论轿车白车身轻量化的表征参量和评价方法

2009年(第31卷) 第5期

汽　车　工　程Aut omotive Engineering

2009(Vol . 31) No . 5

2009083

论轿车白车身轻量化的表征参量和评价方法

马鸣图, 路洪洲, 李志刚

(中国汽车工程研究院, 重庆　400039)

3

[摘要]　对轿车白车身轻量化的内涵、表征方法、, 的指标———轻量化指数, 探讨了轻量化设计的实施方法, 。

关键词:白车身轻量化; 轻量化系数; and Evaluati on Method for

L ight w eighting of Car Body 2in 2white

M a M i n gtu, L u Hongzhou &L i Zh i gang

China Auto m otive Engineering Research Institute, Chongqing 　400039

[Abstract]　The connotati on, descri p ti on method and evaluati on para meters of light w eighting f or car body 2in 2

white (B I W ) are comp rehensively revie wed, an indicat or for app raising the effects of light w eighting work ———light 2weighting index is put f or ward, the i m p le mentati on methodol ogy of light w eighting design is investigated, and the re 2lati onshi p bet w een the perf or mances of aut o parts and co mponents and the p r operty para meters of materials is elabo 2rated .

Keywords:li ghtwe i ghti n g for B I W ; li ghtwe i ghti n g coeff i c i en t ; li ghtwe i ghti n g i n dex; i m ple m en ti n g ap 2

proach to li ghtwe i ghti n g

从市场角度, 对白车身的设计要求是:驾驶性能

前言

汽车用户在要求汽车高性能的同时, 也越来越多地关注汽车的油耗。降低汽车油耗的一个直接而重要的方法是汽车轻量化。对于乘用车, 其质量每减少10%, 油耗可降低6%～8%, 同时排放减少3%～4%

[1]

和动力传动系统性能好、油耗低、被动安全性高、乘坐舒适性好、外观漂亮、成本合理等。将这些市场需求转化为设计功能要求, 就确定了车身设计理念、材料与工艺的选择、合理成本与高性能的匹配; 具体要

[2]

求包括4个方面:(1) 被动安全的碰撞性能———前撞、后撞、侧撞和翻滚; (2) 与汽车振动和行驶稳定性相关的车身刚度, 包括静态刚度、动态刚度、扭转刚度和弯曲刚度; (3) 与汽车运动声学和舒适性相关的NVH 特性、声音的吸收性、冲击噪声的降低、车外风声的隔离、汽车行驶时的空气流动产生的空穴效应引起的振动; (4) 与汽车使用期限和寿命相关的振动的稳定性、应力循环图、腐蚀、回收等。此外, 还应考虑材料成本、工艺价格、工程的可行性以保证在满足功能的条件下, 使汽车的成本最低, 即汽车具有优良的性价比。

。近年来, 汽车轻量化已成为汽车工业重点

关注的发展方向之一, 各国汽车界十分重视, 我国也于2007年12月成立了中国汽车轻量化产业创新联盟。本文的目的在于阐明汽车轻量化的概念, 轻量化的含义、表征方法和参量、轻量化设计的方法、轻

量化材料和工艺的全寿命周期的评价。

1　对汽车白车身的设计要求

(2008DF B50020) 资助。3国家科技部“国际合作项目”

原稿收到日期为2008年12月4日, 修改稿收到日期为2009年2月28日。

・　404・汽　车　工　程2009年(第31卷) 第5期

2　汽车轻量化和轻量化设计的概念

汽车轻量化设计和白车身质量的减轻与所设计的车身的尺寸和功能相关。汽车轻量化设计和轻量化的概念应从3个方面来阐明:(1) 对于已满足功能要求的汽车, 轻量化的设计是减轻质量而保持原功能不变, 其轻量化的效果是直接的减重; (2) 汽车的现有功能尚不能全部满足要求或需要提升, 轻量化设计是完善功能而保持质量不变, 如改进汽车的动力学性能、NVH 性能和声学性能、, [3, 质量减少, 。例如由国际钢铁协会组织的全世界34家钢铁公司联合进行了超轻量钢车身项目(ULS AB —ultra light steel aut o body ) 就是功能、材料、减重、成本的结合。超轻钢车身(ULS AB ) 、超轻钢汽车覆盖件ULS AC (ultra light steel aut omotive cl osures ) 和超轻钢汽车悬架ULS AS (ultra light steel aut omotive sus pensi on ) 的汽车轻量化设计项目虽然其目标不同, 但也都是类似超轻钢车身先进车概念ULS AB 2AVC (advanced vehicle con 2cep t ) 的轻量化设计概念, 其实施也是设计、功能、材料、减重和成本的综合, 使项目达到最优性价比。

