汽車(chē)輕量化解決方案—全鋁車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、汽車(chē)輕量化解決方案全鋁車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)           伍成祁摘要： 解決汽車(chē)節(jié)能環(huán)保的問(wèn)題，有提高傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的能效、發(fā)展新能汽車(chē)、應(yīng)用輕量化技術(shù)三個(gè)方向。比較以上三種技術(shù)路線，在當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)提升難度日益加大、動(dòng)力電池效率不高的背景下，不論對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，還是新能源汽車(chē)，汽車(chē)輕量化技術(shù)都是一項(xiàng)共性的基礎(chǔ)技術(shù)。大力發(fā)展并推進(jìn)汽車(chē)輕量化技術(shù)，成為節(jié)能、減排的主導(dǎo)之一。而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化技術(shù)又有三個(gè)技術(shù)途徑：一種“輕量化材料”要通過(guò)一種“輕量化工藝”來(lái)實(shí)現(xiàn)一種“輕量化結(jié)構(gòu)”。關(guān)

2、鍵詞：汽車(chē)輕量化 全鋁車(chē)身  型材截面優(yōu)化Stiffness Mass Efficient 由于世界能源的隨時(shí)枯竭與環(huán)境的日益惡化，世界各行各業(yè)都積極行動(dòng)起來(lái)，根據(jù)政府的優(yōu)惠政策與民眾的強(qiáng)烈要求，在節(jié)能、環(huán)保方面進(jìn)行了高投入研發(fā)其高效節(jié)能、積極環(huán)保的產(chǎn)品。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)首當(dāng)其沖，其汽車(chē)零部件的制造，遷聯(lián)到能源、鋼材、鋁材、合金、塑料、橡膠、玻璃、化工、機(jī)械、電器、信息等各行各業(yè)，對(duì)汽車(chē)節(jié)能環(huán)保的要求，就是對(duì)其它相關(guān)行業(yè)的要求。對(duì)汽車(chē)進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)的研究，要聯(lián)系相關(guān)行業(yè)的專業(yè)知識(shí)，進(jìn)行綜合性的研究。一、汽車(chē)輕量化的目的就汽車(chē)產(chǎn)業(yè)而言，根據(jù)汽車(chē)

3、產(chǎn)品的特點(diǎn)，降低油耗或提高燃油效率、減少或清潔排放對(duì)環(huán)境的污染，是節(jié)能環(huán)保研發(fā)的主要目的。從全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)來(lái)看，解決汽車(chē)節(jié)能環(huán)保問(wèn)題主要采用以下三種方式：一是大力發(fā)展先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的改良和一系列汽車(chē)電子技術(shù)的應(yīng)用，來(lái)提高燃燒效率，改善燃油經(jīng)濟(jì)性。二是大力發(fā)展新能源汽車(chē)，通過(guò)研發(fā)先進(jìn)新型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和推廣使用氣體燃料、生物質(zhì)燃料、煤基燃料、高效電池等動(dòng)力替代傳統(tǒng)能源來(lái)減少汽車(chē)燃油消耗和對(duì)石油資源的依賴。三是大力發(fā)展汽車(chē)輕量化技術(shù)，在保障汽車(chē)安全性和其他基本性能的前提下，通過(guò)減輕汽車(chē)自身重量降低能耗來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。比較以上三種技術(shù)路線，在當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)提升難度日益加大、動(dòng)力電池

4、效率不高的背景下，不論對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，還是新能源汽車(chē)，汽車(chē)輕量化技術(shù)都是一項(xiàng)共性的基礎(chǔ)技術(shù)。大力發(fā)展并推進(jìn)汽車(chē)輕量化技術(shù)，成為節(jié)能、減排的主導(dǎo)之一。汽車(chē)的輕量化，英文名：Lightweight of Automobile，涵義是“在保證汽車(chē)的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車(chē)的整備質(zhì)量，從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染?！笔澜绻?jié)能與環(huán)境協(xié)會(huì)的研究報(bào)告指出：汽車(chē)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(jié)約能源，也可有效減少污染物排放。當(dāng)前，由于節(jié)能和環(huán)保的需要，汽車(chē)

5、的輕量化已經(jīng)成為世界汽車(chē)發(fā)展的潮流。伴隨著技術(shù)進(jìn)步，制造汽車(chē)車(chē)身的材料已經(jīng)不僅僅是鋼鐵了，越來(lái)越多的新材料被應(yīng)用到車(chē)身的制作中。其中包括：玻璃鋼、鋁合金、碳纖維、塑料、高分子復(fù)合材料等等。這些相對(duì)于鋼鐵比重要低得多的輕質(zhì)材料，為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化成為了工程師們的考量選材。二、汽車(chē)輕量化的實(shí)施在實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須要確保其整體汽車(chē)結(jié)構(gòu)達(dá)到國(guó)家的汽車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)，其次確保其使用性能達(dá)到或超越傳統(tǒng)鋼制車(chē)身的要求。汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)與整車(chē)的安全性是一對(duì)矛盾體，如果為了滿足各種法規(guī)的要求，保障乘員的安全，就應(yīng)提高車(chē)身結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度、側(cè)翻強(qiáng)度、碰撞吸能等特性；如果為了汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性、減少排放等因

