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基于多维度混合路线车身轻量化研究

(上汽通用汽车有限公司武汉分公司，湖北省武汉市 430000)

摘  要：发展车身轻量化是车企节省燃油车能耗、减少排放量，提高新能源汽车里程，优化操控性能，加大产品竞争力的重要技术路线。应用目标为，在保证车身强度、考虑成本、量产可行性等前提下，实施轻量化设计、先进制造工艺、轻量化混合材料，使车身结构达到最优轻量化效果。本文通过多维度混合路线研究轻量化技术路线，系统考虑车身性能需求、材料选取策略、轻量化工艺，整车成本，结合车身轻量化系数评价轻量化水平，为车身轻量化应用发展提供全流程可行的技术方向。

关键词：轻量化材料；轻量化工艺；多维度技术路线

中图分类号：此处填入中国分类号文献标志码：A   文章编号：1008-5483（年）期-起始页码-文章页数

Study on Lightweight Design of Vehicle Body with Multiple Technical Routes in Different Dimensions

Zhu Wenjie，Zeng Zhongxin，Yao Xuelei，Ba Li，Xiong Dongjian，Ma Shichen

（SAIC-GM Wuhan Branch, Wuhan, 430000）

Abstract：Light weighting of vehicle body is one of the most important innovations in the automotive manufacturing industry to boost fuel economy, reduce emission, get better car’s mileage, improve handling performance and finally enhance product competitiveness. It can be achieved through multiple technical routes, that include basic material selection and design, advanced manufacturing, usage of composite material, structure optimization and etc.The goal is to get vehicle body lighter, while maintaining strength of the structure, low manufacturing cost and feasibility of mass production. This work studies on the strategies of lightweight design for the car body in different dimensions. Considering material selection strategy, the requirement of the safety and performance, the overall structural integrity or functionality, manufacturing process and cost, we proposed a feasible technical direction of the whole process for the application of lightweight design of vehicle body. We also use lightweight coefficient to assess the degree of vehicle body lightness.

Key words：lightweight materials; lightweight process; multiple technical routes.

近年来，各大车企均寻求实施轻量化方案，发展节能、低排放燃油车，续航里程更高的电动车。整车重量中车身框架重量高达25%左右，但车身成本较低，车身轻量化是有效降低车重手段。

轻量化并非单纯减重，汽车性能、安全仍是第一着眼点，成本也是重要的制约条件。现阶段得到广泛认可的车身轻量化三大技术路线为钢铝结合轻量化材料、先进轻量化制造工艺、轻量化设计。在成本与技术能力制约下，汽车企业无法通过单一应用某种技术路线达成轻量化效果。因此研究应用正向开发多维度混合轻量化技术，对于汽车早期研发阶段具有一定指导意义。

本文结合现阶段轻量化技术路线，介绍了钢铝结合轻量化材料这一技术路线的应用趋势，混合材料车身应用背景下推动车身轻量化工艺的技术发展，同时阐述了多维度混合路线车身轻量化是综合考虑了车身结构要求、材料选取策略、连接技术，成本、性能的可实施轻量化技术方案。形成可行的技术参考方案，后续应用于车身轻量化正向开发工作。

1实现车身轻量化技术的基本路径

车身轻量化需要考虑性能，成本，重量平衡。后文也会介绍从三条技术路线实现车身轻量化，即新材料，新工艺，新设计。从成本管控角度出发，进行设计优化的减重可以降低成本，使用高强钢基本可以使成本保持不变，而新型轻量化材料或工艺应用往往会导致成本上升，因此我们考虑轻量化时，需要先考虑车型成本定位，并且由于车身与车身性能强相关，需要保证汽车安全、刚度、NVH等性能提升或者不降低的前提下，进行轻量化减重。

由于性能、成本的制约，往往在项目早期就需要进行车身轻量化水平定位。而三大轻量化技术路线相辅相成，即要实现运用轻量化材料，那么轻量化工艺一定是有了相应的发展，通过日趋成熟的先进工艺制造水平，轻量化成本也会降低，轻量化门槛就会降低。而更优的轻量化设计则会实现轻量化效率、成本、性能最大化。唯有合理运用三大轻量化技术路线，才能实现车身轻量化的目标，提高汽车性能和燃油效率，促进汽车产业的可持续发展。

2  车身轻量化材料

对燃油车来说，汽车的油耗与整车重量密切相关，其行驶过程中的坡度阻力、滚动阻力和加速阻力都会影响油耗，并且阻力大小与汽车质量成正比。有研究表明，每当燃油车整车质量减少100kg，百公里节约燃油约0.3-0.6L，排放量可减少5g。整车重量减少对纯电动汽车续航提升也意义重大，车重每减少100 kg，续航提升约 6%-11%[1]。