[4-5]

图1　白车身轻量化系数的相关参量示意图

数据, 方程(1) 中的面积A 实际确定了车子的级别, 即A 、B 、C 和D 级等, 这与车子的宽敞舒适度也密切相关。

车身性能的一个重要指标是扭转刚度, 为了将作用于装好的挡风玻璃上的载荷保持在可以承受的水平, 并避免由于高的表面张力而引起挡风玻璃的彻底破坏, 车身的刚度必须达到装上挡风玻璃的刚度的2/3,静态扭转刚度是在扭转实验系统上用一

定的转矩(取决于车辆的尺寸级别) 测量, 它表示使车身产生单位扭角所需施加的转矩; 静态扭转刚度和材料的弹性模量、断面形状、主要部件的刚度、结构以及连接方法等有关, 宝马车的刚度逐年提高, 如

) , 而2005年已提高3系列1990年为9100N ・m /(°) 。到18300N ・m /(°

3　汽车轻量化的表征参量及其物理技

术意义

　　汽车轻量化设计应包括质量减轻和功能的完善

和改进, 为表征白车身的轻量化的效果, 宝马汽车公司的B runo L üdke 提出了轻量化系数的概念, 该系数L 可用下式表示为

(1) L =m /(C t A )

式中m 为白车身的结构质量(不包括车门和玻璃) ,

) ; A 为kg; C t 为静态扭转刚度(包括玻璃) , N ・m /(°左右轮边宽度与轴距的乘积所得的面积, m ; L 为轻

kg

量化系数, 。

) ・m 2]N ・m /[(°

有关参量示意图见图1, 汽车轻量化效果反应在L 值上为下降。

以作者的理解, 轻量化系数关系式中的面积A 这一参量决定了车子的大小、乘用空间。车子的轮边宽度与轴距之比一般都符合黄金分割, 按照这些

2

动态刚度和白车身的NVH 密切相关。车身的固有振动频率f 与

f ∝

c /m

c /m成正比, 即

(2)

式中c 为车身刚度; m 为车身质量。

刚度c 越高, 则f 越高。为避免1阶弯曲或扭转固有频率的激励, 白车身的频率必须限制在特定的频率范围内, 使汽车在整个运行车速范围内, 都不能激励白车身的固有振动, 保证汽车行驶的舒适性。图2示出了不同年份的宝马5系列的动态刚度和1阶固有频率的合理范围。

做为国际知名的宝马汽车公司, 在轻量化系数中重点考虑面积A 和扭转刚度是可以理解的, 因为宝马公司汽车安全性是令人满意的, 而该公司的品牌是以舒适和宽敞著称; 但在一般情况下, 在进行轻量化设计时, 还须考虑安全等因素, 因此轻量化系数应该还涵盖有更多的相关内容; 虽然轻量化系数具有一定的物理内涵, 但对于不同车型、不同公司产品

2009(Vol . 31) No . 5马鸣图, 等:论轿车白车身轻量化的表征参量和评价方法・　405・

盖件、超轻钢悬架就属于这种情况, 当进行白车身轻量化设计时, 要求其质量不变, 性能不变, 但碰撞安全性提高, 此时的轻量化指数L 就可表为

L =1-I 1/I 2

i

i

i

(8)

这里L 所表征的轻量化效果即为碰撞安全性的提高。式(8) 中I 1、I 2为轻量化设计前后的碰撞安全的性能评价值。

, , 、, , 其次在中部,

图2　NVH 。同时必须综合考虑车身轻量化功能和价格。

国际钢铁协会ULS AB 2AVC 项目就是考虑到这些因素:首先是满足碰撞要求的轻量化, 其次是质量比原车身设计下降20%, 且白车身价格不能上升。

表1列出了ULS AB 和ULS AB 2AVC 的轻量化的要求和设计效果。

表1　U L SAB 和U L SAB 2AVC 的目标和效果

白车身类型适用的碰撞

法规, 年代

B I W 质量/kgB I W 价格/美元

用|L |, , , 基于方程(1) 和在第2节所阐述的轻量化设计概念, 也为了消除轻量化系数L 的量纲,

i

本文中提出了轻量化指数L 作为表征轻量化效果的指标, 即

i

(3) L =(L 1-L 2) /L1

L 1和L 2代表轻量化设计前后的轻量化系数, 将式(1) 代入式(3) 可得

L =1-i

原设计白车身ULS AB 白车身ULS AB 2AVC 白车身

2000年法规

270979

2000年法规

203947

2004年法规

218972

m 2m 1

C t 1A 1C t 2A 2

(4)

