综合性能优于原组成材料，并满足不同的要求。其中，碳纤维复合材料（CFRP）因其质量轻、高强度（钢的5倍）、高模量和良好的耐热、耐腐蚀性等特点，已成为一种非常理想的汽车轻量化材料。如果1辆乘用车采用10kg的复合材料，按照每年新车产量2300万辆计算，车用复合材料产业将形成千亿元的市场规模。由于碳纤维复合材料制造成本过高，在汽车中的应用有限，最初仅在F1赛车、超级跑车、小批量车型上应用，如兰博基尼、柯尼塞格、雷克萨斯LFA、保时捷911GT3承载式车身上。但随着碳纤维制造成本的下降，复合材料制造工艺的成熟，各大主机厂纷纷进行碳纤维零部件的开发，如今被广泛地应用于高级轿车上。

二、汽车轻量化的设计和实现

在目前车身设计中高度智能化、仿真精度高的三维设计软件的辅助下，车身设计目前实现轻量化的最主要的两种方法：一种是用密度相近，但是强度更高的钢材去替换低强度的厚钢板；一种是用密度更小，强度更高的复合材料去替换低强度的厚钢板。

（一）优化车声结构，提高材料利用率

比如车身下部由非连续性改为连续性，使得汽车在碰撞时有效分散撞击能量；增加加强筋；加强防滚架平衡杆；有限元法设计；采用承载式车身，减薄车身板料厚度等。

（二）优化制造工艺

比如激光焊接、搅拌摩擦焊、挤压成型、热处理、锁锚连接等。

（三）新材料的研发与应用

比如使用高强度钢材（热成型钢材）、轻合金（铝合金、碳纤维、镁合金）、记忆金属（微晶钢）、工程塑料、陶瓷、玻璃纤维等。刚度指的是材料抵抗外力变形的能力，通常在车身开发中特指材料在屈服前的弹性特性，良好的刚度是整车NVH性能、车辆动力性能和疲劳耐久性能的基础，常见的评判指标有车身扭转刚度等。刚度与材料的弹性模量相关，基本上材料种类确定，弹性模量也就确定了，比如采用高强钢并不会提升车身的刚性，因为钢的弹性模量都一样。

1.碳纤维

越来越多的新车上市，其中标榜的一项特点便是车身轻量化，而我们听到最多的一个词就是"碳纤维"。碳纤维又称碳化纤维，泛指一些以碳纤维编织或多层复合而成的材料。因为它又轻又坚硬，所以它的用途很广泛。碳纤维在汽车领域的应用率先从赛车开始，近年来在民用汽车中得到了广泛的引用。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000～43000Mpa也高于钢。但碳纤维材料也只是沿纤维轴方向表现出很高的强度，其耐冲击性却较差，容易损伤，所以在制造成为结构组件时，往往利用其耐拉质轻的优势而避免去做承受侧面冲击的部分。

2.结构胶

再比如结构胶，过去烘烤硬化结构胶只在车身上有少量应用，但是现在的趋势是可以通过采用更多的结构胶提升车身刚度性能，从而降低结构件的重量，奥迪、沃尔沃的一些车身上采用了超过100米的结构胶；再比如填充在车身接头的发泡硬化材料，可以有效替代传统加强板形式的加强件，即提升性能，又降低重量。

3.镁合金

镁合金是工程应用中最轻的结构材料，也是汽车轻量化材料中的一员。纯镁的密度仅为铝的2/3，钢的1/4，接近工程塑料的密度。而且镁合金的比强度也比铝合金、钢铁高。因此在不降低零部件强度条件下，镁合金铸件比铝铸件的重量减轻大约25%。此外，镁合金还有良好的焊接和铸造性能、对振动与冲击的吸收性能好，抗凹陷性能好，易于机械加工。但是由于价格较高和高温抗蠕变问题尚未得到有效解决，镁合金目前主要应用于仪表盘基座、风扇架、方向盘轴、灯托架等汽车零部件中。工程塑料具有质轻、防锈、吸震、可设计自由大等特点，工程塑料在汽车零部件，特别是内饰部件的应用越来越大。工程塑料在汽车上的用量，甚至超过了铸铁的用量。很多塑料零件应用于车身上，比如大众系的车子都采用了塑料的前端水箱框架，有些车子有塑料的后地板等等。

可见目前几乎所有的优化设计的思路都是在保持车身性能不下降的前提下降低车身重量，通过给定的工况下求出载荷的最佳传递路径，从而设计出最优的车身结构。与此同时，大量的新材料新工艺也在帮助车身降低重量。

三、结束语

要獲得汽车车身轻如蝉翼坚如磐石的最优效果，符合车身轻量化的理想状态，必然要受到成本和性能的约束，只有借助先进的数字化手段，充分发挥多工艺制造手段的优势，实现工艺制造技术和方法在车身上的合理化和精细化使用，才能有效地节能减排，提高汽车的整体质量，促使我国的汽车制造业与世界汽车工业的差距大大地缩短。

【参考文献】

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