汽车车身轻量化研究和创新应用

田力

摘 要：近年来，我国汽车保有量和销售量也在逐年攀升，汽车产业不断发展。当前在汽车工业发展中还面临着一些严峻的问题，包括其能源消耗、环境污染和安全性能等。将汽车自重合理减轻，可以有效降低其产生的能耗和污染，汽车厂商掌握车身轻量化也可增强自身竞争力，汽车车身轻量化是重要发展趋势，该文主要对汽车车身轻量化进行分析研究，并探究其创新应用，促进汽车车身轻量化合理实现。

关键词：汽车车身；轻量化；创新应用；应用现状

中图分类号：U463.82 文献标志码：A

随着人们的购买力提升，汽车保有量和销售量在不断提升，因此对石油的消耗也在不断加大，石油对外依存度也在加强。在当前绿色、可持续发展理念下，节能减排是刻不容缓的。而实现车辆消耗和排放的降低，汽车车身轻量化是一个有效地实现途径。在当前的汽车工程研究中，车身轻量化成为重要目标，要在保证汽车性能、行驶安全和建造成本等因素的前提下，对车身重量进行减轻。

1 汽车车身轻量化概述

过去人们对汽车轻量化的认知，是在确保汽车强度和安全性的前提下，将汽车整备重量最大程度地降低，有效提升汽车动力，减少其行驶中的燃料消耗和废气排放，也就是要在同等性能下，实现车辆重量最轻。其中的性能指整车性能。从另一个角度来说，要在相同的重量下使性能优化，这也是汽车轻量化的实现方式。

汽车轻量化的优势主要包括：1）可以有效降低油耗，相关研究显示，汽车重量降低10 %可将其燃油效率提升6 %～8 %；2）可降低汽车成本，当前我国主机厂的理论水平较低，设计中会保留较大的安全系数，而实现轻量化设计其使用的材料减少，可有效降低其成本；3）使车辆操纵性增强，车辆车身轻量化可减少其惯性，同等制动力下刹车距离会相应缩短，在高速运行过程中紧急转向也不会导致车辆失踪。

2 汽车车身轻量化研究应用现状

2.1 轻量化相关技术

2.1.1 热成形技术

热成形技术的应用，是将车身高强度钢进行加热，在其达到奥氏温度之后迅速进行冲压成形，保压过程中要利用模具进行淬火，使其达到所需要的温度，以得到均匀马氏体的组织，其零件为高强度零件，强度达到了1 500 MPa作用。这种技术的应用优势就在于其生产出的材料具备较高的强度和良好延伸性；成形精度较高且不会在成形后出现回弹问题；轻质量效果显著；碰撞时的浸入量较小，碰撞性能良好。

以某主机厂为例，在车身轻量化中应用了热成形技术，且其新车型的应用比例还在提升。以其中某个车型A为例，应用热成形技术的零件共10个，包括左右B柱加强版和左右门槛外加强板，总质量在25 kg以上。其B柱加强板的轻量化率达到了22.9 %，比冷冲压成形和激光拼焊板成形技术的轻量化率都要高。

2.1.2 液压成形技术

这种技术主要包括了金属板料液成形技术和金属管内高压成形技术，其中金属板料液成形技术是利用液体代替凹凸模，根据液体压力来促使板料成形；而金属管内成形技术主要应用管材胚料，借助金属管材内部施加的超高压液和轴向加力补料，将管柸压入模具型腔中，促使其成形。应用时不仅可以降低车身的质量，还可以减少一些二次装配和操作流程。

2.1.3 差厚冲压成形技术

差厚冲压成形技术的应用，可以对厚度带钢进行冷轧加工，生产连续周期性变厚度带钢，然后进行横切操作。这种技术应用可以获得良好的成形性能，且其厚度是连续变化的，其表面质量也相当优良。但这种技术当前应用的范围不太广，实现商业化生产的规模还比较小。

2.2 车身轻量化材料应用研究现状

2.2.1 高强度钢

汽车的一项重要属性就是安全性能，高强度钢的耐腐蚀性和强度较高，在轻量化中应用可以提高汽车安全性能、节能环保性能。而且其屈服点较高，因此降低板厚不会影响冲压件，将钢板厚度减少0.05 mm、0.10 mm和0.15 mm时，可分别使车身重量减少6 %、12 %和18 %。零件厚度减薄10 %～20 %，其钢板均价值可提升10 %～25 %。在未来发展中，高强度钢的应用将会进一步拓展到汽车安全件和底盘等。

2.2.2 轻质合金材料

当前体积质量较小的轻质合金材料主要包括了铝、镁、钛合金材料，铝合金车身的质量轻、耐腐蚀性和耐磨性好、强度高，且其具备可回收的特性，这种材料的车身可以减少30 %～40 %的重量。并且其回收利用率近100 %，在环保性能方面优越。并且与铝和铁的体积质量相比，镁合金材料更低，可以极大程度地降低车身质量，且保证车身的强度、刚度、抗冲击性符合使用要求。

2.2.3 非金属材料

在汽车车身中应用的非金属材料，主要包括塑料、复合材料和碳纤维复合材料。其中，塑料和复合材料其密度低、生产效率高，且抗腐蚀性和抗冲击性能强，在设计方面也更有优势。而碳纤维材料复合材料由于强度、刚度、密度和抗拉性强，其比重不足钢的1/4，抗拉弹性模量为23 000MPa～43 000 MPa，碳纤维树脂复合材料的抗拉强度达到了3 500 MPa以上。在汽车车身应用可以减少其40 %～60 %的重量，但这种材料的价格高昂，且在实际轻量化应用中是非常有限的。

3 汽车车身轻量化过程中存在的难点

实现车身轻量化的前提要保证其安全标准，而在确保安全性能的前提下进行轻量化难度较高。当前主要通过采用重量轻、强度高的材料实现，其中铝合金和镁合金的应用比较广泛，以这2种材料代替钢铁可以有效减轻重量、提高强度。铝的重量小、回收率高，在车身应用更具环保性能，但铝不能够进行焊接，且钣金和喷漆难度较大，在安全方面低于钢材料。因此当前在汽车轻量化中，铝合金只应用在部分地方，车身大部分结构主要还是钢铁。

镁合金比铝合金更轻，且加工起来比较容易，可以很好地吸收振动，其回收利用率可以达到100 %。

4 汽车车身轻量化创新应用

4.1 创新材料

在材料创新方面。高强度钢、铝合金和复合材料都可以取得良好的轻量化效果。在铝合金材料应用中，铝合金电池包、翼子板和防撞梁等多部位都可采用。高性能塑料和复合材料，在车门板、前端模板、保险杠和发动机盖等部位可创新应用。

4.2 创新连接技术

在新材料应用中面临着材料连接的问题，随着汽车材料体系的扩大，异种材料连接成为一项重要问题，汽车制造商需要完善其生产自动化、设备智能化和生产数据信息化等，采用独特的锁铆工艺有效地连接不同材质、厚度和强度的材料。当前一些企业主要应用紧固、自攻螺接、黏接等金属和非金属材料的连接方案，进一步扩展新材料的应用。

5 结语

在各种新材料和新工艺的开发应用中，汽车车身轻量化的发展前景更加广阔，在未来发展中在结构设计、轻量化设计中需要紧密结合计算机技术，对新材料进行积极地开发利用，促进汽车车身轻量化的发展推进。

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