当白车身的性能在轻量化设计前后不变, 其安

全性也保持不变时, 方程(4) 就可以简化为

i

(5) L =1-m 2/m1此时轻量化设计效果即轻量化指数就表明了减

重的百分数。

类似地, 当进行轻量化设计时, 车辆的质量已经在可接受的范围内, 而白车身的性能提升, 安全性不变, 其质量也不变时, 则方程(4) 可简化为

i

(6) L =1-C t 1A 1/(C t 2A 2)

此时轻量化指数所表征的轻量化效果即为性能提高的百分数。

当车身进行轻量化时, 重点关注的是NVH 特性, 则方程(4) 中的刚度可用车身的固有振动频率

i

替代, 则方程(4) 所表示的轻量化指数L 就可为

L =1-i

4　对轻量化的车身材料的应用性能要求

从材料进冲压车间到成为产品, 对轻量化的车身材料的应用性能要求可分为5个方面。

(1) 良好的冲压成形性　板材应具有良好的剪断性能和合理的剪断力及剪边质量; 在冲压时, 板材应具有良好的成形性, 冲压成形力适中, 成形极限图中有足够的安全成形区, 成形构件有小的和规律性很强的回弹量, 在成形操作中, 应尽量减少操作工序, 同时还应考虑冲压过程中的工具涂层和润滑等。(2) 良好的焊接性和冷连接性　板材应具有良好的点焊、M I G 焊、M I G 钎焊、激光焊、激光钎焊等性能以及一些其他的冷连接性能, 如不同材料的粘接连接、自穿铆接、翻边连接等; 各种连接强度应满足使用要求, 不同材料连接后也应具有高的接触腐抗力和间隙腐蚀抗力。

(3) 良好的表面处理性能　表面处理满足车身制造要求, 零件表面有高的清洁度, 高的油漆附着

m 2m 1

f 1A 1f 2A 2

(7)

此时轻量化指数所表征的轻量化效果实际是

NVH 所改进的百分数。

当汽车轻量化的水平由于其它性能参量提高而实现轻量化时, 在公式中的C t ×A 应被其它相应的性能参量代替, 如国际钢铁协会所进行的超轻钢覆

・　406・汽　车　工　程2009年(第31卷) 第5期

力, 涂漆后的零件具有A 级表面质量等级。

(4) 满意的最终的产品功能　所制作的零件和车辆应具有可操纵性和满意的使用性能, 高的被动安全、高的碰撞吸能以及高的碰撞时的延性而且合理的R 012、R m 和A 80的匹配, 高疲劳强度, 高弹性模量和高刚度值。高的阻尼和声学特性以及高强重比(强度/密度比) 。

(5) 满足法规要求的被动安全性　产品的被动安全方面, 应满足侧撞法规、部分重叠的偏置前撞和后撞性能等安全性重点强调的性能。同时, 足最近欧洲提出的在小于15k m /h 前撞和后撞事故中, 性, , 乘用车的A 柱应该特别加强。

用先进的成形技术。

6　典型车身零件的功能和材料性能的

关系

　　一些典型车身零件的功能和材料性能的关系见

[4]

表2。

表2　板厚、强度和性能之间的关系方程

Ps ∝t (σb )

n

大的塑性变形

保险杠、加强板、

高的压溃强度

门防冲柱、

高的吸能

边梁加强筋

n 2

1227

n

A E ∝t (σb ) 2n n 12

-

5　轻量化设计和工程的实施

汽车轻量化设计和工程应该是不同材料、不同专业的优势集成, 是设计、材料和先进的加工成形技术的优势集成; 是从轻量化的概念设计零部件的几何形状优化而取得的轻量化设计通过先进的制造技术而取得的轻量化设计应用而取得的轻量化设计的4种优势的集成。

