车身轻量化设计研究现状

2024年3月30日发(作者：中国汽车品牌十强)

Ｂ。ｄ　

■华南理工大学／黄信宏　

车身轻量化　

设计研究现状　

车身的轻量化设计要求车身结构更加安全，同时车　

身材料运用更为经济合理，各种新型材料的加入也将使　

车辆行驶更为快速、节能。未来汽车的设计将会优先考　

虑车身材料，除目前大量使用的金属类材料外，塑性高　

分子材料的运用也呈现出多样化。　

万美元实施了超轻钢制车身先进概念汽车（ＵＬＳＡＢ　

ＡＶＣ，Ｕｌｔｒａ　Ｌｉｇｈｔ　Ｓｔｅｅｌ　Ａｕｔｏ　Ｂｏｄｙ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　

Ｃｏｎｃｅｐｔｓ）计划，进一步开发新一代钢制汽车结构，使　

白车身的高强度钢板使用达到１００％，先进高强度钢板　

８０％以上。所研制的ＰＮＧＶ级车身质量２１８ｋｇ，比同级下　

身减重２０％，成本仅９７２美元。结构性能方面不仅抗弯、　

高强度钢结构车身　

无论从成本角度还是从性能角度，高强度钢板（屈　

服强度大于２１０ＭＰａ）以及超高强度钢板（屈服强度大　

于５５０ＭＰａ）都是目前减少车身质量、提高车身结构耐　

撞性的最佳材料，具有轻质、高疲劳强度和高碰撞吸能　

的特点。为与常规高强度钢板进行区分，把屈服强度　

５００～１５００ＭＰａ以相变强化为主的双相钢（ＤＰ）、相变　

诱导性钢（ＴＲＩＰ）和多相钢（ＣＰ）等称为先进高强度　

钢，其主要表现为较高的延伸率。　

抗扭，刚度显著提升，还达￣ｆＪ２００４年美国和欧洲的ｆ　

碰撞安全标准。近年来，欧美汽车公司在新乍　的开发　

中都会部分或全部采用ＵＬＳＡＢ项目技术，进　步｝，　夫ｒ　

高强度钢板在汽车上的应用。　

国内汽车合资公司的技术直接来源于　外母公司，　

高强度钢的应用水平与国外相当，如一汽大众２０１　ｌ款　

新迈腾车身的高强度钢板使用达到ｌｒ７９％，其中ｌ５％为　

拉伸屈服强度１０００ＭＰａ以上的超高强度热成形钢板，集　

中分布于前后保险杠、中央通道、脚部横梁、门槛、Ｂ　

２０世纪９０年代，国际钢铁协会为应对镁铝行业的　

竞争，组织世界１８个国家３５家钢铁公司并委托Ｐｏｒｃｈｅ公　

司，投入２２００万美元开展了超轻钢制车身（ＵＬＳＡＢ，　

Ｕｌｔｒａ　Ｌｉｇｈｔ　Ｓｔｅｅｌ　Ａｕｔｏ　Ｂｏｄｙ）项目。于２００４年打造出质　

量为２０３ｋｇ高性能车身样品，车身部件９０％以上采用高　

强度钢板，比同级别轿车车身造价降低１５％，重量减　

轻２５％，扭转刚度提高８０％，弯曲刚度提高５２％，车身　

的一阶固有频率升至６０Ｈｚ，完全满足碰撞安全法规。　

继ＵＬＳＡＢ项目成功后，钢铁企业又于１９９８年投入１０００　

柱以及车顶边框等区域，保证了乘员区在碰撞过程　Ｉ完　

整。国内部分自主品牌汽车的白车身高强度钢板用量　

占到了４５％以上，宝钢、武钢、鞍钢等企、Ｊ　也积极为汽　

车企业提供部分高强度及先进高强度钢板，但品种　顷　

量与国外先进水平还存在较大差异。　

铝合金结构车身　

为应对钢铁市场的竞争，世界各人铝业公司Ⅱ土结成　

汽车铝材联盟（Ａｕｔｏ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ａｌｌｉａｎｃｅ），加强铝在汽　

∞２０１２￣劳５期ＭＣ琢代霹部件　

ＷＷＷ．ｍｃ１９５０．ｃｏｍ　

Ｂ。ｄ　ｇｙ　

车上的应用研究。铝合金在汽车上的应用也呈逐年递增　

的趋势。据估算，全铝合金车身相比传统钢制车身减重　

４０％～６０％。２００６年欧美日等发达国家的轿车平均用铝　

量已达１２７ｋｇ／辆，２００９年欧洲的一些典型车型的用铝量　

也在２５～３０ｋｇ。铝合金在减振、抗氧化、耐腐蚀和易回　

收方面的特点及对冷冲压工艺的适应性显示了其作为汽　

车减重轻质材料的重要地位。具有代表性的奥迪公司在　

车身铝合金空间框架ＡＳＦ（Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｓｐａｃｅ　Ｆｒａｍｅ）的　

研究中硕果累累，ＡＳＦ车身由多种断面形式的盒形铝合　

金薄壁梁通过真空压铸连接而成，主要承载部位由ＭＩＧ　

焊接。自１９９４年推出第一代ＡＳＦ车身以来，￣２０１０年已　

将ＡＳＦ车身技术发展到第三代。第三代的Ａｕｄｉ　Ａ８中采用　

了１３种不同强度的铝合金材料，ＡＳＦ框架结构包括了挤　

压成形件和压铸零件，车顶和车身侧翼等位置的铝板用　

到仿生学原理的咬合连接。整个车身中挤压成形铝件占　

２２％，高精真空铝铸件占３５％，液压成形铝板占３５％，　

