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汽车轻量化解决方案全铝车身结构设计

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2020年4月19日
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汽车轻量化解决方案—全铝车身结构设计
           伍成祁
摘要： 解决汽车节能环保的问题，有提高传统燃油发动机的能效、发展新能汽车、应用轻量化技术三个方向。比较以上三种技术路线，在当今发动机技术提升难度日益加大、动力电池效率不高的背景下，不论对传统燃油汽车，还是新能源汽车，汽车轻量化技术都是一项共性的基础技术。大力发展并推进汽车轻量化技术，成为节能、减排的主导之一。而实现汽车轻量化技术又有三个技术途径：一种“轻量化材料”要经过一种“轻量化工艺”来实现一种“轻量化结构”。
关键词：汽车轻量化 全铝车身  型材截面优化Stiffness Mass Efficient

由于世界能源的随时枯竭与环境的日益恶化，世界各行各业都积极行动起来，根据政府的优惠政策与民众的强烈要求，在节能、环保方面进行了高投入研发其高效节能、积极环保的产品。汽车产业首当其冲，其汽车零部件的制造，迁联到能源、钢材、铝材、合金、塑料、橡胶、玻璃、化工、机械、电器、信息等各行各业，对汽车节能环保的要求，就是对其它相关行业的要求。对汽车进行轻量化结构的研究，要联系相关行业的专业知识，进行综合性的研究。
一、汽车轻量化的目的
就汽车产业而言，根据汽车产品的特点，降低油耗或提高燃油效率、减少或清洁排放对环境的污染，是节能环保研发的主要目的。从全球汽车产业来看，解决汽车节能环保问题主要采用以下三种方式：
一是大力发展先进发动机技术，经过对传统发动机的改良和一系列汽车电子技术的应用，来提高燃烧效率，改进燃油经济性。
二是大力发展新能源汽车，经过研发先进新型发动机技术和推广使用气体燃料、生物质燃料、煤基燃料、高效电池等动力替代传统能源来减少汽车燃油消耗和对石油资源的依赖。
三是大力发展汽车轻量化技术，在保障汽车安全性和其它基本性能的前提下，经过减轻汽车自身重量降低能耗来实现节能减排的目的。
比较以上三种技术路线，在当今发动机技术提升难度日益加大、动力电池效率不高的背景下，不论对传统燃油汽车，还是新能源汽车，汽车轻量化技术都是一项共性的基础技术。大力发展并推进汽车轻量化技术，成为节能、减排的主导之一。
汽车的轻量化，英文名：Lightweight of Automobile，涵义是“在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。”
世界节能与环境协会的研究报告指出：汽车自重每减少10％，燃油消耗可降低6％—8％，排放降低5%—6%。而燃油消耗每减少1升，CO2排放量减少2.45kg。燃油消耗量减少不但有利于节约能源，也可有效减少污染物排放。当前，由于节能和环保的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。
伴随着技术进步，制造汽车车身的材料已经不但仅是钢铁了，越来越多的新材料被应用到车身的制作中。其中包括：玻璃钢、铝合金、碳纤维、塑料、高分子复合材料等等。这些相对于钢铁比重要低得多的轻质材料，为实现汽车轻量化成为了工程师们的考量选材。