6、素考慮就應(yīng)減輕車(chē)身的質(zhì)量。因此汽車(chē)車(chē)身輕量化是在保證汽車(chē)整體性能不受影響、確保車(chē)身強(qiáng)度、剛度和模態(tài)等結(jié)構(gòu)特性要求的前提下，來(lái)減輕車(chē)身質(zhì)量的一種設(shè)計(jì)趨向。所以要求汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)要充分地從材料分析、結(jié)構(gòu)力學(xué)、生產(chǎn)工藝、人體工程、工業(yè)設(shè)計(jì)、交通運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)效益等眾多各不相同的學(xué)科緊密地聯(lián)系在一起進(jìn)行綜合性研究開(kāi)發(fā)。汽車(chē)車(chē)身輕量化的實(shí)現(xiàn)，主要包括輕量化的材料使用和輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及輕量化的制造工藝這三個(gè)方面。前者是車(chē)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(qiáng)度鋼材、鋁鎂合金、工程塑料、碳纖維、新型玻璃、陶瓷和各種復(fù)合材料；后者是利用 “以結(jié)構(gòu)換強(qiáng)度”的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和有限

7、元分析等方法，通過(guò)改進(jìn)汽車(chē)結(jié)構(gòu)，使部件薄壁化、中空化、小型化、模塊化及復(fù)合化等以減小車(chē)身骨架、車(chē)身蒙皮等零部件的質(zhì)量來(lái)達(dá)到輕量化目的。實(shí)際上兩者是緊密相連的，往往采用輕量化材料結(jié)合輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在性能不降低的前提下獲得汽車(chē)車(chē)身的輕量化。 但是，一種 輕量化材料結(jié)合輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，還需要一種優(yōu)良的制造工藝來(lái)保證其完善實(shí)施。也就是說(shuō)一種輕量化材料要通過(guò)一種優(yōu)良的制造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)一種輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，輕量化制造工藝顯得特別重要。總之，汽車(chē)輕量化的實(shí)施，還需要通過(guò)試制樣車(chē)，進(jìn)行試驗(yàn)，總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其輕量化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與完善。汽車(chē)車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括：型材截

8、面優(yōu)化、連接工藝優(yōu)化和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。型材截面優(yōu)化和連接工藝優(yōu)化，根據(jù)材料特性、受力分析、制造工藝等實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是在一定空間區(qū)域(骨架部件或結(jié)構(gòu)整體)內(nèi)尋求材料最合理分布的一種優(yōu)化方法。它的目標(biāo)是根據(jù)一定的準(zhǔn)則，在滿足各種約束條件下，在結(jié)構(gòu)上開(kāi)孔、打洞，去除不必要的構(gòu)件和材料，使結(jié)構(gòu)在規(guī)定意義上達(dá)到最優(yōu)，表現(xiàn)為“用材最小、剛度最大”設(shè)計(jì)。由于拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)自由度大，所以通常用于設(shè)計(jì)初期和概念設(shè)計(jì)的階段。 三、車(chē)身的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)     車(chē)身的輕量化設(shè)計(jì)，需要根據(jù)不同的材料選擇合適的結(jié)構(gòu)形式。下面是最常用的幾種車(chē)身形

9、式，通過(guò)分析比較，選擇不同的輕量化處理方法。   1）、碳纖維車(chē)身結(jié)構(gòu)：碳纖維的密度要比鋼材低4倍左右，而強(qiáng)度和硬度都是鋼材的兩倍。雖然它很堅(jiān)韌，但有受力向度的問(wèn)題，即整體中的某些部位不太能受力，根據(jù)其材料的特點(diǎn)必將車(chē)身設(shè)計(jì)成一體式整體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以營(yíng)造極輕量的車(chē)身重量，但同時(shí)會(huì)有較大的發(fā)動(dòng)機(jī)振蕩傳入車(chē)廂，其材料價(jià)格昂貴，手工張貼工藝效率低，報(bào)廢期后碳纖維無(wú)法回收利用。主要用于批量少的高端乘用車(chē)上。如蘭博基尼、法拉利等車(chē)上。2)、玻璃鋼車(chē)身結(jié)構(gòu)：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(diǎn)，車(chē)身結(jié)構(gòu)只

