轻量化车身减重设计研究

fawmat

轻量化车身减重设计研究

王立成，王松，汤湧

（华晨汽车工程研究院 白车身工程室，辽宁 沈阳 110141）

摘 要：目前节能减排成为汽车工业面临的重大挑战。白车身轻量化也已成为汽车行业重要的研究课题，是整车降低油耗的有效途径，文章主要阐述车身轻量化评价指标、实现车身减重有效途径。在零部件结构设计时，可以从提高牌号降低零件厚度、集成化设计思路、合理设计减重孔、调整焊接边尺寸及形状、多种材料混合车身等方面进行设计，进而实现白车身减重。

关键词：白车身；轻量化；设计

前言

随着社会的快速发展，越来越多消费者购买汽车，改善了人们生活水平的同时，节能、环保、安全和智能成为汽车发展的新动向[1]。与此同时，能源和环境是当今世界面临的两大问题，两者都与汽车产业发展息息相关，制造出“低能耗”、“低排放”甚至“零排放”的汽车是汽车行业等部门需要思考的问题。在采用相同动力系统和传动系统的前提下，乘用车的整车质量减重100Kg，每百公里燃油消耗平均减少0.2-0.8L，二氧化碳排放减少5-11g/km。相较于汽车的动力系统和传动系统的技术改革，轻量化是降低能耗、减少排放的最为有效的措施之一。在《中国制造2025》中关于汽车发展的整体规划中也强调了“轻量化仍然是重中之重”，“轻量化”已然成为国家的重要战略，越来越多的研究机构和汽车行业将其研究工作的重点放在汽车轻量化上。

1 车身轻量化系数

式中：

L为白车身轻量化系数（简称轻量化系数），单位Kg/ [N·m/(°) ·m2]；

m为白车身骨架重量，不含四门两盖，单位Kg；

Ct为白车身静态扭转刚度，带挡风玻璃，单位N·m/(°)；

A为白车身脚印面积（四轮间的正投影面积，如图2），单位m2。

图1

图2

轻量化系数[2]是一个综合了车身尺寸、性能和质量三方面的综合系数，用它来比较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。由计算公式可知，若减小轻量化系数，可以通过提高扭转刚度或增大脚印面积，其中，也可降低白车身重量来实现。

2 车身减重实现途径

白车身不包含前风挡、四门两盖及副车架等（如图3），因为这些系统都是安装在白车身结构上，而车身的结构性能主要是指白车身框架结构的性能。

图3

在保证性能的前提下，降低白车身重量，可以通过以下途径来实现：

2.1 提高牌号降料厚

在保证性能不变情况下，可以降低零件料厚的同时，提高材料强度。

2.2 集成化设计

钢板强度越高，其成形性能一般越差，尤其是强度超过1200MPa常规的冷冲几乎无法实现稍复杂零件的成形，此时，可以采用热冲压成形技术[3]。

目前，激光拼焊板热成形、补丁板热成形是较好的实现减少零件数量，降低重量的技术，如图4。

图4

2.3 合理设计减重孔

根据零件结构，可以在保证性能的前提下，合理的将零件中部掏空，做到所谓真正的轻量化，如图5。

图5

2.4 调整焊接边

前期根据传统点焊机的操作空间，将焊点搭接边统一设计成15mm以上。随着工艺水平的提升，或激光焊接等工艺的应用，搭接边可根据现有工艺做相应缩短或调整。此外，在无需焊接之处，可设计成交替的锯齿状搭接，如图6。

图6

2.5 合适材料用在合适的位置[4]

图7 铝合金压铸后纵梁、CFRP后隔板

如奥迪A8、宝马等车型的车身选材趋势一样，以钢、铝材料为主，碳纤维增强塑料（CFRP）等复合材料为辅的多材料混合车身，成为轻量化车身的设计趋势。

3 结论

通过车身轻量化系数分析，我们可以得知很多轻量化方案，经过的benchmark对比、工艺的成熟度及仿真验证，进行方案的合理选择。当前车身轻量化系数仅可作为一个参考指标，而不是一个评判车身轻量化水平的绝对指标。