轻量化车身制造技术

轻量化车身制造技术（精选十篇）

轻量化车身制造技术 篇1

1 超高强度钢的冷冲压工艺

使用超高强度钢不但减重, 而且提高碰撞安全性能, 降低车身制造成本, 提高车身疲劳强度, 其最大问题就是回弹, 和普通高钢相比, 超高强度钢在冲压过程中不仅会造成较大弯曲回弹和扭曲变形, 而且还会产生严重侧壁卷曲 (sidewall curl) , 这将严重影响冲压件的形状尺寸精度与整车装配。超高强度钢的回弹问题对冲压工艺提出了新的挑战, 成为汽车制造行业和学术界正在研究的一大热门课题。

为了控制回弹, 需要控制以下几个方面

1) 产品设计中的回弹控制, 通过在设计时加入三角筋、梯形筋等各种防回弹结构, 以保证零件的回弹量。

2) 模具型面的回弹补偿, 模具回弹补偿过程是基于零件设计要求形状的虚拟修模, 通过模拟和回弹计算分析, 得了板料成形回弹后形状, 进行模具回弹自动补偿, 得到模具修正后模具形状, 补偿后的模具再进行成形模拟和回弹计算分析, 将得到零件回弹计算后形状与设计要求形状进行比对, 直到得到符合设计误差要求的模具回弹补偿结果。

3) 变压边力法, 通过在不同变形特点的成形阶段设置不同压边力, 避免了在薄板成形过程中传统恒定压边力控制往往难以同时避免回弹缺陷。常压边力和变压边力对冲压件回弹的影响如下图:

2 超高强度钢 (硬化硼钢) 的热冲压工艺

热冲压是将钢板 (初始强度为500~600MPa) 加热至奥氏体状态, 在进行冲压并同时以20~300℃/s的冷却速度进行淬火处理, (保压一段时间以保证淬透) 以获得均匀马氏体组织的高强钢构件的成形方式, 热冲压分为两种:直接与间接热冲压。直接热冲压:半成品需要先加热, 再冲压, 随后在闭式模具内成型;间接热冲压则是多一个接近完整的预成型冷模。使用热冲压超高强度钢零件回弹极小, 成形精度好, 具有高延展率和高强度, 很好减轻重量, 还加强了车身防撞性能。现在许多车型的防撞梁及前柱等与车身防撞有关的零件均使用此方法成型。

3 激光拼焊板冲压成形工艺

激光拼焊板是将几块不同厚度或不同材质的钢材用激光对焊, 焊接成一块整板, 进行整体冲压成形以满足零部件对材料的不同要求。许多车型的车门内板、车底板和前后梁等都采用了激光拼焊板, 使用拼焊板能使汽车车身零部件的数量约减少25%, 车身重量减少约20%, 提高原材料利用率, 在碰撞有要求的部位, 通过使用高强钢板, 而要求低的地方, 使用低强钢或较薄的板, 从而大大提高了汽车车身抗碰撞的能力, 同时促进零部件的装配及制造公差标准化的改善, 降低整车的制造及装配成本, 减少汽车厂的成本和设备投入, 在回收阶段, 还可以获得更大的收益, 利于保护环境。同时拼焊板冲压成型也有其局限性:焊缝热影响区成型性能下降, 板料定位等。

4 液压成形工艺

液压成形是利用液体作为传力模具使板料成形的一种塑性加工技术。可加工复杂形状的零件, 降低加工成本, 提高零部件结构性能, 可减重15%-20%。一些车身复杂件如仪表板加强梁等结构件均使用此方法加工。

轻量化车身制造技术 篇2

.汽车用高强度钢板

长期以来，钢铁一直是汽车工业的基础，虽然汽车制造中铝和塑料的用量不断增加，但钢铁材料仍是汽车的主要材料。21世纪的汽车行业，降低燃料消耗、减少CO2和废气排放已成为社会的需求，作为材料生产厂的钢铁业为了适应这种发展趋势，已开发出许多种类的高强度钢板来帮助减轻汽车重量，适应汽车工业的新要求。近年来，超轻超薄高强度钢板的品质和性能大大提高，相信到2020年，高强度钢板在汽车上的使用率将超过70%。1.1 高强度钢板等级划分

对于高强度钢的定义，一直并无定论，被钢铁界普遍认同的是ULSAB-AVC(Ultra Light Steel Auto Body-Advanced Vehicle Concept)联合会进行的划。将屈服强度为210—550MPa的钢定义为高强度钢(HSS，High Strength Steel)，也就是传统的高强度钢，典型的如碳锰(CMn)钢、烘烤硬化钢(BH)等。屈服强度为550MPa以上的钢定义为超高强度钢(UHSS，Ultra High Strength Steel)，典型的如孪晶诱导塑性钢(TWIP钢)、热成形钢(HF)等。而先进高强度钢(AHSS，Advanced High Strength Steel)的屈服强度覆盖于HSS和UHSS之间的强度范围，在500-1500MPa之间，典型的如双相钢(DP钢)、相变诱发塑性钢(TRIP钢)、马氏体钢(MART钢)。图1为各类汽车用钢板的屈服强度与延伸率的关系，随着强度的提高，延伸率下降。在ULSAB-AVC项目中，为了同常规的高强度钢板区别开来，把DP钢、TRIP钢和B钢等以相变强化为主的钢板统称为先进高强度钢板，这类钢板具有高的减重潜力、高的碰撞吸收能，在汽车轻量化和提高安全性方面起着非常重要的作用，已经广泛应用于汽车工业。