轻质材料替换普通钢材是最主流的轻量化解决方案。高强钢、铝、镁、碳纤维材料是目前较为主流的轻量化材料。这类密度较轻的材料应用到车身上，可以达到较好的减重效果。针对轻量化材料这一技术发展路线来说，超高强钢、先进高强钢技术在现阶段车身轻量化应用已较为成熟。当前发展大致思路为应用第三代汽车钢和铝合金材料，后期规划应用镁合金及碳纤维复合材料。对比上述材料主要轻量化特质，碳纤维材料密度仅为高强钢的1/5，铝合金密度为高强钢的1/3左右[2]。就材料强度来说，碳纤维复合材料强度高于其它材料，铝的抗拉强度在先进高强钢中仅属于入门水平。另外铝合金有较好的耐腐蚀能力，并且方便回收。

基于以上材料特征以及材料轻量化潜力，应用混合材料车身即根据车身结构性能需求选取材料，在满足强度要求前提下，实现轻量化。目前已有较多覆盖件应用铝材来达到减重效果。奥迪A8L、凯迪拉克CT6 64%的车身框架结构件都是铝合金打造，蔚来ES8上也使用了全铝车身架构。镁合金成型较差，应用较少。碳纤维复合材料密度更低，且有更高的硬度和韧性，但受限于其原材料和制造维修成本较高，基本只在宝马、兰博基尼等豪华车上使用，

对车身材料进行选择时，需要考虑其本身的原材料成本和制造成本，各类轻量化材料价格参考见下表1，就性价比及未来应用潜力而言，钢铝结合混合车身是目前轻量化材料最主要发展方向，如图2。车身材料高强度钢应用已较为成熟，而铝合金材料成本及加工成本更高。因此，对于中低端车型，轻量化材料策略主要是提高超高强钢应用率；对于中高端或新能源车，主流趋势则是钢铝复合材料的混合车身。选取车身零件具体材料时，可以将车身分为两个主要区域：吸能区和安全区。在承受碰撞时需求车身前后部的前后纵梁对能量进行吸收，并且不能过早断掉，需求吸能区材料有一定的延伸率。并且吸能区材料不能过强以致于向乘客舱传递能量。铝合金比吸能高于低碳钢，对于吸能区车身材料，铝合金就是不错的选择。安全区对材料强度要求较高，需求碰撞时对安全区有足够小的侵入量以保护乘客，因此安全区常常采用高强度钢，保证地板、A/B 柱、中通道等零件满足关键性能需求。综上所述，车身绝不是越轻越好，应在在保证车身强度、考虑成本、技术可行性等前提下，合理应用轻量化材料，以达到轻量化效果。

表1 各类轻量化材料价格

材料	钢	高强度钢	铝合金	镁合金	碳纤维
价格（元/kg）	4.2	5	40	80	120

3车身轻量化工艺

前文已说明，未来汽车轻量化发展主要是是钢铝混合车身，汽车车身材料不再仅局限于钢材，那么需要发展轻量化零件成型工艺，并且传统焊接技术对于异种材料焊接可能不再适用，需发展轻量化连接工艺。

表2总结了各类轻量化材料主要成形工艺及连接工艺。高强度钢的成形工艺主要有热成形工艺，辊压成形工艺，液压成形工艺。热成形钢主要应用于车身强度需求极高的乘员舱区域，比如雪橇板、A/B柱。铝合金的成形工艺主要有挤压、压铸、冷冲压成形工艺。目前关注度非常高的特斯拉Model Y一体化压铸后地板工艺，实现了将车身后地板总成70个零件整合为1个零件，减少了零件搭接重量，显著减少连接次数，轻量化效果明显。以钢铝混合车身举例说明异种材料焊接工艺，铝合金材料特性决定其焊接性较差，难以形成质量较高的接头。与钢材相比，两种材料的熔点、膨胀系数、导热率相差较大，普通熔化焊接方式难以实现钢铝优质连接。因此要实现钢铝混合车身，必须发展异种金属连接技术。异种金属焊接形式主要分为三类，机械连接、粘接焊接

[3]。机械连接是冷连接工艺，常用的有SPR\FDS，焊接是热连接工艺，常有的是铝铝焊接的铝点焊、激光焊，激光焊的焊缝表面质量比较美观，常用于外表面覆盖件连接。车身制造中粘接形式的连接工艺应用较多的是结构胶粘接+自冲铆接形成的粘铆复合连接工艺。

对于机械连接，虽然能够连接异种金属，是一种可靠的连接工艺，但从轻量化角度出发，机械连接往往需要将两种金属重叠放置，而激光焊能够克服此局限，对零件进行整合，进而减少零件搭接重量。比如激光拼焊板TWB技术，可以应用于车身零件前纵梁这类可以进行强度配置的零件中，满足同一零件不同部位差异化强度、厚度需求，优化结构设计，达到明显的轻量化效果。