二、汽车轻量化的实施
在实现汽车轻量化设计时，首先必须要确保其整体汽车结构达到国家的汽车安全标准，其次确保其使用性能达到或超越传统钢制车身的要求。汽车轻量化设计与整车的安全性是一对矛盾体，如果为了满足各种法规的要求，保障乘员的安全，就应提高车身结构的抗弯强度、抗扭强度、侧翻强度、碰撞吸能等特性；如果为了汽车的燃油经济性、减少排放等因素考虑就应减轻车身的质量。因此汽车车身轻量化是在保证汽车整体性能不受影响、确保车身强度、刚度和模态等结构特性要求的前提下，来减轻车身质量的一种设计趋向。因此要求汽车轻量化设计要充分地从材料分析、结构力学、生产工艺、人体工程、工业设计、交通运输、经济效益等众多各不相同的学科紧密地联系在一起进行综合性研究开发。
汽车车身轻量化的实现，主要包括轻量化的材料使用和轻量化的结构设计，以及轻量化的制造工艺这三个方面。前者是车身轻量化的主流，即采用轻量化的金属和非金属材料，主要是采用高强度钢材、铝镁合金、工程塑料、碳纤维、新型玻璃、陶瓷和各种复合材料；后者是利用 “以结构换强度”的结构优化设计和有限元分析等方法，经过改进汽车结构，使部件薄壁化、中空化、小型化、模块化及复合化等以减小车身骨架、车身蒙皮等零部件的质量来达到轻量化目的。实际上两者是紧密相连的，往往采用轻量化材料结合轻量化结构设计，在性能不降低的前提下获得汽车车身的轻量化。 可是，一种 轻量化材料结合轻量化结构的设计方案，还需要一种优良的制造工艺来保证其完善实施。也就是说一种轻量化材料要经过一种优良的制造工艺来实现一种轻量化结构设计。因此，轻量化制造工艺显得特别重要。
　　总之，汽车轻量化的实施，还需要经过试制样车，进行试验，总结设计经验，对其轻量化设计结构进行优化与完善。汽车车身轻量化设计中的结构优化包括：型材截面优化、连接工艺优化和结构拓扑优化。型材截面优化和连接工艺优化，根据材料特性、受力分析、制造工艺等实践经验进行设计优化。结构拓扑优化是在一定空间区域(骨架部件或结构整体)内寻求材料最合理分布的一种优化方法。它的目标是根据一定的准则，在满足各种约束条件下，在结构上开孔、打洞，去除不必要的构件和材料，使结构在规定意义上达到最优，表现为“用材最小、刚度最大”设计。由于拓扑优化设计自由度大，因此一般见于设计初期和概念设计的阶段。 
三、车身的轻量化结构设计     
车身的轻量化设计，需要根据不同的材料选择合适的结构形式。下面是最常见的几种车身形式，经过分析比较，选择不同的轻量化处理方法。   
1）、碳纤维车身结构：
碳纤维的密度要比钢材低4倍左右，而强度和硬度都是钢材的两倍。虽然它很坚韧，但有受力向度的问题，即整体中的某些部位不太能受力，根据其材料的特点必将车身设计成一体式整体结构，这种结构设计能够营造极轻量的车身重量，但同时会有较大的发动机振荡传入车厢，其材料价格昂贵，手工张贴工艺效率低，报废期后碳纤维无法回收利用。主要用于批量少的高端乘用车上。如兰博基尼、法拉利等车上。
2)、玻璃钢车身结构：
玻璃钢材料与碳纤维一样，呈纤维布的形状，其制作工艺大都采用手工张贴制作工艺，它集合了碳纤维所有的缺点，车身结构只能设计成一体式整体结构，由于其强度远低于碳纤维，一般只用汽车的零部件、外蒙皮等附件上。大客车的前后围蒙皮常见玻璃钢来制作，是因为客车产量少，蒙皮面积又大，不宜开模，只能适应玻璃钢的手工工艺。
3)、铝管式车身结构。
