1、汽車輕量化解決方案全鋁車身結構設計           伍成祁摘要： 解決汽車節能環保的問題，有提高傳統燃油發動機的能效、發展新能汽車、應用輕量化技術三個方向。比較以上三種技術路線，在當今發動機技術提升難度日益加大、動力電池效率不高的背景下，不論對傳統燃油汽車，還是新能源汽車，汽車輕量化技術都是一項共性的基礎技術。大力發展并推進汽車輕量化技術，成為節能、減排的主導之一。而實現汽車輕量化技術又有三個技術途徑：一種“輕量化材料”要通過一種“輕量化工藝”來實現一種“輕量化結構”。關

2、鍵詞：汽車輕量化 全鋁車身  型材截面優化Stiffness Mass Efficient 由于世界能源的隨時枯竭與環境的日益惡化，世界各行各業都積極行動起來，根據政府的優惠政策與民眾的強烈要求，在節能、環保方面進行了高投入研發其高效節能、積極環保的產品。汽車產業首當其沖，其汽車零部件的制造，遷聯到能源、鋼材、鋁材、合金、塑料、橡膠、玻璃、化工、機械、電器、信息等各行各業，對汽車節能環保的要求，就是對其它相關行業的要求。對汽車進行輕量化結構的研究，要聯系相關行業的專業知識，進行綜合性的研究。一、汽車輕量化的目的就汽車產業而言，根據汽車

3、產品的特點，降低油耗或提高燃油效率、減少或清潔排放對環境的污染，是節能環保研發的主要目的。從全球汽車產業來看，解決汽車節能環保問題主要采用以下三種方式：一是大力發展先進發動機技術，通過對傳統發動機的改良和一系列汽車電子技術的應用，來提高燃燒效率，改善燃油經濟性。二是大力發展新能源汽車，通過研發先進新型發動機技術和推廣使用氣體燃料、生物質燃料、煤基燃料、高效電池等動力替代傳統能源來減少汽車燃油消耗和對石油資源的依賴。三是大力發展汽車輕量化技術，在保障汽車安全性和其他基本性能的前提下，通過減輕汽車自身重量降低能耗來實現節能減排的目的。比較以上三種技術路線，在當今發動機技術提升難度日益加大、動力電池

4、效率不高的背景下，不論對傳統燃油汽車，還是新能源汽車，汽車輕量化技術都是一項共性的基礎技術。大力發展并推進汽車輕量化技術，成為節能、減排的主導之一。汽車的輕量化，英文名：Lightweight of Automobile，涵義是“在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。”世界節能與環境協會的研究報告指出：汽車自重每減少10，燃油消耗可降低68，排放降低5%6%。而燃油消耗每減少1升，CO2排放量減少2.45kg。燃油消耗量減少不僅有利于節約能源，也可有效減少污染物排放。當前，由于節能和環保的需要，汽車

5、的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流。伴隨著技術進步，制造汽車車身的材料已經不僅僅是鋼鐵了，越來越多的新材料被應用到車身的制作中。其中包括：玻璃鋼、鋁合金、碳纖維、塑料、高分子復合材料等等。這些相對于鋼鐵比重要低得多的輕質材料，為實現汽車輕量化成為了工程師們的考量選材。二、汽車輕量化的實施在實現汽車輕量化設計時，首先必須要確保其整體汽車結構達到國家的汽車安全標準，其次確保其使用性能達到或超越傳統鋼制車身的要求。汽車輕量化設計與整車的安全性是一對矛盾體，如果為了滿足各種法規的要求，保障乘員的安全，就應提高車身結構的抗彎強度、抗扭強度、側翻強度、碰撞吸能等特性；如果為了汽車的燃油經濟性、減少排放等因

6、素考慮就應減輕車身的質量。因此汽車車身輕量化是在保證汽車整體性能不受影響、確保車身強度、剛度和模態等結構特性要求的前提下，來減輕車身質量的一種設計趨向。所以要求汽車輕量化設計要充分地從材料分析、結構力學、生產工藝、人體工程、工業設計、交通運輸、經濟效益等眾多各不相同的學科緊密地聯系在一起進行綜合性研究開發。汽車車身輕量化的實現，主要包括輕量化的材料使用和輕量化的結構設計，以及輕量化的制造工藝這三個方面。前者是車身輕量化的主流，即采用輕量化的金屬和非金屬材料，主要是采用高強度鋼材、鋁鎂合金、工程塑料、碳纖維、新型玻璃、陶瓷和各種復合材料；后者是利用 “以結構換強度”的結構優化設計和有限

7、元分析等方法，通過改進汽車結構，使部件薄壁化、中空化、小型化、模塊化及復合化等以減小車身骨架、車身蒙皮等零部件的質量來達到輕量化目的。實際上兩者是緊密相連的，往往采用輕量化材料結合輕量化結構設計，在性能不降低的前提下獲得汽車車身的輕量化。 但是，一種 輕量化材料結合輕量化結構的設計方案，還需要一種優良的制造工藝來保證其完善實施。也就是說一種輕量化材料要通過一種優良的制造工藝來實現一種輕量化結構設計。因此，輕量化制造工藝顯得特別重要。總之，汽車輕量化的實施，還需要通過試制樣車，進行試驗，總結設計經驗，對其輕量化設計結構進行優化與完善。汽車車身輕量化設計中的結構優化包括：型材截