图1 各类汽车用钢板的屈服强度

与延伸率关系图

1.2 汽车用热成形高强度钢板

先进高强度钢板是车身轻量化的主要发展方向，为了兼顾轻量化与碰撞安全性以及高强度下冲压件回弹与模具磨损等问题，热成形高强度钢及其成形工艺和应用技术应运而生。目前凡是达到U-NCAP碰撞4星或5星级水平的乘用车型，其安全件(A/B/C柱、保险杠、防撞梁等)大都采用了抗拉强度1500MPa、屈服强度1200MPa的热成形钢。同时，在先进高强度钢板的冷成形中，为了解决成形裂纹和形状冻结性不良等问题，热冲压材料的开发和应用引人注目，已用其进行了强度高达1470MPa级汽车部件的制造。

目前，世界上热成形用钢几乎都选用硼钢种，因为微量的硼(B)可以有效地提高钢的淬透性，可以使得零件在模具中以适宜的冷却速度，获得所需的马氏体组织，从而保证零件的高强度水平。硼的作用在20世纪50年代早期就被人们所认识，硼只有固溶在钢中才能起到强化作用。由于硼与氧和氮有强烈的化学亲和力，因此在钢中添加硼时都需要添加一些强氧化物和氮化物形成元素，如铝、锆和钛等。固溶的硼偏析在奥氏体晶粒边界，延迟了铁素体和贝氏体的形核进而增加了钢的强度。含硼超高强度钢板的强度可以高达1500Mpa，为普通钢板强度的3～4倍，将其应用于汽车零部件不仅可以直接减少料厚、降低车身重量，还可以提高汽车的安全性，以及相关联的降低油耗、节约能源、减少汽车排放等。并且硼钢属于含硼高强度钢板，废物可以充分回收利用，有利于降低环境污染。常用的钢种包括：Mn-B系(上海宝钢开发)热成形用钢、Mn-Mo-B系(北美、欧洲等多用此系列)、Mn-Cr-B系(高淬透性热成形钢)、Mn-Cr系(部分马氏体热成形钢)、Mn-W-Ti-B系(如韩国POSCO 公司开发的高烘烤硬化细晶粒热成形钢)。高强度钢板热成形加工工艺

2.1 热成形加工工艺基本原理 2.1.1热成形理论基础 热成形工艺与传统的成形工艺相比，其特点是在板料上存在着一个不断变化的温度场。那么热成形用钢板的成分就有一些特殊的要求，其成分设计也要适应热成形过程中的热循环。在这个温度场的影响下，板料的基体组织和力学性能发生了变化，从而板料的应力场也发生了变化。在成形过程中，板料的应力场变化又反作用于温度场，如图2。热成形工艺，正是这样一个板料内部温度场与应力场同时共存，相互作用，耦合的变化过程，对板料在成形过程中的流动、变形等造成影响。表1简单地描述了这些相互作用。

图2 应力场、温度场和金属微观组织的相互作用

表1 应力场、温度场和金属微观组织的相互作用的描述

2.1.2 实际热成形加工工艺

实际热成形工艺原理如图5。首先把常温下强度为500~600 MPa的高强度硼合金钢板加热到880~950℃，使之均匀奥氏体化，然后送入内部带有冷却系统的模具内冲压成形，之后保压快速冷却淬火，使奥氏体转变成马氏体，成形件因而得到强化硬化，强度大幅度提高。比如经过模具内的冷却淬火，冲压件强度可以达到1500 MPa，强度提高了250%以上，因此该项技术又被称为“冲压硬化”技术。实际生产中，热冲压工艺又分为两种，即直接工艺和间接工艺。图3(a)所示的是直接工艺，下料后，直接把钢板加热然后冲压成形，主要用于形状比较简单变形程度不大的工件。对于一些形状复杂的或者拉深深度较大的工件，则需要采用间接工艺，先把下好料的钢板预变形，然后再加热实施热冲压，如图3(b)。

(a)直接工艺(b)间接工艺

图3 工艺说明图

2.2热成形加工关键技术

对高强度钢板的热成形技术，我们需要重点关注的是用钢选择、热成形用钢的表面镀层、模具设计和热成形零件的检测问题。

2.2.1 热成形用钢选择

热成形用钢的选择是保证热成形零件性能的重要一环。高强度钢板的热成形性主要分包括以下形式：深冲成形性、胀形成形性以及延伸凸缘成形性等。一般认为：深冲成形性取决于钢板塑性应变化的Lankford值；胀形成形性取决于钢板的延性；而延伸凸缘成形性取决于钢板的局部变形能和显微组织均匀性。B在支配延伸凸缘成形性和弯曲成形性的显微组织均匀化方面起到了重要作用，故一直采用F+B和B单一组织；而且为了实现高强度化目标，也采用了低碳M。马氏体钢中的22MnB5钢的原理与此相符，是典型的热冲压材料钢(具体成分见表2)，它利用钛和硼微合金化的方法，通过热成形后急冷获得高的成形度和极高的强度(图4)。目前，热成形MnB钢板在欧美和日本主要汽车制造企业已经开始使用，如新型Golf V6车有5个零部件用MnB钢制成，最新的第六代PASSAT车型有9个这样的部件。图5是宝钢开发的热冲压成形用含硼钢的CCT(连续冷却相变)曲线，经过 950℃左右单相奥氏体区的加热保温后，当冷却速度大于15℃/s后，钢板的组织转变为全马氏体组织，其硬度为HV450～500，强度达到1300—1500MPa。