利用铝材可挤压成型材的特点，事先挤压成各种所需截面的型材，此类车身结构的特点大都是“骨架加蒙皮”（板梁式）的形式存在，如以奥迪R8全铝车身为例，它们的ASF车身结构在外型上基本是一体式铝制蒙皮的构造，铝型材骨架本身已经勾勒了车身的线条，与一体式车身稍有不同的是少了一些一体压制的车身内板件，取而代之的是增加大量的铝型材结构分布。根据奥迪公布的数据，使用全铝车身ASF的R8比使用传统一体式钢制车架的车辆能减轻高达40%的车架重量，与此同时整体车架的刚度也有40%的增加。

而湖南南车时代设计的高铁全铝车身却采用了骨架与蒙皮结合于一体的铝型材结构（型材式），其强度可佳，但其重量与钢结构一样重。

湖南晟通集团汽车工程研究院研制全铝车身12m公交车，采用了 “板梁式”与“型材式”相结合的结构形式，在达到与钢制车身一样强度的前提下，其车身质量减少了50%，整备质量减少30%，满载质量减少了20%，其节能效果明显，达到了国内外先进技术水平。

4)、铝板式车身结构：
铝板式车身结构与传统的钢板式车身结构是一样的，板材经过液压成形各种内外板，然后将内外板结合在一起，钢板车身是焊接的，而铝板车身则是经过一种环氧树脂将铝制内外板刚硬地结合起来，坚固度高得出奇，经过撞击试验，而扭曲的车身没有一处结合环氧树脂的地方崩断。另外还能够避免以焊接方式连接铝件，能够用上薄一点的铝材，进一步的降低车架的重量。其缺点是铝的压延性太差，液压成形工艺复杂，成本高。
如全新的（ 款）第四代揽胜全铝车身就是采用了此种结构技术与连接方式。

总之，经过以往使用经验与综合条件分析，采用铝制的“骨架+蒙皮”的车身结构设计，再配合型材截面优化、连接工艺优化和结构拓扑优化，是当前实现汽车轻量化设计的最佳解决方案。
四、骨架与蒙皮的成形工艺  
    以下再探讨一下关于全铝车身的骨架与蒙皮制作工艺。
1)、车身骨架成形工艺
车身骨架由铝合金材料经过挤压模挤压出各种断面的闭口或开口的长条形结构型材（是钢材无法办到的），可根据需要锯切任意长度。这种铝型材还要根据车身结构需要进行变截面变形加工，达到车身结构形状的要求。于是一种“型材液压成形”技术应声而生。
型材液压成形技术应用主要为底盘大梁、车身结构、各系统零部件的骨架变形加工，因其具备高刚性、尺寸精度与稳定性高、较为耐蚀、工件数少、制作过程简化、成本降低等优点，该技术在汽车制造业广泛应用。此技术保证了零部件精准的尺寸和形状，在充分利用空间、赢得更多轴力度和硬度的同时，减轻了重量。由于型材液压成形技术不但简化了模具结构，还减少了模具副数，改进了材料严重变薄的状况，提高了产品质量，大幅度降低了生产成本，因此型材液压成形零部件需求快速增加。 北美生产的典型车型中将有50%结构体零件采用型材液压成形技术制造。   
 以型材液压成形技术制造结构件的车型，经碰撞测试结果，其安全性比传统的“板材冲压”制造结构件要好，同时整车质量有了大幅度的降低。因此在北美、欧洲制造的轿车、客车、高铁中，空心轻体的铝型材构件在轿车总量的比例已从 前的10%上升到20%，而在货车、客车、专用汽车、越野吉普车等的比例已达到70%以上。    
梁柱结构是车身骨架的基本承载单元，在车身总成中所占比例较高。评价轻量化对刚度的影响程度可使用SME(Stiffness Mass Efficient)值，即“单位质量所具有的刚度值”进行比较。SME 值越高，表明该结构在保持刚度不变的情况下轻量化效果越好，反之亦然。比如：铝材与钢材相比，如果用铝材制作的结构件，其强度大于同等质量的钢材结构件30%。因此说，如果保持与钢结构件同等强度前提下，其铝结构件要轻30%左右。