8、面優化、連接工藝優化和結構拓撲優化。型材截面優化和連接工藝優化，根據材料特性、受力分析、制造工藝等實踐經驗進行設計優化。結構拓撲優化是在一定空間區域(骨架部件或結構整體)內尋求材料最合理分布的一種優化方法。它的目標是根據一定的準則，在滿足各種約束條件下，在結構上開孔、打洞，去除不必要的構件和材料，使結構在規定意義上達到最優，表現為“用材最小、剛度最大”設計。由于拓撲優化設計自由度大，所以通常用于設計初期和概念設計的階段。 三、車身的輕量化結構設計     車身的輕量化設計，需要根據不同的材料選擇合適的結構形式。下面是最常用的幾種車身形

9、式，通過分析比較，選擇不同的輕量化處理方法。   1）、碳纖維車身結構：碳纖維的密度要比鋼材低4倍左右，而強度和硬度都是鋼材的兩倍。雖然它很堅韌，但有受力向度的問題，即整體中的某些部位不太能受力，根據其材料的特點必將車身設計成一體式整體結構，這種結構設計可以營造極輕量的車身重量，但同時會有較大的發動機振蕩傳入車廂，其材料價格昂貴，手工張貼工藝效率低，報廢期后碳纖維無法回收利用。主要用于批量少的高端乘用車上。如蘭博基尼、法拉利等車上。2)、玻璃鋼車身結構：玻璃鋼材料與碳纖維一樣，呈纖維布的形狀，其制作工藝大都采用手工張貼制作工藝，它集合了碳纖維所有的缺點，車身結構只

10、能設計成一體式整體結構，由于其強度遠低于碳纖維，一般只用汽車的零部件、外蒙皮等附件上。大客車的前后圍蒙皮常用玻璃鋼來制作，是因為客車產量少，蒙皮面積又大，不宜開模，只能適應玻璃鋼的手工工藝。3)、鋁管式車身結構。利用鋁材可擠壓成型材的特點，事先擠壓成各種所需截面的型材，此類車身結構的特點大都是“骨架加蒙皮”（板梁式）的形式存在，如以奧迪R8全鋁車身為例，它們的ASF車身結構在外型上基本是一體式鋁制蒙皮的構造，鋁型材骨架本身已經勾勒了車身的線條，與一體式車身稍有不同的是少了一些一體壓制的車身內板件，取而代之的是增加大量的鋁型材結構分布。根據奧迪公布的數據，使用全鋁車身ASF的R8比使用傳統一體式

11、鋼制車架的車輛能減輕高達40%的車架重量，與此同時整體車架的剛度也有40%的增加。而湖南南車時代設計的高鐵全鋁車身卻采用了骨架與蒙皮結合于一體的鋁型材結構（型材式），其強度可佳，但其重量與鋼結構一樣重。湖南晟通集團汽車工程研究院研制全鋁車身12m公交車，采用了 “板梁式”與“型材式”相結合的結構形式，在達到與鋼制車身一樣強度的前提下，其車身質量減少了50%，整備質量減少30%，滿載質量減少了20%，其節能效果明顯，達到了國內外先進技術水平。4)、鋁板式車身結構：鋁板式車身結構與傳統的鋼板式車身結構是一樣的，板材通過液壓成形各種內外板，然后將內外板結合在一起，鋼板車身是焊接的，而鋁板車

12、身則是通過一種環氧樹脂將鋁制內外板剛硬地結合起來，堅固度高得出奇，經過撞擊試驗，而扭曲的車身沒有一處結合環氧樹脂的地方崩斷。另外還能夠避免以焊接方式連接鋁件，可以用上薄一點的鋁材，進一步的降低車架的重量。其缺點是鋁的壓延性太差，液壓成形工藝復雜，成本高。如全新的（2013款）第四代攬勝全鋁車身就是采用了此種結構技術與連接方式。總之，通過以往使用經驗與綜合條件分析，采用鋁制的“骨架+蒙皮”的車身結構設計，再配合型材截面優化、連接工藝優化和結構拓撲優化，是目前實現汽車輕量化設計的最佳解決方案。四、骨架與蒙皮的成形工藝      以下再探討

13、一下關于全鋁車身的骨架與蒙皮制作工藝。1)、車身骨架成形工藝車身骨架由鋁合金材料通過擠壓模擠壓出各種斷面的閉口或開口的長條形結構型材（是鋼材無法辦到的），可根據需要鋸切任意長度。這種鋁型材還要根據車身結構需要進行變截面變形加工，達到車身結構形狀的要求。于是一種“型材液壓成形”技術應聲而生。型材液壓成形技術應用主要為底盤大梁、車身結構、各系統零部件的骨架變形加工，因其具備高剛性、尺寸精度與穩定性高、較為耐蝕、工件數少、制作過程簡化、成本降低等優點，該技術在汽車制造業廣泛應用。此技術保證了零部件精準的尺寸和形狀，在充分利用空間、贏得更多軸力度和硬度的同時，減輕了重量。由于型材液壓成形技術不僅簡化了