图4 热成形过程中22MnB5钢的性能变化示意图

图5 热冲压用钢板典型CCT曲线 2.2.2 热成形用钢的表面镀层

用于热成形的硼钢，将之加热到奥氏体形变点以上，金属模冲压成形与淬火几乎同时进行。但是对热成形用钢的研究表明，由于延伸性和韧性的不足，较之其高强度的性能，热成形用钢不能获得充分的冲击吸收能(即韧性值不高)。因此，如何调整其成分以改善这些特性是今后的重要课题。在热成形过程中，钢板在高温下暴露于空气中，不可避免地会引起表面的氧化，形成氧化铁皮，为了不影响后续的涂装工序，热成形后的零件需要经过喷丸或酸洗去掉钢板表面的氧化铁皮，这无形中又增加了生产成本。与此同时，钢板在氧化的同时也会引起钢板表面的脱碳，进而影响钢板的强度。此外，随着汽车零件耐腐蚀性能要求越来越高，表面进行镀层处理的钢板越来越受到人们的重视，一系列热成形用镀层钢板被相继开发出来，同常规的冷成形用镀层钢板不同，热冲压用钢板的镀层需要具备抗高温和耐腐蚀的特点。目前开发的用于热成形的镀层板包括：镀Al板、镀Al-Si合金板和镀Zn板等。韩国POSCO钢铁公司正在开发纳米镀层板，以提高镀层的结合力，防止镀层在加热和成形淬火过程中剥落。

2.2.3 热成形模具设计

由于热成形过程中钢板及模具都在900℃以上到室温这一复杂的温度中变化，并且模具集板料成形与淬火过程于一身，所以模具设计是热成形技术的另一个难点问题。其主要技术流程包括模具表面设计、模具冷却系统设计和模具结构设计等。可用计算机和LS-DYNA软件进行成形模拟和冷却过程模拟，利用材料的高温性能如流变曲线、摩擦系数、FLD等参量进行成形模拟，并进行热传递模拟，这一过程实际是热力学、机械学耦合模拟。其模拟结果将作为模具设计方案确定的重要依据，并据此进行原型试生产和批量生产。同时，我们还可利用计算机模拟，进行碰撞分析和静载压溃分析。(1)模具材料的选择。

热成形的模具材料相比常规成形提出了更高的要求。不仅要求模具有良好的热强度、热硬度，高的耐磨性和疲劳性能，而且要能保证成形件的尺寸精度。同时要能够抵抗高温板料对模具产生的强力热摩擦以及脱落的氧化层碎片及颗粒在高温下对模具表面的磨粒磨损效应，并且能够稳定的工作在剧烈的冷热交替条件下。根据模具的加热温度，选用合理的模具材料，一般需要参考热锻用热作模具钢，选用合理的模具材料。蒂森的热冲压模具，采用具有很高热传导系数的模具材料(Glidcop—一种Al2O3/Cu复合材料)。(2)模具凸、凹模设计。

由于热胀冷缩的影响，零件最终的尺寸和冲压成形时的尺寸存在一定的误差，因此为保证零件的尺寸精度，必须在考虑热胀冷缩效应的基础上合理确定模具凸、凹模的尺寸。(3)冷却机构的设计。

对于热成形零件冷却机构的选择既要保证零件的冷却速度足够大，如某硼钢的临界冷却速度为30℃/s，使奥氏体尽可能多地转化成马氏体，保证零件的强度。而且还要避免零件和模具因冷却速度过大而引起开裂。通常采用在模具内通冷却水的方式对模具并通过模具对成形后的零件进行冷却。

(4)目前板材热成形工艺应用中尚存在的难点热成形工艺作为一种新型的、特殊的工艺也有其自身的缺点。

a)零件成形后冷却速度和保压时间难控制。

b)由于热加工成形的零件在冷却至室温的过程中，不同部位冷却速度不同会导致零件发生严重的变形，从而影响成形零件的尺寸精度。

c)由于热成形零件后续加工难度大，因而只能是应用于一道工序即可成形的简单零件，如梁、柱等类型的零件。同时，热成形工序并入现有冲压车间难度大。

d)与普通冲压模具相比，由于受模具材料的强度选择、模具热处理工艺、高应力集中、模具表面温度频繁升高和降低、以及由于模具凸、凹模表面的高温软化加剧了磨损等因素的影响，热成形模具容易失效，导致模具使用寿命降低。2.2.4 热成形零件的检测

热成形零件具有的压溃性能(碰撞后的低的侵入)决定了其很适合用于安全件。热成形零件的加工通常需要经过激光切割、冲裁孔、点焊、冷成形、装配以及油漆等工序，因此对热成形零件需要检测的内容很多。首先是要对热成形零件进行力学性能检测、形状检测、厚度分布检测和引入的内应力检测，还要根据不同零件的不同要求，采用不同的方法进行实物性能检测。对于一个合格的热成形零件，应当满足高强度、轻量化和安全性的要求，同时还应具备好的强度与韧性结合性、尺寸稳定性、可加工性(几何尺寸稳定性)、可焊性以及疲劳抗力等。热成形钢技术应用发展

国内首家热冲压零部件有限公司于05年在宝钢成立。并且用于热冲压成形的高强度钢—硼钢，也是由上海宝钢独家供货。宝钢生产的硼钢牌号为：1.85mm以上热轧，BR1500HS；1.85mm以下冷轧，B1500HS。与欧洲热冲压高强度钢22MnB5对应。屈服强度1000MPa、抗拉强度1400MPa、延伸率5%。相对于热冲压零部件有限公司的批量生产，宝钢股份研究院技术中心拥有独立的试制生产线。从2005年开始，已完成车身165个件的试制，其中12个样件一次试制成功。表3为宝钢热冲压机组相关参数。表3 宝钢热冲压机组相关参数