无缝激光焊接长达４４ｍ，自冲铆接１８４７个，焊点２０２个，　

多处连接位置还使用粘接剂进行加固，车身整体结构刚　

度与抗扭强度较上代车身提高２５％，比传统钢制车身减　

重４０％，白车身仅重２４１ｋｇ。市面上的全铝车身车型越来　

越多，除Ａ８和新款捷豹ｘＪ以，全铝车身主要用于跑车，　

如宝马Ｚ８、法拉￣１］３６０ＭｏｄｅｎａＪＳｐｉｄｅｒ、本田ＮＳＸ等。　

国内汽车合资公司一汽一奥迪于２０１２年推出全铝　

车身的Ａ６Ｌ，全面借鉴Ａ８Ｌ￣ｌＺｌＡ７，车身铝合金材料超　

过２０％，比原钢制车身减重１５％，在整车质量减轻８０ｋｇ　

的情况下刚度提升５０％，加速性和过弯性显著提升并高　

于同级竞争对手。国内自主品牌乘用车中全铝车身只　

在顶级量产红旗ＨＱＥ中出现过；中国客车市场销量冠　

军品牌宇通客车也于２０１　１年７）１“第二届中国自主品牌　

汽车博览会”上推出了国内首款全铝车身纯电动公交　

ＺＫ６１２９ＥＧＱＡ，整车质量大幅降低，车身重心下移，安　

全性能提升显著，能源消耗仅为传统燃油车型的１／５。　

碳纤维、镁合金等轻质材料车身　

碳纤维作为一种力学性能优异的新材料，密度不到　

钢的１／４，抗拉强度却能达到钢的７～９倍，以其制造的　

汽车可以节约燃油３０％。英国材料系统实验室（ＭＳＬ）　

的研究表明，碳纤维增强聚合物材料车身相比钢结构车　

身减重５３％以上，全铝结构车身减重３０％，且当汽车在　

２Ｚ辆以下生产纲领的情况下，采用树脂传递模塑工艺　

（ＲＴＭ）制造碳纤维复合材料车身的综合成本低于金属　

车身。２０１　１年卡塔尔车展上亮相的大众ＸＬ１概念车，整　

车重量７９５ｋｇ，百公里平均油耗０．９Ｌ，这得益于设计阶　

段１６９ｋｇ碳纤维强化材料的加入使得车身仅重２３０ｋｇ。预　

计２０１６年上市的大众第八代高尔夫家用车将采用碳纤维　

车身，百公里油耗仅２．９Ｌ。宝马公司斥资５亿欧元研发　

碳纤维车身，预计２０１３年推出全球首款量产型全碳纤维　

车体汽车。奔驰公司也于２０１０开始与日本碳纤维生产商　

东丽公司（ＴＯＲＡＹ）合资生产碳纤维汽车零部件，东丽　

已有的相关技术可使碳纤维强化塑料（ＣＦＲＰ）于１０ｍｉｎ　

内成形汽车前地板。在未来新能源汽车的研发中，电　

动车车身减重４０％，可减少电耗４０％左右，中科院也于　

２００９年启动碳纤维电动车的研究项目。　

但长期以来制约碳纤维复合材料在汽车工业广泛应　

用的瓶颈是生产效率和成本，随着大丝束纤维（ＬＴ）　

生产技术的发展，碳纤维的价格将大幅度降低。此外在　

２０１１年的中国首届低碳能源创业大赛上，无锡安飞纤维　

材料科技有限公司总经理韩楠林博士展示了其制作的新　

型低成本三维碳纤维复合材料整体车身模型，模型材料　

据称能使抗撕裂强度和抗冲击强度提高５０％～１００％，界　

面剪切强度提高１５％，同时提高生产效率７０％～９０％，　

降低成本５０％以上。该技术已引起宝马、兰博基尼、迈　

凯轮、比亚迪等车企的关注，要求其提供样品及试验报　

告资料，商讨在新产品中进行尝试。　

镁合金材料具有良好的加工性、抗凹性和减振性等　

优点，密度大约为１．８ｇ／ｃｍ　，是铝合金的２／３，是最轻的　

结构金属，具有极大的轻量化应用潜力。目前汽车工业　

界镁合金使用量最大的国家和地区主要为欧美、日本和　

韩国，这些镁合金被主要用来制造进气歧管、离合器壳　

体、转向柱架、散热器及制动器踏板支架等，在车身上　

的应用也逐渐由仪表板扩展到车门。但相对于铝合金车　

身，目前还没有镁合金车身商业应用的先例，整个车身　

结构中镁合金汽车前端还没有设计出来。２００６年１２月，　

中国、美国和加拿大合作启动了“镁质车体前端结构　

研究与开发”ＭＦＥＲＤ（Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ　Ｆｒｏｎｔ　Ｅｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　

ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｐｒｏｊｅｃｔ）项目，旨在使各方汽车用镁合　

金零部件从单体部件扩大到车体前端的子系统，提高汽　

车的操纵性能和驾驶舒适性。我国长安汽车也联合研究　

院所尝试过镁质汽车前端的研发，三年多的研究显示，　

镁合金在车身前端的应用将面临碰撞安全、腐蚀防护、　

理代零部件２们鲜第５期８１　

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