汽車車身輕量化研究的意義及可實施性

本文介紹了車身輕量化研究的意義及其可實施性，需要以成本收益作為前提，并利用實物驗證，闡述了材料、工藝和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對輕量化可實施性的影響。

進入21世紀以來，國際汽車工業(yè)發(fā)生了一系列重大變化，在市場競爭日趨激烈，汽車產(chǎn)品的多樣化，客戶對汽車安全性、舒適性和節(jié)能要求的提高，著眼于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，國家對汽車主機廠產(chǎn)品的節(jié)能減排的一個必然的發(fā)展趨勢下，減輕汽車重量、降低燃油消耗和減少污染物排放是各個主機廠無法回避的問題。輕量化節(jié)能成為汽車工業(yè)發(fā)展的核心問題，也是汽車技術(shù)研究的熱點問題。

據(jù)統(tǒng)計，汽車每減輕質(zhì)量10%，油耗可降低6%～8%。截至2016年3月底，全國汽車保有量1.79億輛。據(jù)預測，到2020年我國汽車保有量將達到2.5億輛，汽車車身占汽車總質(zhì)量的40%左右。車身的輕量化對整車的輕量化起著舉足輕重的作用，因此車身的輕量化對于節(jié)能減排，環(huán)保意義十分巨大。車身的合理輕量化還能提升汽車行駛的動力性、制動性、操穩(wěn)性、NVH及安全性能，對產(chǎn)品的市場競爭力提升也具有巨大意義。對于主機廠，在做到輕量化的同時，也需要考慮成本問題，這樣企業(yè)才能長期保持市場競爭力，因此單純的輕量化研究是沒有多大意義的。目前國內(nèi)關(guān)于車身輕量化的研究仍處于起步的階段，車身輕量化理論模擬的研究較多，考慮成本的輕量化研究更是鮮有報道。為了填補此方面的空白并為后期輕量化研究的目標及評價方法提供依據(jù)和標準，本文研究了某些車身零部件優(yōu)化后材料、工藝或結(jié)構(gòu)對輕量化及成本的影響，并對優(yōu)化方案作出了綜合評價。

輕量化研究

目前汽車輕量化方法主要分為五大類，即材料輕量化、工藝輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化、框架輕量化、邊界輕量化。本文主要以材料、工藝及結(jié)構(gòu)為變量，研究了它們對重量、成本的影響并對其作了綜合性評價。圖1所示為輕量化設計方案。

材料輕量化
⑴高強度材料替代低強度材料。
圖2所示為兩種車型白車身骨架，表1是高強板的使用對白車身重量及成本的影響。按照CNCAP碰撞要求設計的某平臺車型A，單車白車身沖壓件總重量為368.5kg，其中高強板（屈服強度≥210MPa）僅占白車身的44.75%；按照新CNCAP碰撞要求設計的某平臺車型B增加了高強板使用的占比，主要用高強板取代地板前端前輪罩及后座椅區(qū)域地板上的普通板，高強板的占比達到68.58%。在相同強度設計條件下可以減少板厚及重量，單車白車身沖壓件總重量降幅37.9kg，節(jié)約油耗1.5%～2.3%，單車成本僅增加485.4元。對于客戶的長遠經(jīng)濟來說，在燃油上可節(jié)約一大筆開支。同時高強板使用比例的增加，還提高了汽車車體的抗凹陷性、耐久強度和沖擊安全性。



圖1 輕量化設計方案



圖2 A車型（左）、B車型（右）白車身骨架（灰色：普通板，紅色：高強板）

表1 高強板的使用對白車身重量及成本的影響





圖3 某車型前防撞梁(紅色部分)、后防撞梁 (紅色部分)示意圖

雖然高強板的成形性相對于普通板差，尺寸控制困難，調(diào)試周期長，但成形性及尺寸的調(diào)控方面對于國內(nèi)供應商來說已經(jīng)不是難題。綜合上述分析，用高強板材料替代低強度材料不僅能降低車身重量，降低油耗成本，也為乘客提供了更加安全的駕車保證。