近几年来，热成形制造的零件的应用越来越广泛。中国上海大众在PASSATB6等多款车型中，热成形的部分占据了整个车身质量的15%，一般用在A/B/C柱及加强板还有中央通道、保险杠支架等地方。将典型的热成形用钢22MnB5在冲压前加热到950℃附近，然后在一个水冷模具中加压成形，再通过模具淬火最终零件的强度可以将大众汽车提到的1500MPa。但是在强度提高的同时，硼钢的冲击韧性受到越来越多的关注。由于微观组织全是由非常硬的马氏体构成，韧性就降低了，这一点非常关键。因为在碰撞试验中，这些零件通常都是放在用来承受很高的冲击载荷的地方。但是，现在还没有可靠的材料可以用来进行韧性与脆性之间的转换。在蒂森公司最近对淬火－回火的厚坯的研究中提到，铌微合金化的应用可以提高热成形钢的韧性。在这种情况下，用来防止硼和溶解的铌相结合，钛应该由铌和铝的化合物取代。这样做的结果是造成裂纹起始点的TiN粒子可以避免或被细小的碳、氮铌化物沉淀取代，从而降低热轧时晶粒尺寸，同样也可以在冲压前加热到950℃的过程中限制晶粒的长大。通常，晶粒细化对韧性是有利的。

由高强度板热成形制造的车身零部件如图6所示。与传统成形零件相比，热成形零件具有以下优点：

1)高强度：屈服强度可达到1200MPa，抗拉强度可达到1600MPa-2000MPa。2)高硬度：高达6t的静压不损坏。3)轻量化：板厚比传统钢板减薄达35%。

4)消除回弹影响，提高制造精度。

图7 高强度钢板热成形零部件

(前后保险杠、A柱、B柱、C柱、车顶构架、车底通道框架、仪表台支架以及车门内板、车门防撞杆等)结束语

汽车车身轻量化设计探讨 篇3

摘 要：汽車轻量化越来越多的被人们所熟知，但是轻量化到底是什么，汽车车身轻量化设计的发展目前是一个什么情况，轻量化有什么优势，这将是本文的主要研究内容。

关键词：汽车；车身；轻量化；设计

汽车轻量化是近几年行业内一直热议的话题，各大厂商在推出换代产品时，经常会宣称相对上一代产品实现了整车质量减重XX公斤。这对消费者的传统观念是一种挑战，传统消费者对于车身的重量有很大的执念，并不能很快接受驾驶感官实际主要与底盘和转向系统的调教，以及空气动力学等因素有关，与车重并不是直接划等号的关系。

1 汽车轻量化的理论和意义

难道说轻量化就一定会使安全性下降吗？那要看减少的钢板厚度是不是减到了点子上，单从车身钢板的角度来讲，蒙皮钢板由于对车身安全起不到有效作用，所以对于这部分的“肥肉”而言，甩掉一部分反而更好，而发动机盖板上的蒙皮钢板更不宜过厚，过厚会影响到正面撞击时的溃缩吸能能力，反而会对乘员安全造成影响。汽车轻量化的概念就是在保证汽车车体的强度、刚度、模态以及碰撞性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性和安全性，减少燃料消耗，降低排气污染。世界各国均在推行强制汽车制造商降低汽车油耗的政策。有研究数据显示，汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽车整车重量，每减少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6升，CO2排放量可减少约5g/km。由此可见，汽车轻量化可以提高燃油效率和降低油耗，进而环保节能。所以，汽车轻量化已成为汽车企业的共识。如果不能保证行驶安全，汽车再轻再省油，没有谁敢开。如果追求绝对的安全和耐撞，那就只能开重达数十吨的坦克，忍受每小时数百升的耗油量。因此轻量化是汽车制造的趋势，目前轻量化主要是减少汽车自重，但是，车身作为汽车的主要承载件，需要保证足够的刚度、强度和疲劳耐久性能，从而使整车具有良好的安全、振动噪音和耐久性能，而轻量化无疑对上述要素提出了更高的要求，这对倒逼汽车制造技术升级换代无疑是一大刺激。

2 汽车轻量化的设计和实现

在目前车身设计中高度智能化、仿真精度高的三维设计软件的辅助下，车身设计目前实现轻量化的最主要的两种方法：一种是用密度相近，但是强度更高的钢材去替换低强度的厚钢板；一种是用密度更小，强度更高的复合材料去替换低强度的厚钢板。

2.1 优化车声结构，提高材料利用率

比如车身下部由非连续性改为连续性，使得汽车在碰撞时有效分散撞击能量；增加加强筋；加强防滚架平衡杆；有限元法设计；采用承载式车身，减薄车身板料厚度等。

2.2 优化制造工艺

比如激光焊接、搅拌摩擦焊、挤压成型、热处理、锁锚连接等。

2.3 新材料的研发与应用

比如使用高强度钢材（热成型钢材）、轻合金（铝合金、碳纤维、镁合金）、记忆金属（微晶钢）、工程塑料、陶瓷、玻璃纤维等。刚度指的是材料抵抗外力变形的能力，通常在车身开发中特指材料在屈服前的弹性特性，良好的刚度是整车NVH性能、车辆动力性能和疲劳耐久性能的基础，常见的评判指标有车身扭转刚度等。刚度与材料的弹性模量相关，基本上材料种类确定，弹性模量也就确定了，比如采用高强钢并不会提升车身的刚性，因为钢的弹性模量都一样。

2.3.1 碳纤维

越来越多的新车上市，其中标榜的一项特点便是车身轻量化，而我们听到最多的一个词就是"碳纤维"。碳纤维又称碳化纤维，泛指一些以碳纤维编织或多层复合而成的材料。因为它又轻又坚硬，所以它的用途很广泛。碳纤维在汽车领域的应用率先从赛车开始，近年来在民用汽车中得到了广泛的引用。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000～43000Mpa也高于钢。但碳纤维材料也只是沿纤维轴方向表现出很高的强度，其耐冲击性却较差，容易损伤，所以在制造成为结构组件时，往往利用其耐拉质轻的优势而避免去做承受侧面冲击的部分。

