10.16638/jki.1671-7988.2018.07.044
郎勇
（吉利汽车前瞻技术研究部，上海201501）
摘要：轻量化技术已经成为汽车工业发展的重要研究课题之一，如何提高汽车轻量化水平已引起了汽车行业的广泛关注，文章主要从车身轻量化评价指标入手，根据车身结构特点，从车身设计角度，详细探讨了车身轻量化的实现方法。
关键词：汽车；轻量化；优化设计
中图分类号：U462.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2018)07-142-03
Design Method of Automobile Lightweight
Lang Yong
( Geely Automobile Prospective Technology Research Dept, Shanghai 201501 )
Abstract:The lightweight technology has become one of the important research topics in the development of automobile industry. How to evaluate the automobile lightweight level has attracted the attention of the automobile industry. In this paper, the article mainly starts with the evaluation index for the lightweight of body, According to the characteristics of body structure, from the angle of body design, the realization method of body lightweight is discussed in detail.
Keywords: Body; lightweight; Optimal design
CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2018)07-142-03
引言
随着汽车设计技术水平的提高，轻质材料的推广，工艺制造水平的提高，通过合理的车身结构、新材料的应用、新工艺实施，以更低的重量，实现整车性能目标成为可能。 1 车身轻量化评价方法
目前汽车行业内公认的评价车身轻量化设计指标是白车身轻量化系数。
白车身轻量化系数作为汽车轻量化的评价指标，考虑了车身扭转刚度、车身大小、质量水平，对白车身材料的合理使用、结构优化设计有重要意义。 1.1 车身轻量化评价方法
轻量化系数计算公式，如下：
其中：
—L为轻量化系数；
—m为白车身重量(不包含四门两盖及玻璃)；
—K TG为车身扭转刚度；
—A为四轮的正投影面积(即轮距×轴距)。
2 车身轻量化设计方法
按摩毯
依据车身轻量化系数公式可知，随着车身质量减轻与车身扭转刚度提高，车身轻量化系数将减少，车身轻量化水平将提高。
2.1 减轻白车身重量m
轻量化系数主要考核的是单位重量的白车身所实现的车身性能。
作者简介：郎勇，男，工程师，就职于上海华普汽车有限公司。研究方向：材料及汽车轻量化技术。
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郎勇：车身轻量化设计方法
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在保证车身性能的前提下，降低白车身质量，可能通过如下途径实现。
2.1.1 提高高强度钢板用量，减少材料厚度
零件材料厚度的减少，必须提高材料强度，以保证零件可靠性。
高强度钢板 除了随着强度增加，冲压性能变差，回弹量大尺寸难以控制外，其优势如下：
——高成型性，高强度及抗凹陷性；
——屈服强度高，是能够减薄板厚，降低重量； ——吸能性强，在减重的同时提高汽车安全性； ——耐腐蚀性好，使用寿命长。
——相对于传统340MPa 的材料，600MPa 级钢种的减重潜能约为20%。
——经济性好，可以沿用原有的冲压设备及焊接设备。 目前钢板车身已大量使用高强度钢板（包括高强度、超高强度和夹层减重钢板），可以在不增加成本的前提下，实现车身降重25%（以4门轿车为参照），且静态扭转刚度提高80%，静态弯曲刚度提高52%，车身强度极大的增加，满足全部碰撞法规要求。
目前高强度钢主要应用在汽车安全件、底盘及车身等方面，特别是车身座舱的A 、B 柱，门槛，车顶边梁以及底盘中央通道等关键部位上，可以大幅度提高车辆保护车内人员安全的能力。
如图1所示，高强度钢板在车身上的应用。
图1
2.1.2 减少车身零件数量，降低车身质量
高强钢强度越高，成形难度越大，尤其是当钢板强度达到1500MPa 时，常规的冷冲压成形工艺几乎无法实现，只能采用热成形技术。
图2
目前，车身应用的超高强钢的零件主要有前、后防撞梁、A 柱加强板、B 柱加强板、车门防撞梁等构件。通过热成形零件的使用，可以有效的减少加强板零件的数量，并减轻车
身质量。
以某传统车型为例，B 柱结构如图2所示，包括侧围外板、侧围内板、B 柱加强板及锁扣加强板等零件。其中，B 柱加强板的料厚为1.5mm ，锁扣加强板的料厚为2.0mm 。
通过对设计进行变更，B 柱加强板采用热成形工艺的高强度钢板，则可以省去锁扣安装板，减重大约2.5kg 。
2.1.3 采用多种材料，降低车身质量
以钢板车身、铝合金车身或钢铝混合车身为主，复合材料或塑料零件为辅，多种材料组成的车身日益成为轻量化车身的趋势。
铝合金材料具有如下优势： ——铝的密度约为钢的1/3；
——铝合金具有质量轻、耐腐蚀性好、耐磨性好，比强度高及可回收等优点；
——铝合金减重效果优于钢铁，汽车使用1kg 铝可替代2.25kg 钢材，相比于钢板车身，轻质铝合金车身可以减重30%～40%。