汽车轻量化工程的实施首先是设定工程目标:汽车的最小质量、汽车的轴荷分布以及动态和静态刚度, 声学特性和舒适性, 被动安全性和满足法规目标, 使用寿命和寿命周期。基于这些目标, 在实施轻量化工程中, 对部件的优化设计主要包括最优的承载路径, 均匀化的结构和优化的几何形状; 在制造工艺方面主要是采用激光拼焊板、深拉延件和液压成形、轻量化的铸件, 先进的点焊和激光拼焊等连接技术, 以及铝合金板材的自铆技术和翻边连接技术, 热成形与液压成形技术以及滚压成形技术; 解决高强度零件的成形, 减少零件数量, 减少结构的焊点, 提高零件的性能。在材料技术方面, 采用高强度钢和先进高强度钢、铝合金与镁合金、不同材料的复合应用技术、纤维增强复合材料的应用等, 最终达到开发时间最短、成本最低和白车身性价比最佳化的目标。在轻量化工程实施时, 计算机模拟是优化设计的有效手段, 可用于几何形状、加载路径的优化, 预测成形性和疲劳寿命, 从而减少试制时间和缩减实验次数; 并可对被动安全性、撞击时的载荷路径和变形进行模拟, 从而可以优化选材和制造工艺以及应

车顶盖发动机盖板

小的塑性变形门外板

行李箱盖板非常小的弹性与塑性变形非常小的变形

车身边梁横梁边梁车轮

高的压痕抗力

Pt ∝t (σp ) n ≈

12151

E

n P ∝t ・E D

高的模量1

E D

=1

E 疲劳强度

σw ∝σb

　　注:表中P s 为压溃强度, A E 为压溃吸能, P t 为压痕抗力, P 为小变形抗力, σw 为疲劳强度, σb 为抗拉强度, t 为板材厚度, σp 为成形状态的板材流变应力, E D 为动荷模量, E 为弹性模量, E s 为正割模量, n 为常数。

　　对于车身轻量化设计时应考虑的一些构件功能和对应的材料选择时应考虑的材料特性见表3。

表3　构件功能和材料特性

功能

扭转、压缩、剪切刚度弯曲皱缩刚度(碰撞能量)

弯曲刚度扭转、压缩、剪切强度弯曲皱缩强度弯曲强度

33

材料特性

E /ρ

ρE /ρE /ρR P 012/

P 012/ρP 012/ρ

　　注:E 为弹性模量, R p 012为屈服强度, ρ为密度。

　　根据零件的受力和功能要求, 按照表2和表3所列的相关参量, 通过对每个部件的轻量化目标和应力分析, 优化设计完成后, 再确定轻量化材料。当采用轻量化的结构材料时, 它可能会提高半成品的成本和制造成本, 打破原来的维修习惯, 增加维修成本, 因此必须通过几何形状优化和相关的结构轻量

(下转第439页)

2009(Vol . 31) No . 5潘杰花, 等:二次枝晶臂间距对A357合金时效动力学的影响・　439・

参考文献

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理, 1998(8) :24.

(上接第406页)

化优化设计, 使零件的成本降至最低, 再通过合理选择轻量化材料和轻量化设计相结合以及先进的加工技术, 使之达到质量和成本的最佳匹配, 准确确定每千克减重的成本保持在可以接受的限度内, 否则会导致轻量化设计缺乏市场竞争力。作为车身覆盖件, 镁合金塑料复合材料的每千克减重所带来的成本, 目前还难以为市场所接受。除非有特殊的性能要求, (如减振和降噪) , 由于性能和成本的关系, 钢板仍将是车身结构的主要材料。在确定选择轻量化材料和成本优化技术之前, 应进行相关技术的全寿

[6]

命周期的能耗和二氧化碳的排放评估。

行材料选择时应充分认识零件功能与材料特性参量之间的关系。全寿命周期的能耗和二氧化碳的排放评估, 应作为轻量化材料和先进的成形技术应用时的评价参量, 该参量将为轻量化设计提供重要的基础和依据。

参考文献

[1]　马鸣图, 马露霞. 铝合金在汽车轻量化中的应用和前瞻技术

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[3]　马鸣图, 柏建仁. 汽车轻量化材料的研究进展[J ].新材料产

7　结论

作为节能减排的重要手段, 汽车轻量化已十分

重要和迫切。轻量化设计应是白车身的减重和功能改进相结合。文中基于轻量化系数方程, 提出了更直接的表征各种情况的轻量化设计的参量———轻量化指数以及各种表达式, 并阐明了各参量的物理和技术意义。轻量化设计的内涵应包括:构件几何形状的优化, 轻量化材料和先进的成形技术的合理选用, 即设计、材料、先进加工技术的优势集成。在进

业, 2004(6) :42-48.