2.3.2 结构胶

再比如结构胶，过去烘烤硬化结构胶只在车身上有少量应用，但是现在的趋势是可以通过采用更多的结构胶提升车身刚度性能，从而降低结构件的重量，奥迪、沃尔沃的一些车身上采用了超过100米的结构胶；再比如填充在车身接头的发泡硬化材料，可以有效替代传统加强板形式的加强件，即提升性能，又降低重量。2.3.3 镁合金

镁合金是工程应用中最轻的结构材料，也是汽车轻量化材料中的一员。纯镁的密度仅为铝的2/3，钢的1/4，接近工程塑料的密度。而且镁合金的比强度也比铝合金、钢铁高。因此在不降低零部件强度条件下，镁合金铸件比铝铸件的重量减轻大约25%。此外，镁合金还有良好的焊接和铸造性能、对振动与冲击的吸收性能好，抗凹陷性能好，易于机械加工。但是由于价格较高和高温抗蠕变问题尚未得到有效解决，镁合金目前主要应用于仪表盘基座、风扇架、方向盘轴、灯托架等汽车零部件中。工程塑料具有质轻、防锈、吸震、可设计自由大等特点，工程塑料在汽车零部件，特别是内饰部件的应用越来越大。工程塑料在汽车上的用量，甚至超过了铸铁的用量。很多塑料零件应用于车身上，比如大众系的车子都采用了塑料的前端水箱框架，有些车子有塑料的后地板等等。

可见目前几乎所有的优化设计的思路都是在保持车身性能不下降的前提下降低车身重量，通过给定的工况下求出载荷的最佳传递路径，从而设计出最优的车身结构。与此同时，大量的新材料新工艺也在帮助车身降低重量。

3 结束语

综上所述，能源消耗过快和环保形势日趋严峻的今天，轻量化设计是汽车设计发展不可避免的趋势，所带来的效果也是非常直观而有效。在汽车车身轻量化设计的过程中，我们要转变理念，不断的创新和研究新型材料，实现车身轻量化的要求和安全性的保障，为汽车的现代化发展奠定基础。

参考文献：

[1]范子杰，桂良进，苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报，2014，01：1-16.

[2]马鸣图，易红亮，路洪洲，万鑫铭.论汽车轻量化[J].中国工程科学，2009，09：20-27.

客车车身结构轻量化设计 篇4

节能、环保和安全是汽车工业发展中所面临着的三大主要问题, 油耗和排放是影响这些的重要因素。大量数据研究表明, 整车质量的大小与油耗密切相关, 因此在满足整车各项性能指标的基础上对其进行轻量化是十分有必要的。就客车来说, 车身质量占整个客车质量的比重很大, 通常为了满足其强度的要求车身骨架强度会出现局部富余的情况, 这将进一步导致车身质量的偏大。而我们国家的客车车身往往存在质量偏大的情况, 甚至于存在有些结构刚度强度富余的情况。

大量研究表明, 汽车质量每降低10%, 油耗降低6-8%, 排放降低4-10%。而车身是客车三大总成之一, 占整个客车总质量的40%-60%, 由此可见影响整车轻量化的主要因素是对车身的轻量化。目前, 汽车轻量化的主要途径有以下两种, 一是采用轻量化材料, 例如采用高强度钢, 铝镁合金等新材料, 在满足刚度强度的情况下, 使得质量更轻;二是利用CAE技术进行客车结构的优化, 使得材料分布和各零部件布局更加合理, 在满足要求的情况下, 最大限度的减重。文章就是基于拓扑优化的某客车车身结构设计, 从而到达优化减重的目的。

1 拓扑理论简介与拓扑模型的建立

1.1 拓扑理论简介

拓扑优化 (Topology) 作为一种概念性的数学方法, 是将一定设计空间内的连续体离散成有限单元网格, 为每个离散单元附上合适的材料属性, 给定合适的约束条件, 利用Opti Struct自身的近似优化算法-根据结构自身的传力路径对材料分布进行重新布置, 来完成设计人员给定的设计目标。

对于以往传统的设计, 设计人员往往是凭借自身的设计经验对整个设计过程进行把控的, 而现在完全可以以拓扑优化的方法为基础, 参考拓扑结果对整个产品的设计进行全新的把控, 从而更加有效的设计出工艺与技术条件均达标的最佳产品。

借助于Hyper Works软件分析平台, 利用Opti Struct对该客车的顶盖和侧围进行必要的拓扑优化分析。以拓扑结果为基础, 充分考虑到实际的工程规范要求, 设计人员对车身结构进行二次的优化设计并进行有限元分析计算, 最终在满足整车性能的基础上得到最优的设计, 从而达到车身结构性能优化与轻量化的目的。

1.2 拓扑模型的建立

工程领域的优化一般都涉及三个重要因素-设计变量、目标函数和约束条件, 拓扑优化数学模型的建立就是以这三个因素为基础的, 具体可以将其数学模型表述为:

设计变量:

目标函数:

约束函数:

式中, gj (X) 表示不等式约束函数;m为不等式约束的数目;hi (X) 表示等式约束函数;l为等式约束的数目。

以拓扑优化设计理论为基础, 参考实际工程规范要求建立合适的拓扑优化设计空间。设计人员在拓扑优化设计空间内布置材料的时候还必须考虑到客车的基本功能、性能和装配等实际情况的要求, 车门及车窗的位置不发生变化, 对一些关键部位着重考虑 (对整车弯曲刚度影响较大的车身侧围, 在侧翻过程中保证车身结构不会过大变形而导致车内生存空间变小的车身顶盖) 。本次拓扑优化的设计空间确定为车身的侧围部分区域以及盖顶, 以原始车型的数模为基础构建出的车身局部拓扑优化模型如下图1所示。