从结构轻量化途径考虑，在满足空间尺寸限制的前提下，我们还能够从“型材截面优化”方面来增加其结构件的强度（钢制型材无法办到的），如增加矩形截面薄壁梁的高度为提高其弯曲和扭转刚度的最佳方案，增加宽度仅能提高其扭转刚度，但改变壁厚没有效果。如增加矩形截面薄壁梁中的筋板个数为提高其弯曲和扭转刚度的最佳方案，但改变壁厚没有效果。如增加矩形截面薄壁梁中的筋板形状为提高其弯曲和扭转刚度的最佳方案，但改变壁厚没有效果。如增加圆筒截面的直径为提高其弯曲和扭转刚度的最佳方案，但改变壁厚没有效果。与上述闭口情况相反，对于任意开口截面，增加壁厚为提高其扭转刚度的最佳方案，但开口型材的扭转刚度远远小于闭口型材。
2)、车身蒙皮成形工艺
车身蒙皮是指附盖在车身骨架上的外蒙皮，铝板蒙皮加工成形方式与钢板蒙皮加工方式基本上相同，经过液压机与模具对板材进行冲压成形，由于铝板的拉伸性比较差，因此在对铝板进行冲压成形时，要对模具进行润滑性改良，或对铝板进行退火处理，或对铝板进行加热处理。对于有强度要求的结构件，在进行退火、加热处理成形后，还要进行恢复强度的时效处理。
还有一种全铝车身蒙皮成形工艺，就是型材式的挤压成形蒙皮，其与骨架连接后，能够增加骨架20%的强度。如沃尔沃生产的公路客车与晟通研制城市客车都采用了此项技术。
五、铝型材连接工艺
车身各零部件的连接是指骨架与骨架、蒙皮与骨架、钢件与铝件、车门与骨架、内饰与骨架等各零部件之间的有效连接，对于全铝车身结构来说，重点在骨架与骨架、蒙皮与骨架之间的连接，经过资料调查表明，当前全世界全铝车身结构设计的制造企业，大概分为三类：一是以英国亚历山大丹迪斯为代表的铆钉连接工艺；二是以法国肯联为代表的螺栓连接工艺；三是以美国美铝为代表的焊接连接工艺。
按汽车轻量化的轻量准则，其焊接连接工艺最轻，其次是铆钉连接工艺，螺栓连接工艺最重。按疲劳强度可靠性来说，螺栓连接工艺和铆钉连接工艺最佳，其次是焊接连接工艺。按生产成本核算，焊接连接工艺最省，螺栓连接工艺最贵。
六：总结
为达到汽车节能环保的目的，对汽车进行轻量化结构设计，是最直接、最有效的途径。在轻量化材料选择上，利用铝材可挤压成各种截面形状的特点，从而达到从截面结构上增加整体结构的强度，是高强钢、玻璃钢、碳纤维、不锈钢等材料无法做到的。因此说，铝合金材料是实现汽车轻量化的首选材料。
全铝车身结构技术，在其轻量化材料、轻量化工艺、轻量化结构三个方面的研究成果，是汽车轻量化的最佳解决方案。
湖南晟通集团汽车研究院全铝汽车项目技术负责人：伍成祁  
关键词解释：
1)、Stiffness Mass Efficient：
单位质量所具有的刚度值：SME=K/M，系数=刚度/质量。
将车身薄壁梁截面参数对其弯曲刚度和扭转刚度的影响进行定量分析和性能优化意义重大。以车身薄壁梁的刚度质量系数SME作为评价指标，经过对典型闭口和开口截面梁的分析，得到了薄壁梁截面参数与SME的解析表示式。用HyperMesh软件进行有限元仿真计算，对定量化表述的理论公式进行了验证，并提出基于刚度特性优化的薄壁梁截面设计原则。把该设计原则应用在某车型车身上，比较整车弯曲SME值和扭转SME值的前、后变化，得到了更优的整车刚度水平。
2)、型材截面优化
铝材最大的特点是可挤压成各种截面的形状，经过对截面形状有意识地按抗弯强度、抗扭强度、抗剪强度、疲劳强度等结构要求来进行截面设计，从而达到从截面结构上增加整体结构的强度。