汽車(chē)輕量化解決方案--全鋁車(chē)身結構技術(shù)
/ 2021/7/3 12:12:31
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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)，根據政府的優(yōu)惠政策與民眾的強烈要求，在節能、環(huán)保方面進(jìn)行了高投入研發(fā)其高效節能、積極環(huán)保的產(chǎn)品。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)首當其沖，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、機械、電器、信息等各行各業(yè)，對汽車(chē)節能環(huán)保 的要求，就是對其它相關(guān)行業(yè)的要求。對汽車(chē)進(jìn)行輕量化結構的研究，要聯(lián)系相關(guān)行業(yè)的專(zhuān)業(yè)知識，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，根據汽車(chē)產(chǎn)品的特點(diǎn)，降低油耗或提高燃油效率、減少或清潔排放對環(huán)境的污染，是節能環(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)機技術(shù)，通過(guò)對傳統發(fā)動(dòng)機的改良和一系列汽車(chē)電子技術(shù)的應用，來(lái)提高燃燒效率，改善燃油經(jīng)濟性。
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)力替代傳統能源來(lái)減少汽車(chē)燃油消耗和對石油資源的依賴(lài)。
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)現節能減排的目的。
比較以上三種技術(shù)路線(xiàn)，在當今發(fā)動(dòng)機技術(shù)提升難度日益加大、動(dòng)力電池效率不高的背景下，不論對傳統燃油汽車(chē)，還是新能源汽車(chē)，汽車(chē)輕量化技術(shù)都是一項共性的基礎技術(shù)。大力發(fā)展并推進(jìn)汽車(chē)輕量化技術(shù)，成為節能、減排的主導之一。
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。”
世界節能與環(huán)境協(xié)會(huì )的研究報告指出：汽車(chē)自重每減少10％，燃油消耗可降低6％—8％，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(huán)保的需要，汽車(chē)的輕量化已經(jīng)成為世界汽車(chē)發(fā)展的潮流。
伴隨著(zhù)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、高分子復合材料等等。這些相對于鋼鐵比重要低得多的輕質(zhì)材料，為實(shí)現汽車(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)現汽車(chē)輕量化設計時(shí)，首先必須要確保其整體汽車(chē)結構達到國家的汽車(chē)安全標準，其次確保其使用性能達到或超越鋼制車(chē)身的要求。汽車(chē)輕量化設計與整車(chē)的安全性是一對矛盾體，如果為了滿(mǎn)足各種法規的要求，保障乘員的安全，就應提高車(chē)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(chē)的燃油經(jīng)濟性、減少排放等因素考慮就應減輕車(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)身強度、剛度和模態(tài)等結構特性要求的前提下，來(lái)減輕車(chē)身質(zhì)量的一種設計趨向。所以要求汽車(chē)輕量化設計要充分地從材料分析、結構力學(xué)、生產(chǎn)工藝、人體工程、工業(yè)設計、交通運輸、經(jīng)濟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，主要包括輕量化的材料使用和輕量化的結構設計這兩個(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(yōu)化設計和有限元分析等方法，通過(guò)改進(jìn)汽車(chē)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(chē)身骨架和車(chē)身蒙皮的質(zhì)量來(lái)達到輕量化目的。實(shí)際上兩者是緊密相連的，往往采用輕量化材料結合輕量化結構設計，在性能不降低的前提下獲得汽車(chē)車(chē)身的輕量化。
汽車(chē)車(chē)身輕量化設計中的結構優(yōu)化包括：型材截面優(yōu)化、連接工藝優(yōu)化和結構拓撲優(yōu)化。型材截面優(yōu)化和連接工藝優(yōu)化，根據材料特性、受力分析、制造工藝等實(shí)踐經(jīng)驗進(jìn)行設計優(yōu)化。結構拓撲優(yōu)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(yōu)化方法。它的目標是根據一定的準則，在滿(mǎn)足各種約束條件下，在結構上開(kāi)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(yōu)，表現為“用材最小、剛度最大”設計。由于拓撲優(yōu)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。R8為例，它們的ASF車(chē)身結構在外型上基本是一體式蒙皮的構造，骨架本身已經(jīng)勾勒了車(chē)身的線(xiàn)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)身內板件，取而代之的是增加大量的型材結構分布。根據奧迪公布的數據，使用ASF的R8比使用傳統一體式鋼制車(chē)架的車(chē)輛能減輕高達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。
而高鐵車(chē)身卻采用了骨架與蒙皮結合于一體的型材結構，其強度可佳，但其重量與鋼結構一樣重。
全鋁車(chē)身客車(chē)大都與鋼制客車(chē)一樣，采用了“骨架加蒙皮” 的結構形式，在達到與鋼制車(chē)身一樣強度的前提下，其車(chē)身質(zhì)量減少了50%，整備質(zhì)量減少30%，滿(mǎn)載質(zhì)量減少了20%，其節能效果明顯。