2 分析工况说明

2.1 强度分析

作为车身设计的一般性的载荷工况, 强度分析的结果可以用于评估客车的结构强度性能。在进行强度分析的时候, 必须充分考虑客车车身结构的布局以及悬架系统的几何外形, 再结合提取的载荷计算表格, 进行分析。对于多种工况的强度分析通常会根据工程设计人员的实际经验以及对整车性能参数的把控给出适当的加权因子, 再结合基础车型的应力水平, 来对客车的总体强度进行评估。此次应力分析采用静力学的方法, 以G作为标准载荷的方式来考核客车的车身强度。具体工况如下:

0.85G前向制动工况:客车在水平路面急停的时候要承受一定的惯性载荷, 此处以0.85G向前惯性载荷模拟客车满载状况下在水平路面上的紧急停车情况, 考察车身的应力分布情况。考虑到车身悬架的实际情况来进行有限元模型的加载, 通过RBE2模拟出前后悬架的支撑点 (即RBE2的主节点) , 并且对左侧前后悬架处的RBE2主节点约束其1、2、3自由度, 对右侧前后悬架处的RBE2主节点约束其2、3自由度, 再对客车的整体施加X方向的0.85G惯性力。在这种载荷作用下, 客车主承载结构上的最大应力值应低于材料的屈服极限。

0.5G左转向工况:在实际客车转弯的时候客车要承受一定的侧向惯性载荷, 此处以0.5G的侧向惯性力来模拟客车左转弯情况, 考察车身的应力分布情况。考虑到整车的实际运行情况来进行有限元模型的加载, 通过RBE2模拟出前后悬架的支撑点 (即RBE2的主节点) , 并且对左右后悬架处的RBE2主节点约束其1、2、3自由度, 对左右前悬架处的RBE2主节点约束其2、3自由度, 再对客车的整体施加Y方向的0.5G惯性力。在这种载荷作用下, 客车主承载结构上的最大应力值应低于材料的屈服极限。

2.2 刚度分析

弯曲工况:良好路面上正常匀速行驶的客车其车身主要承受弯曲载荷, 在此工况下分析车身骨架结构相应的变形用以评价其弯曲刚度。具体的约束及加载方式如下:对左前轮支撑点约束其3自由度, 右前轮约束其2、3自由度, 左后轮约束其1、3自由度, 右后轮约束其1、2、3自由度。此处主要考虑的是客车的动力总成重量以及座椅、乘客的重量。这些重量以集中载荷的方式施加到相应的节点上。对于测量点的选取直接关乎到计算分析结果的可信度, 此处的测量点严格按照工程实际规范进行选取, 通常在客车底盘纵梁底面选取若干均匀分布点, 用测量点的最大位移来评价其刚度特性。弯曲刚度EIZ可通过测量点的最大位移计算得出:

式中, δi是测点的Z向变形量 (单位:m) ;Xi是前悬支撑点到测点的距离 (单位:m) ;L是前后悬支撑点距离 (单位:m) ;P是施加的载荷 (单位:N) ;a是前悬支撑点至加载点的距离 (单位:m) , b=L-a。

扭转工况:客车在低速通过不平路面的时候会出现车轮悬空的危险状况, 扭转工况就是模拟这一情况的, 具体表现为三个车轮着地一个车轮悬空。在这种状况下, 车速较低, 惯性较小, 车身的受力特性完全可以当作是静态的。车身模型的具体约束及加载条件如下:约束左右两侧后悬架安装点1、2、3自由度, 左右两侧前悬架安装点通过MPC的方式约束, 同时任选一侧前悬在其安装点处施加一定的竖直方向的力 (即沿Z方向的力) 以此获得30000Nm的转矩。测量点的选取依旧严格按照工程规范选取, 通常在客车底盘纵梁底面选取加载面对应点以及沿纵梁均匀分布若干测量点。扭转刚度GJ是通过加载面所对应的纵梁底面Z向的变形量来计算的。

式中, δL是左纵梁上的测点Z向变形量 (单位:mm) ;δR是右纵梁上的测点Z向变形量 (单位:mm) ;T是施加的载荷 (单位:Nm) ;Xi是后悬支撑点到测点的距离 (单位:m) ;Bi是左右对称测点的间距 (单位:m) 。

3 拓扑优化计算和结果分析

3.1 拓扑优化计算

以已经构建好的拓扑优化设计结构模型为基础, 结合客车的各种性能要求所需要满足的工况, 施加相应的载荷, 此处主要涉及到两个强度工况, 两个刚度工况。以客车顶盖及其侧围为设计变量, 以确定好的局部拓扑优化设计空间的质量比 (mass fraction) 0.2~0.3为约束条件, 同时施加对称约束, 以加权应变能最小min (wcomp) 为目标函数完成拓扑优化计算的前处理工作。在模型测试没有问题的基础上通过Opti Struct提交计算, 为保证拓扑结果的完整性, 将相应的迭代次数增加为200次, 经过若干次迭代之后可以得到在以上四种工况之下的拓扑优化结果, 如图2, 3所示。