[4]　马鸣图. 先进的汽车用钢[M].北京:化学工业出版社, 2007:1

-130.

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2009年(第31卷) 第5期

汽　车　工　程Aut omotive Engineering

2009(Vol . 31) No . 5

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论轿车白车身轻量化的表征参量和评价方法

马鸣图, 路洪洲, 李志刚

(中国汽车工程研究院, 重庆　400039)

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[摘要]　对轿车白车身轻量化的内涵、表征方法、, 的指标———轻量化指数, 探讨了轻量化设计的实施方法, 。

关键词:白车身轻量化; 轻量化系数; and Evaluati on Method for

L ight w eighting of Car Body 2in 2white

M a M i n gtu, L u Hongzhou &L i Zh i gang

China Auto m otive Engineering Research Institute, Chongqing 　400039

[Abstract]　The connotati on, descri p ti on method and evaluati on para meters of light w eighting f or car body 2in 2

white (B I W ) are comp rehensively revie wed, an indicat or for app raising the effects of light w eighting work ———light 2weighting index is put f or ward, the i m p le mentati on methodol ogy of light w eighting design is investigated, and the re 2lati onshi p bet w een the perf or mances of aut o parts and co mponents and the p r operty para meters of materials is elabo 2rated .

Keywords:li ghtwe i ghti n g for B I W ; li ghtwe i ghti n g coeff i c i en t ; li ghtwe i ghti n g i n dex; i m ple m en ti n g ap 2

proach to li ghtwe i ghti n g

从市场角度, 对白车身的设计要求是:驾驶性能

前言

汽车用户在要求汽车高性能的同时, 也越来越多地关注汽车的油耗。降低汽车油耗的一个直接而重要的方法是汽车轻量化。对于乘用车, 其质量每减少10%, 油耗可降低6%～8%, 同时排放减少3%～4%

[1]

和动力传动系统性能好、油耗低、被动安全性高、乘坐舒适性好、外观漂亮、成本合理等。将这些市场需求转化为设计功能要求, 就确定了车身设计理念、材料与工艺的选择、合理成本与高性能的匹配; 具体要

[2]

求包括4个方面:(1) 被动安全的碰撞性能———前撞、后撞、侧撞和翻滚; (2) 与汽车振动和行驶稳定性相关的车身刚度, 包括静态刚度、动态刚度、扭转刚度和弯曲刚度; (3) 与汽车运动声学和舒适性相关的NVH 特性、声音的吸收性、冲击噪声的降低、车外风声的隔离、汽车行驶时的空气流动产生的空穴效应引起的振动; (4) 与汽车使用期限和寿命相关的振动的稳定性、应力循环图、腐蚀、回收等。此外, 还应考虑材料成本、工艺价格、工程的可行性以保证在满足功能的条件下, 使汽车的成本最低, 即汽车具有优良的性价比。

。近年来, 汽车轻量化已成为汽车工业重点

关注的发展方向之一, 各国汽车界十分重视, 我国也于2007年12月成立了中国汽车轻量化产业创新联盟。本文的目的在于阐明汽车轻量化的概念, 轻量化的含义、表征方法和参量、轻量化设计的方法、轻

量化材料和工艺的全寿命周期的评价。

1　对汽车白车身的设计要求

(2008DF B50020) 资助。3国家科技部“国际合作项目”

原稿收到日期为2008年12月4日, 修改稿收到日期为2009年2月28日。

・　404・汽　车　工　程2009年(第31卷) 第5期

2　汽车轻量化和轻量化设计的概念

汽车轻量化设计和白车身质量的减轻与所设计的车身的尺寸和功能相关。汽车轻量化设计和轻量化的概念应从3个方面来阐明:(1) 对于已满足功能要求的汽车, 轻量化的设计是减轻质量而保持原功能不变, 其轻量化的效果是直接的减重; (2) 汽车的现有功能尚不能全部满足要求或需要提升, 轻量化设计是完善功能而保持质量不变, 如改进汽车的动力学性能、NVH 性能和声学性能、, [3, 质量减少, 。例如由国际钢铁协会组织的全世界34家钢铁公司联合进行了超轻量钢车身项目(ULS AB —ultra light steel aut o body ) 就是功能、材料、减重、成本的结合。超轻钢车身(ULS AB ) 、超轻钢汽车覆盖件ULS AC (ultra light steel aut omotive cl osures ) 和超轻钢汽车悬架ULS AS (ultra light steel aut omotive sus pensi on ) 的汽车轻量化设计项目虽然其目标不同, 但也都是类似超轻钢车身先进车概念ULS AB 2AVC (advanced vehicle con 2cep t ) 的轻量化设计概念, 其实施也是设计、功能、材料、减重和成本的综合, 使项目达到最优性价比。