复合材料的优势： ——复合材料综合性好；
——复合材料具有密度低、体积质量小、强度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优点。
——如碳纤维增强复合材料（CFRP ）车身比钢质车身可减轻50%的质量，比铝车身轻约30%，如宝马I3。
工程塑料的优势：
——成形性好，质量轻，减重约20%～30%
——能够缓冲吸能，抗冲击性好，抗腐蚀性好，具有一定的耐热性。
在车身设计中，可以利用各种材料的性能优势，在满足车身性能的前提下，降低车身质理。
2.1.4 合理选择材料厚度，减轻车身质量
在车身设计中，合理选择材料厚度对车身质量的影响十分明显。以喇叭安装支架为例，根据喇叭性能的要求，有的设计者选用BLC t=1.2mm 的材料，有的选用BLC t=1.4mm 或BLC t=1.5的村材，单从材料厚度上看，相差不大，但实际上，选用t=1.2mm 就能满足要求，而选用t1.4mm 及t=1.5mm 的材料就属于过度设计。相比较而言主，选用t=1.2mm 的材料，从重量上零件就可以减轻0.014kg 。如果考虑全车近500多个零件，则轻量化较果相当的明显。
如何选用合理的材料料厚，需要结合以往的设计经验，并与CAE 分析相结合，达到减重的目的。
2.1.5 设计减重孔，减轻车身质量
通过设计减重孔，减轻零件质量，并根据零件结构，合理设计加强筋及翻边强结构，适当增加零件的强度，如图3所示，增加减重孔来减轻零件质量并设计翻边结构，增加零件强度。
slqq汽车实用技术
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图3
2.1.6 合理设计焊接搭接边，以减轻零件质量
焊接边的设计需要根据焊接流程及生产实际与工艺水平
进行合理设计。不能只考虑设计方便，均设计成L=15mm的焊接边。
应根据焊接顺序及零件的大小，参考生产实际工艺水平，分别对待。例如，有的零件的焊接边就可以设计成L=12mm。
通过优化焊接边的设计，可以达到减轻零件质量的目的，从面减轻车身的质量。
2.1.7 控制车身用胶量及阻尼板的布置面积与厚度，减轻车身质量
车身的用胶量及阻尼板的使用面积=与厚度对车身质量具有一定的影响，通过优化可以达到减重5kg～10kg左右。
阻尼板的布置应参考CAE分析结果，进行确定。
2.1.8 采用先进的焊接技术，减轻车身质量
传统的点焊技术，通常对车身质量影响不大。但CO2保护焊的使用，则对车身质量影响较大。在车身结构设计时，应通过结构优化，尽量减少CO2保护焊的应用。
对不同厚度要求的板料，可以考虑采用激光拼焊技术，减少零件数量，减轻车身质量。如前纵梁内板，根据正面碰撞的性能要求，其前段要求吸能，后段要求具有一定的强度，以控制发动机等零件对前围板的侵入。因此要求其本体前后两段料厚不一致，如图4所示，前段料厚为1.2mm，后段料厚为1.8mm。
图4
如采用传统方式设计，前纵梁内板需要拆分成两个零件，即：前纵梁内板前段与后段，并通过点焊焊接成前纵梁内板本体。两个零件均需要设计焊接搭边，以便进行焊接，零件重量必然有所增加。同时，在制造工艺上，共需要八套模具与一套焊接工装，同时在焊装线上需布置一个焊接工位，不利于降低成本。
如采用激光拼焊技术，将前纵梁内板前段与后段焊接成一体，进行冲压，制成一个零件，从而减少焊接搭边及工装器具，能够达到有效降低成本，减轻零件质量的目地。
2.1.9 控制标准件有效长度选用，减轻车身质量
在车身设计中，标准件的选用量很大，总质量占车身质量的3%～5%左右。但标准件有效长度的选用，通常关注度不高。在设计时，因设计者而异，基本无统一标准，比如焊接螺栓的选用，有的设计人员选用L=15mm，有的选用L=20mm，有的选用L=25mm，但如果选用L=15mm的就能满足设计要求，那么选用L=25mm或L=25mm，就可以进行优化设计，减轻车身质量。
nfs52.2 提高扭转刚度K TG
白车身扭转刚度是车身重要的力学特性之一。
2.2.1 增加板料厚度，提高车身扭转刚度
经对零件扭转刚度敏感度分析发现，板材料厚的增加对零件的扭转刚度影响明显。
但材料厚度的增加，对车身轻量化不利。此方法只适用于局部扭转刚度相对薄弱的单个零件进行调整。
纳米烟嘴2.2.2 优化结构断面，增加接头刚度，提高车身扭转刚度
由白车身地板、纵梁、侧围A、B、C柱区域、上下边梁及顶盖的前、中、后横梁等零件组成的一个个闭合型腔结构，支撑起整个车身，保证车身的性能指标达到设计要求。而白车身刚度主要是由这些闭合型腔的断面，即车身结构主断面的力学特性所决定的。断面的面积与断面的主惯性矩是计算断面刚度的主要参数，是影响白车身刚度特性的重要因素。通常这些封闭断面的面积或主惯性矩越大，对白车身刚度越有利。所以，优化这些结构断面是提高车身扭转刚度具有重要意义。
车身接头刚度对整车安全、刚度及强度有重要的影响。车身结构中两个以上承载构件相互交叉连接的部位称为接头或节点。车身接头示意，如图4所示。
钼加工
图4
这些车身上的T形接头与其它承载件共同形成了一个牢固的车身承载结构。接头部位对结构的系统影响较大，应当保持足够的刚度。刚度不足，会导致局部区域出现大的变形，从而影响车和正常使用。p503
在设计时，应保证接头尽量采用封闭盒状结构，加强接头处断面的结构设计与优化，保证接头的强度。提高车身的扭转刚度。
3 结论
本文系统论述了车身的轻量化的设计方法与途径。车身轻量化设计的基础是在保证汽车的被动安全、刚度、噪声、振动和平顺性等性能提高或者不降低的前提下 通过结构优化设计、轻量化材料的应用、材料厚度的减薄及合理的制造工艺等手段来实现的。
参考文献
[1] 何莉萍.汽车轻量化车身新材料及其应用技术[M].湖南大学出版
社.2016,9.
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