3.2 优化结果分析

拓扑优化作为概念性的优化设计方法, 可以在设计空间里面寻找到材料的最优布置, 为设计人员提供全新的设计方案和最优的材料分布方案。经过拓扑优化之后, 车身材料的布置会更加清晰的呈现在我们面前, 以拓扑的结果指导我们进行梁的结构特征的选择以及其位置的布置。轻量化并非只是质量越小越好, 它同时还得保证车辆的其他性能, 比如模态, 碰撞, 强度, 疲劳, 刚度以及相关的法律法规。而且对于整个车身结构的设计, 还应该充分的考虑到其制造的可行性以及生产成本的可控性问题, 尤其是对于新的车身结构所带来的这些相应问题尤为突出。结合拓扑优化的结果对车身结构进行可行性的调整, 确定新的设计方案, 如图4所示。

4 有限元仿真分析结果验证

参考市面上钢材的规格以及性能参数, 更新模型中的相应的材料和属性, 再计算出新的车身结构的强度、刚度指标, 对比优化前后的各指标变化情况, 如表1所示。

对比表1中客车车身优化前后各种性能指标参数, 可以看出, 客车车身的减重效果特别明显, 具体表现为质量减少了348kg, 占原有车身结构质量的8.98%。在优化过程中对材料进行重新调整与布置使得刚度富余的情况大大减小, 从而在一定程度上导致车身整体刚度的减小, 但仍在满足性能要求的范围之类。至于两个强度工况, 0.5G右转向工况其最大应力值降低, 而0.85G前制动工况其最大应力值稍有所增加, 不过都小于材料的许用应力, 满足强度要求。

5 结束语

结合实际工程规范要求以及客车车身本身所具有的整体性能要求, 参考拓扑结果, 优化设计出新的车身结构。对新车身的结构进行分析, 对比优化前后所涉及到的各性能指标参数, 结果表明, 在满足性能要求的情况下, 客车车身减重效果明显, 从而进一步印证了拓扑优化设计方法的可行性和有效性。

参考文献

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[2]范文杰, 范子杰, 桂良进, 等.多工况客车车架结构多刚度拓扑优化设计研究[J].汽车工程, 2008, 30 (6) :531-533.

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[4]郭立群;商用车车架拓扑优化轻量化设计方法研究[D].吉林大学, 2011.

[5]周云郊.基于刚度与模态分析的客车结构轻量化研究[J].机械设计与制造, 2010, 7:117-119.

轻量化车身制造技术 篇5

关键词 刚度；模型分析；微型车；轻量化

中图分类号 U463 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)052-0230-01

经研究分析，汽车燃油的耗损量越大，车身的总质量就越重，反之，汽车燃油的耗损量越小，车身的总质量就越轻。随着人们的经济水平提高，汽车越来越多，如何降低排放量、节约资源是当前研究的热门，所以这需要到轻量化的车身设计。当前，市面上大部分轿车的车身结构一般是采用的全承载式车身，因承载式的车身担负了全车所有的扭转和弯曲，所以自身的刚度特征具有十分重要的意义。在车身轻量化的变化中，假如发现车身的刚度有不同程度的降低，必会引起车身门窗、发动机舱口等形态改变，引发玻璃破碎、车门关闭困难等情况的出现。这时，低刚度出现伴有低频率，导致结构共振、噪声，会影响到人乘坐的舒适性，不同程度的影响整车的能性。因此，达到车身的轻量化需满足车身的刚度与模态。文章是组建有关板壳单元为基本单元的车身有限元分析模型，运用有限元的软件分析某微型车车身的前、后轻量化刚度及模态变化，可以更好地为轻量化作指导。

1 有关刚度与模态的基础理论

1.1 刚度扭转的理论分析

如果车身受对称垂直的重量时，结构处会出现扭转的情况，致使车身扭曲变形，轴之间的角发生扭转。说明，结构的变形力度是与所受力、结构扭转及刚度相关。用公式解释为：车身的结构扭转刚度等于扭矩与轴之间的相对扭转角的比。

1.2 刚度弯曲的理论分析

从车身的弯曲刚度能够得出：产生垂直力下的车身是纵向扩展力量，表明出车身的弯曲程度，分析车身纵梁的铅垂直力作用的挠度大小，可以看作弯曲的刚度等于车身弯曲的重量与纵向的弯曲最大值之比。

1.3 关于模态的理论分析

在车的快速行驶中，自身的结构由各种振源会发生震动，像发动机运转、路面崎岖引发的震动等。如类似这样的震动源可以激励使车身整体或是部分有一定的频率，会导致共振的出现，引发产生强烈震动或噪声问题，严重会致使结构损坏。所以，为了从汽车的安全性、舒适性、可靠性，必须在对车身的震动上有效地改善，需对车自身的震动特性加以分析计算，利用结构的设计改变各种振源率。依据模态的理论可得出：刚度矩阵与第一阶段的模态的振型向量的和等于第一阶段模态的固有频率与质量矩阵总和。

2 关于车身有限元模型的轻量化与组建的描述

2.1 关于车身轻量化的描述

在车身的设计中，想要减轻车身的质量，可以从：钢材的结构、车身的结构设计，新材料的运用等。结合本次研究是成型与焊接装备的通用性，在稳定车身不变、保证安全性的情况下，针对小零件进行微变化，来满足轻量化的要求。本文是通过研究的车身轻量化的改变部件的重量。现在，我国的轻量化形式是外覆盖部件厚度降低，前、后盖外板材料性能降低，依据公司的内部要求，轻量化的刚度扭转钢度、弯曲变化不高于5%，开口件的对角变形后尺寸变化率不高于0.15%。一阶扭转、弯曲模态变化率不高于3%。

2.2 车身的有限元模型的组建

某微型客车车身一般由：车身地板、车架、侧围、顶盖、发动机舱、发动机罩、翼子扳、仪表台骨架等共11个总成，不少于250个零群件组建而成。而每一个CAD模型所进行的有限元网络区分，统一的网络检查。一般的车身零件间都以点焊连接，运用模拟在整个车身的构造中焊点。