[4-5]

图1　白车身轻量化系数的相关参量示意图

数据, 方程(1) 中的面积A 实际确定了车子的级别, 即A 、B 、C 和D 级等, 这与车子的宽敞舒适度也密切相关。

车身性能的一个重要指标是扭转刚度, 为了将作用于装好的挡风玻璃上的载荷保持在可以承受的水平, 并避免由于高的表面张力而引起挡风玻璃的彻底破坏, 车身的刚度必须达到装上挡风玻璃的刚度的2/3,静态扭转刚度是在扭转实验系统上用一

定的转矩(取决于车辆的尺寸级别) 测量, 它表示使车身产生单位扭角所需施加的转矩; 静态扭转刚度和材料的弹性模量、断面形状、主要部件的刚度、结构以及连接方法等有关, 宝马车的刚度逐年提高, 如

) , 而2005年已提高3系列1990年为9100N ・m /(°) 。到18300N ・m /(°

3　汽车轻量化的表征参量及其物理技

术意义

　　汽车轻量化设计应包括质量减轻和功能的完善

和改进, 为表征白车身的轻量化的效果, 宝马汽车公司的B runo L üdke 提出了轻量化系数的概念, 该系数L 可用下式表示为

(1) L =m /(C t A )

式中m 为白车身的结构质量(不包括车门和玻璃) ,

) ; A 为kg; C t 为静态扭转刚度(包括玻璃) , N ・m /(°左右轮边宽度与轴距的乘积所得的面积, m ; L 为轻

kg

量化系数, 。

) ・m 2]N ・m /[(°

有关参量示意图见图1, 汽车轻量化效果反应在L 值上为下降。

以作者的理解, 轻量化系数关系式中的面积A 这一参量决定了车子的大小、乘用空间。车子的轮边宽度与轴距之比一般都符合黄金分割, 按照这些

2

动态刚度和白车身的NVH 密切相关。车身的固有振动频率f 与

f ∝

c /m

c /m成正比, 即

(2)

式中c 为车身刚度; m 为车身质量。

刚度c 越高, 则f 越高。为避免1阶弯曲或扭转固有频率的激励, 白车身的频率必须限制在特定的频率范围内, 使汽车在整个运行车速范围内, 都不能激励白车身的固有振动, 保证汽车行驶的舒适性。图2示出了不同年份的宝马5系列的动态刚度和1阶固有频率的合理范围。

做为国际知名的宝马汽车公司, 在轻量化系数中重点考虑面积A 和扭转刚度是可以理解的, 因为宝马公司汽车安全性是令人满意的, 而该公司的品牌是以舒适和宽敞著称; 但在一般情况下, 在进行轻量化设计时, 还须考虑安全等因素, 因此轻量化系数应该还涵盖有更多的相关内容; 虽然轻量化系数具有一定的物理内涵, 但对于不同车型、不同公司产品

2009(Vol . 31) No . 5马鸣图, 等:论轿车白车身轻量化的表征参量和评价方法・　405・

盖件、超轻钢悬架就属于这种情况, 当进行白车身轻量化设计时, 要求其质量不变, 性能不变, 但碰撞安全性提高, 此时的轻量化指数L 就可表为

L =1-I 1/I 2

i

i

i

(8)

这里L 所表征的轻量化效果即为碰撞安全性的提高。式(8) 中I 1、I 2为轻量化设计前后的碰撞安全的性能评价值。

, , 、, , 其次在中部,

图2　NVH 。同时必须综合考虑车身轻量化功能和价格。

国际钢铁协会ULS AB 2AVC 项目就是考虑到这些因素:首先是满足碰撞要求的轻量化, 其次是质量比原车身设计下降20%, 且白车身价格不能上升。

表1列出了ULS AB 和ULS AB 2AVC 的轻量化的要求和设计效果。

表1　U L SAB 和U L SAB 2AVC 的目标和效果

白车身类型适用的碰撞

法规, 年代

B I W 质量/kgB I W 价格/美元

用|L |, , , 基于方程(1) 和在第2节所阐述的轻量化设计概念, 也为了消除轻量化系数L 的量纲,

i

本文中提出了轻量化指数L 作为表征轻量化效果的指标, 即

i

(3) L =(L 1-L 2) /L1

L 1和L 2代表轻量化设计前后的轻量化系数, 将式(1) 代入式(3) 可得

L =1-i

原设计白车身ULS AB 白车身ULS AB 2AVC 白车身

2000年法规

270979

2000年法规

203947

2004年法规

218972

m 2m 1

C t 1A 1C t 2A 2

(4)