10、能設(shè)計(jì)成一體式整體結(jié)構(gòu)，由于其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于碳纖維，一般只用汽車(chē)的零部件、外蒙皮等附件上。大客車(chē)的前后圍蒙皮常用玻璃鋼來(lái)制作，是因?yàn)榭蛙?chē)產(chǎn)量少，蒙皮面積又大，不宜開(kāi)模，只能適應(yīng)玻璃鋼的手工工藝。3)、鋁管式車(chē)身結(jié)構(gòu)。利用鋁材可擠壓成型材的特點(diǎn)，事先擠壓成各種所需截面的型材，此類車(chē)身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)大都是“骨架加蒙皮”（板梁式）的形式存在，如以?shī)W迪R8全鋁車(chē)身為例，它們的ASF車(chē)身結(jié)構(gòu)在外型上基本是一體式鋁制蒙皮的構(gòu)造，鋁型材骨架本身已經(jīng)勾勒了車(chē)身的線條，與一體式車(chē)身稍有不同的是少了一些一體壓制的車(chē)身內(nèi)板件，取而代之的是增加大量的鋁型材結(jié)構(gòu)分布。根據(jù)奧迪公布的數(shù)據(jù)，使用全鋁車(chē)身ASF的R8比使用傳統(tǒng)一體式

11、鋼制車(chē)架的車(chē)輛能減輕高達(dá)40%的車(chē)架重量，與此同時(shí)整體車(chē)架的剛度也有40%的增加。而湖南南車(chē)時(shí)代設(shè)計(jì)的高鐵全鋁車(chē)身卻采用了骨架與蒙皮結(jié)合于一體的鋁型材結(jié)構(gòu)（型材式），其強(qiáng)度可佳，但其重量與鋼結(jié)構(gòu)一樣重。湖南晟通集團(tuán)汽車(chē)工程研究院研制全鋁車(chē)身12m公交車(chē)，采用了 “板梁式”與“型材式”相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，在達(dá)到與鋼制車(chē)身一樣強(qiáng)度的前提下，其車(chē)身質(zhì)量減少了50%，整備質(zhì)量減少30%，滿載質(zhì)量減少了20%，其節(jié)能效果明顯，達(dá)到了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)水平。4)、鋁板式車(chē)身結(jié)構(gòu)：鋁板式車(chē)身結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鋼板式車(chē)身結(jié)構(gòu)是一樣的，板材通過(guò)液壓成形各種內(nèi)外板，然后將內(nèi)外板結(jié)合在一起，鋼板車(chē)身是焊接的，而鋁板車(chē)

12、身則是通過(guò)一種環(huán)氧樹(shù)脂將鋁制內(nèi)外板剛硬地結(jié)合起來(lái)，堅(jiān)固度高得出奇，經(jīng)過(guò)撞擊試驗(yàn)，而扭曲的車(chē)身沒(méi)有一處結(jié)合環(huán)氧樹(shù)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(diǎn)的鋁材，進(jìn)一步的降低車(chē)架的重量。其缺點(diǎn)是鋁的壓延性太差，液壓成形工藝復(fù)雜，成本高。如全新的（2013款）第四代攬勝全鋁車(chē)身就是采用了此種結(jié)構(gòu)技術(shù)與連接方式?？傊ㄟ^(guò)以往使用經(jīng)驗(yàn)與綜合條件分析，采用鋁制的“骨架+蒙皮”的車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再配合型材截面優(yōu)化、連接工藝優(yōu)化和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，是目前實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)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(guān)于全鋁車(chē)身的骨架與蒙皮制作工藝。1)、車(chē)身骨架成形工藝車(chē)身骨架由鋁合金材料通過(guò)擠壓模擠壓出各種斷面的閉口或開(kāi)口的長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)型材（是鋼材無(wú)法辦到的），可根據(jù)需要鋸切任意長(zhǎng)度。這種鋁型材還要根據(jù)車(chē)身結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行變截面變形加工，達(dá)到車(chē)身結(jié)構(gòu)形狀的要求。于是一種“型材液壓成形”技術(shù)應(yīng)聲而生。型材液壓成形技術(shù)應(yīng)用主要為底盤(pán)大梁、車(chē)身結(jié)構(gòu)、各系統(tǒng)零部件的骨架變形加工，因其具備高剛性、尺寸精度與穩(wěn)定性高、較為耐蝕、工件數(shù)少、制作過(guò)程簡(jiǎn)化、成本降低等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在汽車(chē)制造業(yè)廣泛應(yīng)用。此技術(shù)保證了零部件精準(zhǔn)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(shí)，減輕了重量。由于型材液壓成形技術(shù)不僅簡(jiǎn)化了

