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・２９・
汽车结构的轻量化设计方法综述
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（①商洛学院城乡发展与曹理工程系，商洛７２６０００；②广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州５１０６４０】：ｑ）Ｕｒｂ眦ａｎｄＲｕｆａｌＤｅｖｅｌｏｐｍｎｔ舭ｄＰｒｏｊｅｃｔＭ如ａｇｅｍｎｔＤｅｐａＩｔｍｅｎｔｏｆｓｈａｎｄｕｏｕ玎ｊｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｌｕｏ７２６０００，ｃｌｌｉ胍；
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摘要：汽车结构轻量化对降低汽车排放和油耗具有重要意义．文章介绍了汽车结构轻量化的几个代表性研究项目；对高强度铜板、铝镁合金及塑料等轻质高强度材料在车身结构轻量化中的应用进行了阐述；围绕新材料的先进成形工艺，如激光拼焊板、液压和气压成形，热冲压工艺等成形工艺，以及自冲铆接等先进连接工艺进行了分析；同时还介绍了有关的汽车结构优化和创新设计方法．最后对汽车结构轻量化设计方法的发展动向进行了展望。
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关键词：汽车轻量化；高强度铜板；激光拼焊板；自冲铆接
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中图分类号：Ｕ４６２
文献标识码：Ａ
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文章编号：１００６－４３１１（２０１２）１９—００２９－０３
０引言
随着快速增长的汽车保有量，一方面，汽车作为方便、快捷的交通工具改善了人们的生活和工作方式；另一方面，却加剧了能源消耗，带来尾气、噪声等环境污染以及交通安全危害。汽车产业面临着节能、安全和环保的巨大压力。
针对上述问题。解决的重要途径是在对动力系统进行改进的同时积极开发和寻找替代能源及相关技术。
但受技术难度、开发周期和市场份额等问题制约，仅靠这一途径很难满足国家和市场的要求：另一个重要途径是整车轻量化。有关研究数据表明，若车桥、变速器等机构的传动效率提高１０％，燃油效率可提高７％：若汽车整车质量降低１０％，燃油效率可提高６％～８％【ｌ一。车身占整个汽车制造成本６０％，占汽车总重量的３０４０％，空载情况下，７０％的油耗将用于车身质量上唧。图１展现了日本统计的乘用车自重与油耗之间关系。显而易见，当车辆的自重从１５００ｋｇ下降到１０００ｋ异时，每升燃油平均行驶的里程由１０ｋｍ上升到１７．５ｋｍ，即每减重ｌｏｏｋｇ，每升油可多行驶１．５ｋｍ，也就是说在此区间内，燃油的经济性提高了５．７％一１０％。
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车身结构轻量化设计研究，主要从三个方面进行：一是结构优化或创新，改进车身结构，使琴部件薄壁化、中空化、小型化和复合化闻，采用ＣＡＤ，ＣＡＥ，ＣＡＭ，ＣＡＰＰ数字化设计和制造技术提高零部件开发质量：二是采用先进的车身制造工艺，如激光拼焊、中高温成形、滚压或液压成形等；三是采用轻质高强度材料ｆｊ】。宝马汽车轻量化设计方案就是综合运用各种技术在保证汽车性能前提下，最大限度的减轻汽车重量，如图２所示。
图２宝马汽车车身结构轻■化设计方案
２轻量化材料在汽车结构轻■化中的应用
２．１高强度钢板高强度钢板材料在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合优势。高强度钢板的明显优点是在
砌耋踟譬姗拼踟掰砌呈舢车身结构设计上采用更薄的钢板，并获得相同的强度，在钢板厚度分别减小０．０５、０．１０和Ｏ．１５ｎｍ时可以使车身分别减重６％、１２％和１８％哪。因此，在高强度钢板比传统钢在价钱上更贵的情况下，减轻了重量可使得两者实际成本相近。