当白车身的性能在轻量化设计前后不变, 其安

全性也保持不变时, 方程(4) 就可以简化为

i

(5) L =1-m 2/m1此时轻量化设计效果即轻量化指数就表明了减

重的百分数。

类似地, 当进行轻量化设计时, 车辆的质量已经在可接受的范围内, 而白车身的性能提升, 安全性不变, 其质量也不变时, 则方程(4) 可简化为

i

(6) L =1-C t 1A 1/(C t 2A 2)

此时轻量化指数所表征的轻量化效果即为性能提高的百分数。

当车身进行轻量化时, 重点关注的是NVH 特性, 则方程(4) 中的刚度可用车身的固有振动频率

i

替代, 则方程(4) 所表示的轻量化指数L 就可为

L =1-i

4　对轻量化的车身材料的应用性能要求

从材料进冲压车间到成为产品, 对轻量化的车身材料的应用性能要求可分为5个方面。

(1) 良好的冲压成形性　板材应具有良好的剪断性能和合理的剪断力及剪边质量; 在冲压时, 板材应具有良好的成形性, 冲压成形力适中, 成形极限图中有足够的安全成形区, 成形构件有小的和规律性很强的回弹量, 在成形操作中, 应尽量减少操作工序, 同时还应考虑冲压过程中的工具涂层和润滑等。(2) 良好的焊接性和冷连接性　板材应具有良好的点焊、M I G 焊、M I G 钎焊、激光焊、激光钎焊等性能以及一些其他的冷连接性能, 如不同材料的粘接连接、自穿铆接、翻边连接等; 各种连接强度应满足使用要求, 不同材料连接后也应具有高的接触腐抗力和间隙腐蚀抗力。

(3) 良好的表面处理性能　表面处理满足车身制造要求, 零件表面有高的清洁度, 高的油漆附着

m 2m 1

f 1A 1f 2A 2

(7)

此时轻量化指数所表征的轻量化效果实际是

NVH 所改进的百分数。

当汽车轻量化的水平由于其它性能参量提高而实现轻量化时, 在公式中的C t ×A 应被其它相应的性能参量代替, 如国际钢铁协会所进行的超轻钢覆

・　406・汽　车　工　程2009年(第31卷) 第5期

力, 涂漆后的零件具有A 级表面质量等级。

(4) 满意的最终的产品功能　所制作的零件和车辆应具有可操纵性和满意的使用性能, 高的被动安全、高的碰撞吸能以及高的碰撞时的延性而且合理的R 012、R m 和A 80的匹配, 高疲劳强度, 高弹性模量和高刚度值。高的阻尼和声学特性以及高强重比(强度/密度比) 。

(5) 满足法规要求的被动安全性　产品的被动安全方面, 应满足侧撞法规、部分重叠的偏置前撞和后撞性能等安全性重点强调的性能。同时, 足最近欧洲提出的在小于15k m /h 前撞和后撞事故中, 性, , 乘用车的A 柱应该特别加强。

用先进的成形技术。

6　典型车身零件的功能和材料性能的

关系

　　一些典型车身零件的功能和材料性能的关系见

[4]

表2。

表2　板厚、强度和性能之间的关系方程

Ps ∝t (σb )

n

大的塑性变形

保险杠、加强板、

高的压溃强度

门防冲柱、

高的吸能

边梁加强筋

n 2

1227

n

A E ∝t (σb ) 2n n 12

-

5　轻量化设计和工程的实施

汽车轻量化设计和工程应该是不同材料、不同专业的优势集成, 是设计、材料和先进的加工成形技术的优势集成; 是从轻量化的概念设计零部件的几何形状优化而取得的轻量化设计通过先进的制造技术而取得的轻量化设计应用而取得的轻量化设计的4种优势的集成。

