轿车车身结构的轻量化设计.pdf

轿车车身结构的轻量化设计 1 2 常方奎 ，孙广建 1青岛大学车辆电子技术研究所，青岛(266071) 2上海交通大学车辆工程专业， 上海(200240) 摘 要：本文讲述了车身轻量化的意义及技术实现，从车门、车梁、车身薄板梁等方面具体讨论了轿 车车身结构的轻量化设计方法，并对管件液压成形技术在车身结构中的应用做了简要说明。 关键词：轻量化设计；管件液压成形技术；车身薄壁梁 中图分类号：U463.82 1. 引 言 通过对汽车正常行驶时燃料消耗的各种因素进行分析，我们可以看到影响汽车燃料利用率的主 要因素除发动机的热效率之外，还有驱动系的摩擦、辅助机械消费、滚动阻力、空气阻力等。汽车 低速行驶时的主要影响因素是滚动阻力和辅助机械消费，而滚动阻力和车重是成正比的。另外根据 大量研究表明，当整车质量减轻 10%时，汽车的燃油经济性可提高 3.8%，加速时间减少 8%， CO 排放量减少 4.5%，制动距离减少 5%，轮胎寿命提高 7%，转向力减小 6%。白车身是整个汽 车零部件的载体，其重量约占整车的 40%~60%。因此实现汽车车身轻量化是改善汽车经济性的 有效方法。 汽车轻量化技术包括轻量化材料的使用和结构的轻量化设计两大途径。汽车轻量化材料的使用 是指通过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，工程塑料和各种复 合材料进行汽车轻量化设计；汽车结构的轻量化设计是指通过改进汽车结构，使部件薄壁化、中空 化，小型化及复合化达到轻量化目的。实际上这两方面的内容是密切得结合在一起的。很多时候往 往是轻量化材料结合轻量化结构设计从而实现了在整车刚度、性能不降低的前提下的轻量化。[3] 在轻量化材料方面，很多国家和汽车公司已经对这方面进行了大量的研究，其中尤以德国AUDI 公司和日本HONDA公司为代表。AUDI铝材及轻量设计中心曾成功地开发出AUDI A2 和A8 型汽车。 在 1991 年的德国法兰克福车展 （IAA ）上，闪耀着四环标志光芒的奥迪展出了具有铝制车身的Spyder 四驱跑车，这款跑车一经亮相就引起了轰动。随后不久的东京车展上，奥迪又向人们展示了一款体 现未来跑车概念的奥迪Avus ，其高亮度的抛光铝制车身在众多参展车型中分外抢眼。1994 年第一辆 以全铝车身框架结构（ASF ，AUDI SPACE FRAME ）为主要技术亮点的奥迪A8 便成功下线。随后 于 1999 年在这里诞生的奥迪A2 ，成为首批采用该技术的量产车。2002 年，该设计中心又见证了第 二代奥迪A8 的诞生。改进后的全铝车身框架，刚度提高 60%，焊点减少40% ，重量比竞争对手轻， 以此带来更大的灵活性、安全性和平稳。而HONDA公司 1989 年面市的NSX是一体式的铝车身结构， 车身在融入轻量化设计理念之后，重量仅有 1270 公斤。[2] [5] 至于结构设计方面有效的方法是通过优化车身结构实现轻量化，其代表性成果为 ULSAB (Ultra Light Steel Auto Body) 项目。受空间尺寸限制，由于有些材料的结构刚度不足，轻量化可能导 致汽车振动、噪声与抗疲劳等方面性能的降低。前轮驱动 （FWD）结构就是一个结构轻量化的典型 和成功的例子。它没有通过驾驶舱下面的驱动轴，也不用制造后桥壳，变速器和差速器被装配在一 个壳体中，这样所需的零部件就更少，对于减轻整车重量有很大的作用。减轻车重可以提高加速性， 制动性和燃油经济性。同时，由于前轮驱动的汽车的驱动轮承受着发动机和驱动桥的重量，还可以 增加驱动轮的附着力，这对于在湿滑路面上行驶的汽车将会有很大的帮助。 汽车轻量化的前提应保证汽车整体性能不受影响。结构的轻量化设计中改变结构之后同样亦不 能降低部件的强度。这一点可以通过有限元分析法加以解决。高刚性结构、部件一体化、减少焊缝、 厚度的合理选择与分配等都可以带来轻量化的效果。 - 1 -