14、模具結構，還減少了模具副數，改善了材料嚴重變薄的狀況，提高了產品質量，大幅度降低了生產成本，因此型材液壓成形零部件需求快速增加。2004年北美生產的典型車型中將有50%結構體零件采用型材液壓成形技術制造。    以型材液壓成形技術制造結構件的車型，經碰撞測試結果，其安全性比傳統的“板材沖壓”制造結構件要好，同時整車質量有了大幅度的降低。因此在北美、歐洲制造的轎車、客車、高鐵中，空心輕體的鋁型材構件在轎車總量的比例已從15年前的10%上升到20%，而在貨車、客車、專用汽車、越野吉普車等的比例已達到70%以上。    

15、梁柱結構是車身骨架的基本承載單元，在車身總成中所占比例較高。評價輕量化對剛度的影響程度可使用SME(Stiffness Mass Efficient)值，即“單位質量所具有的剛度值”進行比較。SME 值越高，表明該結構在保持剛度不變的情況下輕量化效果越好，反之亦然。比如：鋁材與鋼材相比，如果用鋁材制作的結構件，其強度大于同等質量的鋼材結構件30%。所以說，如果保持與鋼結構件同等強度前提下，其鋁結構件要輕30%左右。從結構輕量化途徑考慮，在滿足空間尺寸限制的前提下，我們還可以從“型材截面優化”方面來增加其結構件的強度（鋼制型材無法辦到的），如增加矩形截面薄壁梁的高度

16、為提高其彎曲和扭轉剛度的最佳方案，增加寬度僅能提高其扭轉剛度，但改變壁厚沒有效果。如增加矩形截面薄壁梁中的筋板個數為提高其彎曲和扭轉剛度的最佳方案，但改變壁厚沒有效果。如增加矩形截面薄壁梁中的筋板形狀為提高其彎曲和扭轉剛度的最佳方案，但改變壁厚沒有效果。如增加圓筒截面的直徑為提高其彎曲和扭轉剛度的最佳方案，但改變壁厚沒有效果。與上述閉口情況相反，對于任意開口截面，增加壁厚為提高其扭轉剛度的最佳方案，但開口型材的扭轉剛度遠遠小于閉口型材。2)、車身蒙皮成形工藝車身蒙皮是指附蓋在車身骨架上的外蒙皮，鋁板蒙皮加工成形方式與鋼板蒙皮加工方式基本上相同，通過液壓機與模具對板材進行沖壓成形，由于鋁板的拉伸

17、性比較差，因此在對鋁板進行沖壓成形時，要對模具進行潤滑性改良，或對鋁板進行退火處理，或對鋁板進行加熱處理。對于有強度要求的結構件，在進行退火、加熱處理成形后，還要進行恢復強度的時效處理。還有一種全鋁車身蒙皮成形工藝，就是型材式的擠壓成形蒙皮，其與骨架連接后，可以增加骨架20%的強度。如沃爾沃生產的公路客車與晟通研制城市客車都采用了此項技術。五、鋁型材連接工藝車身各零部件的連接是指骨架與骨架、蒙皮與骨架、鋼件與鋁件、車門與骨架、內飾與骨架等各零部件之間的有效連接，對于全鋁車身結構來說，重點在骨架與骨架、蒙皮與骨架之間的連接，通過資料調查表明，目前全世界全鋁車身結構設計的制造企業，大概分為三類：一

18、是以英國亞歷山大丹迪斯為代表的鉚釘連接工藝；二是以法國肯聯為代表的螺栓連接工藝；三是以美國美鋁為代表的焊接連接工藝。按汽車輕量化的輕量準則，其焊接連接工藝最輕，其次是鉚釘連接工藝，螺栓連接工藝最重。按疲勞強度可靠性來說，螺栓連接工藝和鉚釘連接工藝最佳，其次是焊接連接工藝。按生產成本核算，焊接連接工藝最省，螺栓連接工藝最貴。六：總結為達到汽車節能環保的目的，對汽車進行輕量化結構設計，是最直接、最有效的途徑。在輕量化材料選擇上，利用鋁材可擠壓成各種截面形狀的特點，從而達到從截面結構上增加整體結構的強度，是高強鋼、玻璃鋼、碳纖維、不銹鋼等材料無法做到的。所以說，鋁合金材料是實現汽車輕量化的首選材料。全鋁車身結構技術，在其輕量化材料、輕量化工藝、輕量化結構三個方面的研究成果，是汽車輕量化的最佳解決方案。湖南晟通集團汽車研究院全鋁汽車項目技術負責人：伍成祁  關鍵詞解釋：1)、Stiffness Mass Efficient：單位質量所具有的剛度值：SME=K/M，系數=剛度/質量。將車身薄壁梁截面參數對其彎曲剛