汽车轻量化工程的实施首先是设定工程目标:汽车的最小质量、汽车的轴荷分布以及动态和静态刚度, 声学特性和舒适性, 被动安全性和满足法规目标, 使用寿命和寿命周期。基于这些目标, 在实施轻量化工程中, 对部件的优化设计主要包括最优的承载路径, 均匀化的结构和优化的几何形状; 在制造工艺方面主要是采用激光拼焊板、深拉延件和液压成形、轻量化的铸件, 先进的点焊和激光拼焊等连接技术, 以及铝合金板材的自铆技术和翻边连接技术, 热成形与液压成形技术以及滚压成形技术; 解决高强度零件的成形, 减少零件数量, 减少结构的焊点, 提高零件的性能。在材料技术方面, 采用高强度钢和先进高强度钢、铝合金与镁合金、不同材料的复合应用技术、纤维增强复合材料的应用等, 最终达到开发时间最短、成本最低和白车身性价比最佳化的目标。在轻量化工程实施时, 计算机模拟是优化设计的有效手段, 可用于几何形状、加载路径的优化, 预测成形性和疲劳寿命, 从而减少试制时间和缩减实验次数; 并可对被动安全性、撞击时的载荷路径和变形进行模拟, 从而可以优化选材和制造工艺以及应

车顶盖发动机盖板

小的塑性变形门外板

行李箱盖板非常小的弹性与塑性变形非常小的变形

车身边梁横梁边梁车轮

高的压痕抗力

Pt ∝t (σp ) n ≈

12151

E

n P ∝t ・E D

高的模量1

E D

=1

E 疲劳强度

σw ∝σb

　　注:表中P s 为压溃强度, A E 为压溃吸能, P t 为压痕抗力, P 为小变形抗力, σw 为疲劳强度, σb 为抗拉强度, t 为板材厚度, σp 为成形状态的板材流变应力, E D 为动荷模量, E 为弹性模量, E s 为正割模量, n 为常数。

　　对于车身轻量化设计时应考虑的一些构件功能和对应的材料选择时应考虑的材料特性见表3。

表3　构件功能和材料特性

功能

扭转、压缩、剪切刚度弯曲皱缩刚度(碰撞能量)

弯曲刚度扭转、压缩、剪切强度弯曲皱缩强度弯曲强度

33

材料特性

E /ρ

ρE /ρE /ρR P 012/

P 012/ρP 012/ρ

　　注:E 为弹性模量, R p 012为屈服强度, ρ为密度。

　　根据零件的受力和功能要求, 按照表2和表3所列的相关参量, 通过对每个部件的轻量化目标和应力分析, 优化设计完成后, 再确定轻量化材料。当采用轻量化的结构材料时, 它可能会提高半成品的成本和制造成本, 打破原来的维修习惯, 增加维修成本, 因此必须通过几何形状优化和相关的结构轻量

(下转第439页)

2009(Vol . 31) No . 5潘杰花, 等:二次枝晶臂间距对A357合金时效动力学的影响・　439・

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(上接第406页)

化优化设计, 使零件的成本降至最低, 再通过合理选择轻量化材料和轻量化设计相结合以及先进的加工技术, 使之达到质量和成本的最佳匹配, 准确确定每千克减重的成本保持在可以接受的限度内, 否则会导致轻量化设计缺乏市场竞争力。作为车身覆盖件, 镁合金塑料复合材料的每千克减重所带来的成本, 目前还难以为市场所接受。除非有特殊的性能要求, (如减振和降噪) , 由于性能和成本的关系, 钢板仍将是车身结构的主要材料。在确定选择轻量化材料和成本优化技术之前, 应进行相关技术的全寿

[6]

命周期的能耗和二氧化碳的排放评估。

行材料选择时应充分认识零件功能与材料特性参量之间的关系。全寿命周期的能耗和二氧化碳的排放评估, 应作为轻量化材料和先进的成形技术应用时的评价参量, 该参量将为轻量化设计提供重要的基础和依据。

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7　结论

作为节能减排的重要手段, 汽车轻量化已十分

重要和迫切。轻量化设计应是白车身的减重和功能改进相结合。文中基于轻量化系数方程, 提出了更直接的表征各种情况的轻量化设计的参量———轻量化指数以及各种表达式, 并阐明了各参量的物理和技术意义。轻量化设计的内涵应包括:构件几何形状的优化, 轻量化材料和先进的成形技术的合理选用, 即设计、材料、先进加工技术的优势集成。在进

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-130.

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