4)、鋁板式車(chē)身結構：
鋁板式車(chē)身結構與傳統的鋼板式車(chē)身結構是一樣的，板材通過(guò)液壓成形各種內外板，然后將內外板結合在一起，鋼板車(chē)身是焊接的，而鋁板車(chē)身則是通過(guò)一種環(huán)氧樹(shù)脂將鋁制內外板剛硬地結合起來(lái)，堅固度高得出奇，經(jīng)過(guò)撞擊試驗，而扭曲的車(chē)身沒(méi)有一處結合環(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，液壓成形工藝復雜，成本高。
通過(guò)以往使用經(jīng)驗與綜合條件分析，采用鋁制的“骨架+蒙皮”的車(chē)身結構設計，再配合型材截面優(yōu)化、連接工藝優(yōu)化和結構拓撲優(yōu)化，是目前實(shí)現汽車(chē)輕量化設計的最佳解決方案。 四、骨架與蒙皮的成形工藝
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(cháng)條形結構型材（是鋼材無(wú)法辦到的），可根據需要鋸切任意長(cháng)度。這種鋁型材還要根據車(chē)身結構需要進(jìn)行變形加工，達到車(chē)身結構形狀的要求。于是一種“型材液壓成形”技術(shù)應聲而生。
型材液壓成形技術(shù)應用主要為底盤(pán)大梁、車(chē)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(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)廣泛應用。此技術(shù)保證了零部件精準的尺寸和形狀，在充分利用空間、贏(yíng)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(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%結構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)制造結構件的車(chē)型，經(jīng)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(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(zhuān)用汽車(chē)、越野吉普車(chē)等的比例已達到70%以上。
梁柱結構是車(chē)身骨架的基本承載單元，在車(chē)身總成中所占比例較高。評價(jià)輕量化對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(zhì)量的鋼材結構件30%。所以說(shuō)，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(mǎn)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)增加其結構件的強度（鋼制型材無(wú)法辦到的），如增加矩形截面薄壁梁的高度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(méi)有效果。如增加矩形截面薄壁梁中的筋板個(gè)數為提高其彎曲和扭轉剛度的最佳方案，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，對于任意開(kāi)口截面，增加壁厚為提高其扭轉剛度的最佳方案，但開(kāi)口型材的扭轉剛度遠遠小于閉口型材。
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)液壓機與模具對板材進(jìn)行沖壓成形，由于鋁板的拉伸性比較差，因此在對鋁板進(jìn)行沖壓成形時(shí)，要對模具進(jìn)行潤滑性改良，或對鋁板進(jìn)行退火處理，或對鋁板進(jìn)行加熱處理。對于有強度要求的結構件，在進(jìn)行退火、加熱處理成形后，還要進(jìn)行恢復強度的時(shí)效處理。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、內飾與骨架等各零部件之間的有效連接，對于全鋁車(chē)身結構來(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)資料調查表明，目前全世界全鋁車(chē)身結構設計的制造企業(yè)，大概分為三類(lèi)：一是以英國亞歷山大丹迪斯為代表的鉚釘連接工藝；二是以瑞典肯聯(lián)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(chē)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(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
為達到汽車(chē)節能環(huán)保的目的，對汽車(chē)進(jìn)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(diǎn)，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(wú)法做到的。所以說(shuō)，鋁合金材料是實(shí)現汽車(chē)輕量化的首選材料。
全鋁車(chē)身結構技術(shù)，其型材截面優(yōu)化、連接工藝優(yōu)化和結構拓撲優(yōu)化三個(gè)方面的研究，是汽車(chē)輕量化的最佳解決方案。 湖南晟通集團汽車(chē)工程研究院全鋁車(chē)身項目負責人：伍成祁 創(chuàng )作于2012.11.04 關(guān)鍵詞解釋?zhuān)?)、Stiffness Mass Efficient：
單位質(zhì)量所具有的剛度值：SME=K/M，系數=剛度/質(zhì)量。 將車(chē)身薄壁梁截面參數對其彎曲剛度和扭轉剛度的影響進(jìn)行定量分析和性能優(yōu)化意義重大。以車(chē)身薄壁梁的剛度質(zhì)量系數SME作為評價(jià)指標，通過(guò)對典型閉口和開(kāi)口截面梁的分析，得到了薄壁梁截面參數與SME的解析表達式。利用HyperMesh軟件進(jìn)行有限元仿真計算，對定量化表述的理論公式進(jìn)行了驗證，并提出基于剛度特性?xún)?yōu)化的薄壁梁截面設計原則。把該設計原則應用在某車(chē)型車(chē)身上，比較整車(chē)彎曲SME值和扭轉SME值的前、后變化，得到了更優(yōu)的整車(chē)剛度水平。
2)、型材截面優(yōu)化
鋁材最大的特點(diǎn)是可擠壓成各種截面的形狀，通過(guò)對截面形狀有意識地按抗彎強度、抗扭強度、抗剪強度、疲勞強度等結構要求來(lái)進(jìn)行截面設計，從而達到從截面結構上增加整體結構的強度。