未来十年，高强度钢在汽车中的应用会大幅度增加。
２．２铝合金比强度和比刚度十分优良的铝金属基复合材料研究开发的成功，是汽车轻量化的进一步发展的一个很好途径。据统计２０１０年每辆轿车的平均铝使用量与１９９８年相比增长５３％，上升到１３０ｋｇ。铝材的强度和刚度虽然是比钢材小很多，通过框架结构设计及采用更厚的板材也可以补偿这个不足，车身空间框架结构质量在使用铝材后下降４７％，与此同时采用改进的断面形式将使车身
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圈１日本乘用车自重与油耗之问关系
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１车身结构轻量化设计的研究内容和方法
作者简介：李传博（１９８ｌ一），男，陕西商洛人，硕士。讲师，研究方向为车辆检
测与诊断技术。万方数据
・３０・
价值工程
抗扭抗弯能力增加了１３％嘲。
目前，受加工技术和成本的约束，铝材料主要应用在发动机、车门、内外引擎罩、及其他零部件上，在车身制造上还是少见。各汽车制造商和众多学者的研究一个热点问题是怎样从根本上解决铝合金板成形性能差，因此可获得稳定可靠的成形工艺。
气体热成形是正在研究的一项金属成形新技术，它适用于钢、铝合金、镁合金等金属管材、板材，尤其是高强度钢管件的成形。其工艺过程如图４所示。
２．３镁合金和塑料镁的密度仅为１．８加ｍ３，是钢的ｌ，５，铝的
２，３。相对而言镁合金的比强度（强度与质量之比）最高：比钢度（刚度与质量之比）远高于工程塑料而接近铝合金和钢。当前镁基合金汽车零部件使用和研制发展势头良好。正在使用和在研制中的镁基合金汽车零部件欧洲已超过６０多种，北美已多达１００多种。今后将重点发展的镁合金零部件主要有：仪表板骨架、发动机缸体、缸盖、油底壳、格栅加强体、结构支架（座）、后车箱盖、内门框、车顶板、加强板，以及某些抗碰撞零件。
塑料在汽车中的应用遍及所有总成，习惯上将它们分为内饰件、外饰件和功能件（其它结构件）。塑料及其复合材料不仅可减轻零部件约４０％的质量，而且还可以使生产成本降低４０％左右是当前最重要的汽车轻质材抖。就目前车用塑料配件市场来看，相对于国外发达地区车用塑料已占塑料总消耗量的７％～１ｌ％，我国的所占比例不足１％。由此可见我国仍需要大力扩展车用塑料配件市场。３结构优化设计和创新性结构在汽车轻■化的应用
结构优化的常见形式有：①优化并排焊点。布置两排或多排焊点的翻边肯定比布置单排焊点的翻边宽，因此在设计中应充分利用
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同液压成形相比，气体热成形所需的成形压力仅为液压成形的协Ｏ；由于改善了材料成形性能，从而可生产形状更为复杂的零件；同时，设备投资和能源消耗也远低于液压成形。上述优点使气体热成形有塑成为车身、底盘构件的新一代成形工艺。
４．３热压成型技术将钢板被加热到奥氏体温度区间（约９００℃】进行热冲压，同时在冲模内对冲压件快速冷却（淬火），可制造抗拉强度达到１４００删Ｐａ以上的部件。
热压成型的技术优势包括：
①具有高的强度且具备良好的延展性，从而可适当降低零件的厚度，有效的减轻零件重量，达到减重目的：
②具有高的尺寸精度；③降低压机的吨位；
④能够提高整车的碰撞性能。图５为热冲压成形应用实例。
模拟分析来优化焊点的布置形式和数量以减少车身重量。②避免用
增加零件整体厚度的办法来解决零件本身局部刚度或模态问题。一般可以通过采用优化加强筋的形状和位置，局部增加加强板的方法
来加以解决。③减重孔的优化设计。通过减重孔的设计去掉不必要
的质量，达到减重的目的。整合零部件，减少其数量是实现零件结构
轻量化的有效途径。某些车型的车身骨架零件数已由伽个减到了
７５个。质量减轻达到３０％左右。由于减少了零部件之间的连接，车身刚度得以加强，在提高车身舒适性的同时，达到减重的目的。４先进成形技术在轻■化汽车结构中的应用