14、模具結(jié)構(gòu)，還減少了模具副數(shù)，改善了材料嚴(yán)重變薄的狀況，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，大幅度降低了生產(chǎn)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(chǎn)的典型車(chē)型中將有50%結(jié)構(gòu)體零件采用型材液壓成形技術(shù)制造。    以型材液壓成形技術(shù)制造結(jié)構(gòu)件的車(chē)型，經(jīng)碰撞測(cè)試結(jié)果，其安全性比傳統(tǒng)的“板材沖壓”制造結(jié)構(gòu)件要好，同時(shí)整車(chē)質(zhì)量有了大幅度的降低。因此在北美、歐洲制造的轎車(chē)、客車(chē)、高鐵中，空心輕體的鋁型材構(gòu)件在轎車(chē)總量的比例已從15年前的10%上升到20%，而在貨車(chē)、客車(chē)、專用汽車(chē)、越野吉普車(chē)等的比例已達(dá)到70%以上。    

15、梁柱結(jié)構(gòu)是車(chē)身骨架的基本承載單元，在車(chē)身總成中所占比例較高。評(píng)價(jià)輕量化對(duì)剛度的影響程度可使用SME(Stiffness Mass Efficient)值，即“單位質(zhì)量所具有的剛度值”進(jìn)行比較。SME 值越高，表明該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)件，其強(qiáng)度大于同等質(zhì)量的鋼材結(jié)構(gòu)件30%。所以說(shuō)，如果保持與鋼結(jié)構(gòu)件同等強(qiáng)度前提下，其鋁結(jié)構(gòu)件要輕30%左右。從結(jié)構(gòu)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(yōu)化”方面來(lái)增加其結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度（鋼制型材無(wú)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(zhuǎn)剛度的最佳方案，增加寬度僅能提高其扭轉(zhuǎn)剛度，但改變壁厚沒(méi)有效果。如增加矩形截面薄壁梁中的筋板個(gè)數(shù)為提高其彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的最佳方案，但改變壁厚沒(méi)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(zhuǎn)剛度的最佳方案，但改變壁厚沒(méi)有效果。如增加圓筒截面的直徑為提高其彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的最佳方案，但改變壁厚沒(méi)有效果。與上述閉口情況相反，對(duì)于任意開(kāi)口截面，增加壁厚為提高其扭轉(zhuǎn)剛度的最佳方案，但開(kāi)口型材的扭轉(zhuǎn)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于閉口型材。2)、車(chē)身蒙皮成形工藝車(chē)身蒙皮是指附蓋在車(chē)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(guò)液壓機(jī)與模具對(duì)板材進(jìn)行沖壓成形，由于鋁板的拉伸

17、性比較差，因此在對(duì)鋁板進(jìn)行沖壓成形時(shí)，要對(duì)模具進(jìn)行潤(rùn)滑性改良，或?qū)︿X板進(jìn)行退火處理，或?qū)︿X板進(jìn)行加熱處理。對(duì)于有強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)件，在進(jìn)行退火、加熱處理成形后，還要進(jìn)行恢復(fù)強(qiáng)度的時(shí)效處理。還有一種全鋁車(chē)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(qiáng)度。如沃爾沃生產(chǎn)的公路客車(chē)與晟通研制城市客車(chē)都采用了此項(xiàng)技術(shù)。五、鋁型材連接工藝車(chē)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(chē)門(mén)與骨架、內(nèi)飾與骨架等各零部件之間的有效連接，對(duì)于全鋁車(chē)身結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)在骨架與骨架、蒙皮與骨架之間的連接，通過(guò)資料調(diào)查表明，目前全世界全鋁車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的制造企業(yè)，大概分為三類：一

18、是以英國(guó)亞歷山大丹迪斯為代表的鉚釘連接工藝；二是以法國(guó)肯聯(lián)為代表的螺栓連接工藝；三是以美國(guó)美鋁為代表的焊接連接工藝。按汽車(chē)輕量化的輕量準(zhǔn)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(qiáng)度可靠性來(lái)說(shuō)，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(chǎn)成本核算，焊接連接工藝最省，螺栓連接工藝最貴。六：總結(jié)為達(dá)到汽車(chē)節(jié)能環(huán)保的目的，對(duì)汽車(chē)進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(diǎn)，從而達(dá)到從截面結(jié)構(gòu)上增加整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，是高強(qiáng)鋼、玻璃鋼、碳纖維、不銹鋼等材料無(wú)法做到的。所以說(shuō)，鋁合金材料是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的首選材料。全鋁車(chē)身結(jié)構(gòu)技術(shù)，在其輕量化材料、輕量化工藝、輕量化結(jié)構(gòu)三個(gè)方面的研究成果，是汽車(chē)輕量化的最佳解決方案。湖南晟通集團(tuán)汽車(chē)研究院全鋁汽車(chē)項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人：伍成祁  關(guān)鍵詞解釋：1)、Stiffness Mass Efficient：?jiǎn)挝毁|(zhì)量所具有的剛度值：SME=K/M，系數(shù)=剛度/質(zhì)量。將車(chē)身薄壁梁截面參數(shù)對(duì)其彎曲剛