在进行轻量化连接工艺选择时，除了考虑适用材料、可达需求、连接速度、成本和强度等方面，还需结合制造工厂设备投资情况，产线布置情况，一般应用新型连接工艺，需要进行新增设备投资，此时需提前规划是否有其它项目也能应用，否则成本代价较大。并且若规划为厂内连接，需与制造工程师明确清楚可行性。还需要考虑连接工艺的可靠性和稳定性，确保连接的持久性和耐久性。此外，需要考虑连接工艺的可维护性和可操作性，以满足售后的需求。综合考虑以上因素，才能选择出最适合轻量化连接的工艺。

 表2 各类轻量化材料成型及连接工艺

轻量化材料	高强度钢	铝板	碳纤维
轻量化成形工艺	热成形、辊压、液压	薄板冲压、铸造、挤压	编制、注塑、模压
轻量化连接工艺	钢质车身：点焊、弧焊和激光焊	钢铝混合车身：SPR、FDS、IW、铝点焊	碳纤零件：SPR、拉铆、粘接

4多维度混合路线车身轻量化

多维度混合路线车身轻量化是综合考虑了车身结构要求、材料选取策略、连接技术，成本、性能的一种可实施的轻量化技术方案。

由于车身轻量化化与车辆性能及成本定位强相关，需要在项目早期就进行车身轻量化规划。车身轻量化正向开发旨在将轻量化思维融入到前期车身架构开发设计阶段：利用拓扑算法，施加适当的工况约束条件，在有优化空间的区域，计算出最优化的传力路径，根据最优传力路径，选取最佳结构方案及最佳材料分配方案，针对不同强度敏感性的车身结构件，应用不同特性材料，关键区域，选用高强度材料，在满足性能需求同时，最大化轻量化效果。如图1，目前主流混合车身轻量化材料选用方案，A/B柱及地板横梁应用先进高强钢，PHS材料、轮罩及纵梁零件则选用铝制材料。

确定了车身基本结构及材料大致分布后，使用参数化优化办法，将板厚、零件数量视为变量，整车性能指标作为约束条件，进行变量选取，使其均达到寿命目标，对于承受应力载荷较小的区域，以减轻质量为目的进行车身轻量化设计，如后纵梁零件的不等厚度板设计。对于构件的失效行为进行分析时，考虑了构件制造过程缺陷的CAE分析更为准确。

目前行业内多以白车身轻量化系数来评价轻量化水平[4]，轻量化程度越高，其数值越小。具体算法为L=M/(K*A)，轻量化系数考虑了车身扭转刚度、车身大小、质量水平。对白车身材料的合理选取、结构设计优化有重要参考意义。对不同级别汽车来说，通常，A0级轻量化系数达到3.27，A级车轻量化系数达到3.17，C级及以上级别需达到2.19，车身轻量化水平较高。凯迪拉克CT6轻量化系数为1.6，在轻量化车身设计方面取得了一定成果。轻量化评价的基础是保证车身结构性能、安全前提下进行轻量化评级，不考虑性能的轻量化无实际意义。

图1 主流混合车身轻量化材料选用方案

5结论

车身轻量化的性能、重量、成本是相互制约的关系。多维度混合路线车身轻量化即系统地进行轻量化设计：在策略规划阶段，依据车身成本目标，定义轻量化水平目标，选择车身轻量化材料种类及比例，制定轻量化工艺应用率。项目前期分析阶段，依据性能约束条件，利用CAE计算软件对车身进行整体材料分配，基础结构定义；后续通过参数化方法，设计最优断面、选用轻量化材料，降低板厚、减少零件数量等方法达到初始轻量化目标。验证阶段，通过实车实验验证，车身达到整体性能目标，并持续优化，形成符合车身整体造型布置需求、满足性能指标、轻量化水平达标、工艺可行、成本在预算内的全流程轻量化方案。

参考文献：

[1]董学锋.车身材料与车身轻量化[J].汽车工艺与材料,2017(07):1-18.

[2]熊培练.汽车材料及结构轻量化的研究进展[J].时代汽车,2020(01):96-97.

[3]陈宇豪,薛松柏,王博,韩翼龙.汽车轻量化焊接技术发展现状与未来[J].材料导报,2019,33(S2):431-440.

[4]郎勇.汽车轻量化评价方法[J].汽车实用技术,2018(08):122-126+158

作者简介：朱文洁 1993.4.29 女 湖北荆州 汉族 硕士 车身中级工程师 上汽通用汽车有限公司武汉分公司 研究方向:车身结构