４．１激光拼焊板激光拼焊板是将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材焊接成一块整体板，以满足琴部件对材料性能的不同要求，也可以把相同材质的等厚材料焊接到一起冲压，以提高材料利用率。与传统点焊工艺的产品相比，激光拼焊板最显著的优点是减少了零件数量和材料消耗，降低了整车重量，简化了装配工艺，因而得到了越来越广泛的应用。目前，由拼焊板生产的汽车零郜件主要有前后车门内板、前后纵梁、侧围、底板、车门内侧的Ａ、Ｂ、Ｃ立柱、轮罩、尾门内板等。
４．２液压和气压成形技术液压成形技术是把管状或板状材料放在密封的模具中，再把流体介质（水、油等）引入管件的内腔或板件与模具的内腔，增加液体压力，使工件在常温下变形，经过膨胀、压缩和成形三个阶段，最终成为所需琴部件形状的成形方法。使用液压成形方式制造的零件，成型后的回弹少、精度高，因此可以节省后续所需的加工以及组装费用。同时，使用液压成形的加工方法，可将原来需要分割成数个零件组合的部件，用单一的零件代替，减少了零件组合的工作，同时增加车体的剐性，从而达到减轻重量、降低成本的目的。典型的液压成形汽车零部件有Ｔ形接头、发动机支架，排放系统与后桥部件，各种结构件。图３给出了液压成型生产流程示意图。
杠
拄
圈５热冲压成形技术在汽车上的应用实例
５连接技术在汽车轻■化中的应用
连接技术也是轻量化发展的技术关键之一。它关系到被连接结构的性能、重量、加工工艺、安全等诸多方面。传统的连接技术主要
有电阻点焊和ＭＩＧ舢ＡＧ焊，但随着多材料轻量化设计的需要，激光
焊接、铆接与自冲铆接及复合连接等新的连接技术逐步发展并得到越来越多的应用。
５．１械连接技术机械连接技术包括压焊、钳铆、自冲铆接和折叠等。采用机械连接技术替代电阻点焊的连接方法可用于多种材料组合或夹层材料，具有投资低，不需加热。不需预处理及加工的优点。
５．２黏贴连接粘接采用面接触而非点接触，与点焊及铆接相比，有改善连接刚度与强度，减少应力集中，提高密封性，减少受潮
钢管成型
及脏物进入，通过接合处的合理设计能很好地吸收能量，起到减少振动与降低噪声的作用。粘接连接的优点已经为多数汽车生产企业生产的许多产品所证明，如美洲豹）【Ｊ２２０，福特ＡⅣ，罗孚ＥＣＶ３，ｋｔＬＩＢＥｌｉ∞，及本田ＮＳＸ等ｏ
５．３复合连接技术复合连接是指将两种连接方法组合在一起使用的连接技术，如铆接一粘结，点焊一粘结，激光焊接一ＭＩＧ等。复合连接的主要优点是可以使不同连接方式的优势互补，接头扭转刚度和疲劳强度高、密封性好，并可改善车辆的ＮＶＨ。
６汽车轻■化设计的发展动向
在安全、节篱、环保等法规的推动下，以及受到性能和成本等因素的制约下，预计未来汽车轻量化材料技术将会朝以下方向发展：
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一次成型
圈３液压成型生产流程示意圈万方数据
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镀锌电焊网焊点在节能工程上的拉伸实验研究
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摘要：在建筑节能工程中，镀锌电焊网的柔韧性和耐腐蚀性使它得到了广泛的应用，但是其夹具问题一直难以得到解决，成为工程中的一个难题．镀锌电焊网焊点在节能工程实际工作中产生的拉伸速度是影响夹具正确选择的重要因素，在正常情况下，通常利用具有高精度的电子万能试验机来研究参数，但是其速度标准在相关规程中并没有明确规定．本文通过对镀锌电焊网的焊点在实际中拉伸速度的不同，来研究确认焊点的试验曲线以及抗拉力性能是否达到较好的水准，从而能够根据实验选择适宜的夹具．
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关键词：镀锌电焊网；焊点；节能工程；拉伸实验
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文章编号：１００６＿４３１１（２０１２】１９－００３１—∞
力，可极大地改善其工程特性，满足施工工艺的要求，在外墙外保温系统中作为抗裂防护层增强材料，能显著提高高层保温中贴面砖体系的抗裂、抗冲击性能、抗风压和系统安全性。