⑵鋁合金材料取代普通鋼板。
圖3所示為某車型前防撞梁(紅色部分）、后防撞梁 (紅色部分）示意圖，表2反映了鋁合金與鋼防撞梁在質(zhì)量和成本上的差異?？梢园l(fā)現(xiàn)運用鋁合金作為前后防撞梁可以減輕重量37%，但成本增加28%。由于鋁合金延展性比鋼材好，吸能性能好，在碰撞中的安全性有明顯優(yōu)勢。汽車前部的變形區(qū)在碰撞時會產(chǎn)生皺折，能吸收大量沖擊功，從而保護了后面的乘坐區(qū)。鋁合金在防撞梁的運用上性能優(yōu)勢明顯，盡管鋁合金防撞梁在價格上比鋼防撞梁略貴，但它給乘客帶來的更高安全系數(shù)是產(chǎn)品的一大亮點。鋁合金防撞梁也更有利于形成模塊化策略，縮短開發(fā)周期，能降低新車型開發(fā)風險。

工藝輕量化
⑴熱成形鋼板取代冷沖壓高強鋼。
冷沖壓DP780雙相鋼板組織為鐵素體（80%～90%）、馬氏體的混合結(jié)構(gòu)，Rm≥780MPa，22MnB5的原鋼金相組織由鐵素體和珠光體組成，Rm為550～590MPa，經(jīng)過熱成形工藝得到的熱成形鋼板，其組織為均勻的完全馬氏體，抗拉強度得到很大地提升，Rm≥1300MPa。熱成形鋼板的抗拉強度遠遠大于DP780，因此熱成形鋼板很適合汽車重要的抗沖擊部位。圖4所示為某車型熱成形零件的分布（紅色部分為熱成形零件），其側(cè)圍里板總成的子件A柱加強板、A柱上撐板、B柱上加強板、B柱加強板襯板、風窗支柱加強板、頂蓋弧形加強板、頂蓋弧形里板、風窗支柱內(nèi)板；車門上的子件前后車門防撞梁、前門側(cè)碰防撞加強板；前座椅前橫梁、前座椅后橫梁、后縱梁上加強板、下?lián)醢鍣M梁等重要抗沖擊和承載區(qū)的零件均采用22MnB5熱成形鋼板。以該車型B柱為例，在相同強度設計條件下，料厚為2.2mm的DP780鋼板可以被料厚為1.76mm的熱成形鋼板取代，單件成本節(jié)省2元左右，單件重量也減輕0.76kg（表3）。通過計算該單車上的22個熱成形鋼板零件相對于DP780鋼板降低成本2.5%，重量減輕7.3kg（表4），熱成形鋼板的使用既能降低成本又能減重，還能提高汽車車體的抗凹陷性、耐久強度和沖擊安全性，熱成形鋼板在車身上的大量使用是一個必然趨勢。

表2 鋁合金與鋼防撞梁在重量、成本上的差異




圖4 某車型熱成形零件的分布(紅色部分為熱成形零件)

表3 熱成形鋼板22MnB5與DP780雙相鋼重量、成本對比



表4 某車型用熱成形鋼板取代雙相鋼材料的收益



⑵分體式模壓尾翼改吹塑。

汽車后擾流板（圖5）的作用主要是為了減少車輛尾部的升力，從而增加車輪的地面附著力，改善高速汽車的動力學和操作穩(wěn)定性，后擾流板的重量對其性能影響不大，主要是形狀起到作用。模壓成形生產(chǎn)出的玻璃鋼擾流板，單件重量2.68kg，而吹塑工藝生產(chǎn)出的ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）樹脂或PC+ABS（工程塑料合金）合金樹脂擾流板重量卻只有1.5kg。相對于模壓成形，吹塑成形減重44%，單件成本降低18%，吹塑工藝能集成復雜的零件，制造工時少，有利于快速的工業(yè)化生產(chǎn)，因此吹塑對于某些特殊的零件來說是一個比較理想的加工方法。表5為玻璃鋼后擾流板與ABS，PC+ABS擾流板質(zhì)量、成本對比。



