新材料与工艺手册

[车身轻量化] 汽车车身轻量化研究和创新应用

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发表于 2020-11-24 10:19:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车车身轻量化研究和创新应用
王廷海
(北汽福田汽车股份有限公司诸城奥铃汽车厂,山东 诸城 262200)
摘 要:汽车车身轻量化能够帮助汽车行业实现绿色节能减排发展的重要途径,并且经过对比减轻汽车自重和其他节能措施具有更高的经济可行性。在此前提下,本文对于当前轻量化概念进行了介绍并简述了相关工艺,最后对于当前轻量化创新应用进行了论述,希望为相关研究提供一定的参考。
关键词:轻量化设计;材料工艺;应用
查询相关资料可以得知,当汽车自重降低10%时,百公里油耗能够降低约7%。为其排放则能够降低约5%。因此汽车车身轻量化能够降低汽车油耗,减少尾气排放。当前的汽车制造过程中,车身大约占据了汽车自重的25%~30%,但是其生产成本仅仅占据了汽车整体的10%。因此从经济角度来看,降低汽车车身重量,具有低成本高收益的效果,因此值得我们大力开展研究。
1 车身轻量化技术路线1.1 车身轻量化概念
车身轻量化简单而言就是在保证汽车的性能和舒适度的前提下,在合理的而预算内降低车身的重量。轻量化的过程中,如何实现汽车性能、生产成本和重量之间的平衡是技术的关键。
1.2 车身轻量化技术路线
想要实现车身轻量化,需要从原始设计和施工工艺来进行改善,其路线思路如图1所示。
图1 车身轻量化技术路线

1.2.1 轻量化设计
车身轻量化设计包含了前期架构和施工控制,来实现车身轻量化。
(1)轻量化先期架构开发。在早期研究中,汽车车身架构主要集中但单独的车型,但是当前信息自动化技术的不断增强,当前已经可以实现在统一平台中进行多种车型轻量化研究,同时能够结合当前的信息技术和模型绘制来进行智能化设计。
(2)综合考虑结构和布置,进行多学科拓扑优化,制定结构设计策略。在结构设计方面,应用CAE软件辅助开发,通过整车集成式优化设计手段完成减重目标。通过架构断面解耦,结合参数化模型库和制造工艺策略,搭建全参数化模型,使典型断面精益化并具有共用性,形成典型断面库。通过全面的CAE虚拟分析和多学科优化,对关键参数进行综合优化,如MDO结构材料的料厚优化和零部件集成化设计减少独立部件数量,达到减重增效之目的。
2 轻量化技术的创新应用2.1 创新材料——全铝前盖应用
在创新应用轻量化技术的过程中,除去前文中的设计和工艺的改善,采用更好的材料也是实现车身减重的重要措施之一。例如可以采用全铝制的前盖,通过对比,同样面积的铝盖比以往铁质材料的重量能够减少约5.5 Kg,具体对比数据见图2。另外铝合金前盖具有更好的造型特性,能够实现造型、质量、结构的最佳配比。但是铝合金也存在着高温变形的特点,因此在实际利用和实际的过程中需要对于高温变形进行着重处理,保证其形变量在合理范围内。
铝材在车身上的减重效果尤其明显。主要有:(1)铝板冲压:通过冷冲压工艺即可获得复杂的零件形状,用于车身外覆盖件及车身非载荷路径上的结构件。优点是轻量化、抗蚀性能好、环保和易成型;(2)挤压铝:通过铝锭的挤压成形,使材料产生定向塑性变形,形成等截面的铝制型材,经过液压校正或3D弯曲加工,制造出具有一定力学性能的车身零件。优点是轻量化、高性能和零件集成度高;(3)高压真空薄壁铸铝(HPDC):是指将熔融铝合金以高速、高压注射入金属模具型腔,并在高压下凝固后形成铝合金件。
图2 前盖与其他车型比较图

2.2 利用新型软件技术——车身结构设计优化应用
在车身结构设计方面,采用拓扑优化、参数化快速模型及多学科参数优化等方法,对白车身进行载荷传递路径设计、优化与验证。利用辅助开发工具和评价体系,通过整车集成式的优化手段来完成减重目标,优先考虑结构优化。在项目开发过程中,采用了同一个模型中同时考虑结构、碰撞、NVH等多工况要求的优化方法,使减重结果更易于在整车开发中实施,并且通过对整车布置的不断调整,以及结构设计形式的调整,使减重方案效率更高、更有利于低成本高质量地完成减重目标。
3 结语
通过上文的论述,丰富车身轻量化技术,能够提升汽车轻量化的进程。作为行业从业人员我们坚信,随着工艺、材料、技术的不断更新,未来的轻量化技术将能够发挥出显著的效果,为汽车行业的节能减排和社会的绿色发展做出重要的贡献。


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