根据工程验收规范中的规定。镀锌电焊网的焊点抗拉作为衡量其抗拉性能的一个重要指标而成为必检项目。在一般情况下，可以根据＜镀锌电焊网＞的标准里所提到的关于镀锌电焊网的焊点抗拉能力的规定，包括电焊阕的镀锌层部分与丝网的联系，另外还有丝网跟丝网的联系，从这些标准里分析，关于它们的描述比较简单，即使去查找相关的文献资料，也很难找到类似的描述或者实验过程和
结果。
随着建筑节能工程的日渐普及，通常在建筑工程的规划设计阶段以及使用的过程中，就应当同时执行落实相关的节能方面的标准指标，无论是施工技术还是施工工艺，以及施工设备和所用的施工材料及相关产品，都可以考虑采取节能型的，从而进一步提高保暖系统、供热系统、隔热系统以及制冷系统方面的工作效率，建筑物的节能装置系统的正常管理运行也能够得到加强，加上对再生能源的有效利用，可以在保障供热质量的前提下，最大限度地减少暖气管的供热、照明装置、室内空调的使用、供应热水是所产生的能耗等各种能量耗用。
如今，随着建筑节能工作的逐步开展，国家出台了一系列的政等。如果节能工程的质量得不到保证，意味着整个工程的验收失败，因此，当前各类外墙保温系统得到日益广泛的应用，比如膨胀聚苯板薄抹灰外保温系统、胶粉聚苯颗粒等。
电焊网一般采用优质低碳钢丝经机械化排式焊接加工，成型为方形电焊网，抗拉力、整体凝聚力程度同等规格比编织网高出很多，但同时制作成本却大大降低，再经过镀锌表面处理，抗腐蚀防锈蚀的能力极强。镀锌电焊网结构因具有良好地抗裂、抗冲击及抗冻能
基于这种状况，对于节能工程的技术人员来说，很有必要自行程上的特点及其它相关因素，通过有效的实验方法，在电焊网拉伸速度不同的条件下，以及考虑到网孔间距不相同的各种因素下进行的焊点拉伸，全力解决夹具难以正确选择的问题，这也是每一位节能工程技术人员、施工人员的责任和义务。
１镀锌电焊网的工艺及特点
镀锌电焊网通常选用优质的低碳铁丝，通过自动化精密准确的机械设备点焊加工成形后，采用浸锌工艺的表面处理，常规英标生产，网面平滑整齐，结构坚固均匀，整体性能好，即使局部截或承受
策，包括＜民用建筑节能条例＞、＜建筑节能工程施工质量验收规范）研究与镀锌电焊网有关的工艺流程，结合镀锌电焊网焊点在节能工
作者简介：费春芳《１９８１一），女，江苏吴江人，本科，工程师，研究方向为超声压力也不会发生松散现象，一它是整个铁质筛网中防腐蚀性能最强
波检测成桩质量。的，也是铁质筛网用途最广泛的网类之一。它拥有优质的防腐蚀性
６．１碳纤维、钛合金和金属基复合材料有望成为新一代轻量化汽车工程。２００５，２７（３）：３８２—３５５．ｆ材料。
６．２在轻量化材料技术的持续推动下，设计理念将会发生根本性的变化。
６．３零部件制造技术仍将是未来研究的重点。参考文献：
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【２］Ｂ∞ｅｄｙＪ．Ｃ．ＵｇｈｔｍｅｔａｌＢ
术。瑚３，（５）：５３－５８．
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Ｉ撕ｔｈｅ８ｔｒＩＩｃｔｕ阻ｌ【５ｌＩｕｌｌｌ）ｏ
ｂｅｈ盯ｉ盯０ｆａＬｉ曲ｔ—ｗｅｉｇｈｔｄｅｃｋ田．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉＩｌｇＳ函ｌｃｔｕｍＢ，２００４’２６：９６３—９７７．
Ｊｉａ’Ａｎｄ嘲ＵⅡⅧ硼．Ａｐ咖血ｉｃ咖ｌｄｙ
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ｆ７１谢然．多目标优化方法在车身结构轻量化设计中的应用研究［Ｄ】．广州：华南理工大学．２０ｌＯ．
ｉｌＩ¨ｔⅧ撕ｗ叩ｐｌｉｃ囊ｌｉⅢ叨．ＬｉｇｌＩｔＭｅｔａＩＡｇｅ，
２０００＇Ｉｏ（１）：３牟－３５．
【３】田浩彬，林建平，刘瑞同等．汽车车身轻量化及其相关成形技术综述叨．
嘲龙江启，兰凤岽，陈吉清．车身轻量化与钢铝一体化结构新技术的研
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万方数据