圖5 某車型后擾流板

表5 玻璃鋼后擾流板與ABS，PC+ABS擾流板質(zhì)量、成本對比



結(jié)構(gòu)輕量化
⑴分體式取代整體式。
圖6所示為同一平臺的分體式側(cè)圍和整體式側(cè)圍（兩個大小相近的SUV的側(cè)圍）的爆炸圖。從圖中可以看出分體式側(cè)圍零件相對于整體式較多，但便于車型的改款，材料的利用率也比整體式的高。分體式側(cè)圍可以替代很多加強板，如前風窗支柱加強板等。根據(jù)CAE分析，相對于整體式側(cè)圍，擁有較薄厚度、較低材料強度加強板的分體式側(cè)圍就能滿足碰撞性能要求，表6是分體式和整體式側(cè)圍總成的重量和成本的對比?？梢钥闯?，相對于整體式結(jié)構(gòu)，分體式結(jié)構(gòu)重量降低37%，成本降低25%，分體式側(cè)圍不論從輕量化還是降成本角度上講都是更好的結(jié)構(gòu)設計選擇。
表6 分體式、整體式側(cè)圍總成重量及成本對比





圖6 分體式（左圖）、整體式（右圖）側(cè)圍爆炸圖



圖7 隔音結(jié)構(gòu)隔音墊（左）及吸音+隔音結(jié)構(gòu)隔音墊（右）

⑵前圍隔音墊結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
汽車在行駛中會產(chǎn)生一定的噪聲，為了消音降噪，會在汽車內(nèi)飾中加上隔音材料來提升駕乘舒適性。隔音材料的隔音效果與[20log(ρ·ƒ）-47.3]成正比，其中ρ為隔音材料的面密度，ƒ為音頻。以某車型前圍隔音墊為例，初始隔音材料如圖7中左側(cè)圖所示，它的結(jié)構(gòu)為兩層結(jié)構(gòu)，靠近鋼板的材料為PU（泡沫塑料）層，外層為POE（辛烯和聚烯烴樹脂組成）重涂層區(qū)，噪聲從鋼板處發(fā)出經(jīng)過PU層會被緩解掉一部分，但是沒法完全被根除，大部分會被大面密度的重涂層材料隔離反彈回PU層緩解掉，未被緩解掉的聲波又被重涂層擋回去，噪聲這樣就被徹底消耗掉。盡管這種結(jié)構(gòu)的隔音材料隔音效果較好，但是由于重涂層密度過大，材料較重，為了降低材料重量，設計出了如圖7（右）所示的三層結(jié)構(gòu)。近鋼板層為吸音材料軟層毛氈，中間層為隔音膜，它起到反彈聲波的作用，最外層為有一定吸音功能的硬質(zhì)毛氈，它吸收剩余聲波。經(jīng)過試驗驗證這種三層結(jié)構(gòu)的吸音+隔音結(jié)構(gòu)隔音墊相對于兩層結(jié)構(gòu)的隔音墊吸收中低頻噪聲效果略差，高頻較好，整體對比相當。隔音墊一般用于前圍、中央通道、后座椅位置，經(jīng)試驗驗證計算，三層吸音+隔音結(jié)構(gòu)隔音墊用于單車上能降低車身重量8kg，降低成本16%。這種具有相當隔音效果的結(jié)構(gòu)既能降低車身重量又能降成本，在車身上有很大的應用前景。
結(jié)論

通過以上實際案例研究，得出以下結(jié)論：
⑴將高強鋼在白車身上的應用比例由44.75%提高到68.58%，車身總重量可降低37.9kg，節(jié)約油耗1.5%～2.3%，單車成本僅增加485.4元。對環(huán)保和客戶來說是長期受益的。
⑵行駛安全性更好的鋁合金前后防撞梁相對于鋼質(zhì)防撞梁可以減重37%，但成本增加28%。
⑶熱成形鋼22MnB5比雙相鋼DP780有更高的抗拉強度，使用熱成形鋼取代雙相鋼不僅能降低車身重量還能一定程度降低成本。
⑷吹塑出來的ABS樹脂或PC+ABS合金樹脂汽車后擾流板相對于模壓成形玻璃鋼擾流板能減重44%，成本降低18%。
⑸同一平臺的分體式側(cè)圍比整體式側(cè)圍重量輕37%，成本降低25%，分體式側(cè)圍是一種較為理想的結(jié)構(gòu)設計。
⑹吸音+隔音三層結(jié)構(gòu)式的隔音墊能降低整車質(zhì)量約8kg，單車降低成本16%。

作者簡介
董文健，碩士學歷，工程師，主要從事車身底部結(jié)構(gòu)設計以及國產(chǎn)化項目管理工作，已擁有1篇第一作者SCI論文。

——節(jié)選自《鍛造與沖壓》2018年第12期