2.3 对有限元模型进行验证

一般对有限元模型进行模态分析、静态刚度的测试。先是采用实验设备对其进行模态测试，获得的数据参数。再进行车身的静刚度检测，测试车身在静态下承受不同的重量发生的变化，分析车身结构抵抗的能力。

通过软件对车身模型进行模态的计算，获得参考数据。然后，按照静刚度的检测，选出支撑的边界条件，依据实际的超重解决方式，运用软件算出静刚度的模拟计算结果，整理数据文件。根据模态、静刚度的检测结果、有限元模型的算数模态，最后得出满意的车身的有限元模型。

3 有关车身前、后轻量化与模态的分析

3.1 有关扭转刚度的分析

在建立起有限元模型后，算出车身扭转刚度的边界条件。在研究扭转刚度中发现，约束前悬架支撑部分的5个自由度，约束后螺旋弹簧有的6个自由度，在支撑时运用施加等大小、方向的上下集中力。车身的结构在扭转刚度通过不同部分变形程度分析，即：侧纵梁在车身的长度中方向发生垂直位移及窗口开口件对角线尺寸变化。

经过计算得出，测量出的右侧纵梁各位置的垂直位移发生的变化，坐标是全标，原点的位置在门前处。通过位移的角度换算，计算车身的扭转，分析出扭转开口件对角线的变化。最后得出车身轻量化前、后的扭转刚度、开口件对角线的尺寸变化率，再依据企业的内部要求，将其控制在范围内。

3.2 有关弯曲刚度的分析

在分析弯曲的刚度中，约束前悬架的支撑点、后螺旋的支撑方向6个自由度的不同，前部弯曲的情况位于门槛上，后部的弯曲程度在中门槛上，每侧均匀在集中力的垂直下方。车身的弯曲刚度分析，是通过下部位的变形情况，从一侧纵梁的车身长度方位垂直变化。文章通过分析，算出计算结果，测量出右侧的纵梁上的各方位的变化曲线位移，坐标是整车的坐标系，把车身的前部、后部弯曲刚度在车轻量化前、后作对比。通过对比，得出车身轻量化前、后的弯曲刚度、开口件的对角线的大小变化，使其在控制范围内。

3.3 有关模态的分析

因为车身的震动会影响到频率的不同区域，产生不同的激励频率。为了确保车身结构的刚度及强度，所以一般采用修改模态数据的方案，把车身结构的低阶模态频率加以提高。在有关的模态分析中，运用自由的模态，不限定各种条件的约束，一般在一阶段中扭转的模态计算降低，不会超出企业的内部规定要求，所以一阶段的弯曲变化模态的分数值不大。经研究分析，参照之前工程的数据，一阶段的扭转模态的分数值减少是受到来自结构外板的薄厚的影响。

在保持原有的后侧围外板厚度的基础上，又对车模态进行了新的计算，采用一阶段的扭转模态计算，在质量不减的情况下，对比可以看出两个部件的扭转问题，一阶段扭转模态计算提高的快，所以，通过研究决定后侧围外板不应该减少厚度。

经分析，最终确定在原有的基础上减轻质量。为了验证分析有限元，对车身的轻量化进行模态的测试，测出了规定的频率与振型。运用振点、多点的方法对车进行自由模态的测试，车的轻量化对车进行检测。通过对有限元模型计算得出固有频率与测试的频率，轻量化后的有限元模型反应的实际问题。另外，基本薄厚的变化零件能够在原始生产的原模，为了更好的完成，有效地控制住生产的成本。

4 结论

本文通过组建车身的有限元分析模型，并对其采取了扭转、弯曲及模态进行实验分析，对比计算出车身轻量化的前、后车身的数值。经过研究对比分析，车身的轻量化前、后车身的扭转、弯曲钢度相差不大，而一阶段的扭转模态值变化大，呈现降低趋势。通过计算分析，得到底阶段的有关扭转模态的外板、后侧围板的某些灵敏部件是需要关注的重点，提出了关键的部件厚度不变，确保车身模态的要求，也要在一定的程度上加大车的刚度值。通过测试，发现轻量化的有限元分析结果与实车的测试结果较一致。综合全文所述，采用模态分析的方法，将其方式运用其他车的轻量化的项目发展中，不但可以很好的降低成本，还可以有效地提高产品的安全可靠性。

参考文献

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[5]许灵珍,李熙山.用模态试验分析汽车结构动特性[J].河北工业大学学报,1994,03.

浅谈汽车车身结构轻量化 篇6

随着国民经济的蓬勃发展，汽车已一跃成为当前极为重要的交通运输工具。从全世界范围来看，目前还找不出一个无汽车的现代化社会的先例。因此，汽车工业在带动其他各行各业的发展中，已日益显示出其作为重要支柱产业的作用。

在扩大汽车的服务领域和满足各方面多样化要求的前提下，作为汽车上三大总成之一的车身，已后来居上越来越处于主导地位。据统计，客车、轿车和多数专用汽车车身的质量约占整车自身质量的40%～60%；货车车身质量约占整车自身质量的16%～30%；其各车型的车身占整车制造成本的百分比甚至还略超过以上给出的上限值。因此，仅从这个意义上来衡量汽车车身，其经济效益也远远高于其他两大总成。

如果从节能、节材等几方面来考虑，则其潜力更大。此外，纵观国内、外车身制造和装配等工艺流程，不难发现，尽管随着科学技术的进步，吸取了大量的尖端技术，机械化和自动化程度很高，但是仍有两化无能为力而又必须由手工操作来完成的部分（特别是车身的内、外装饰和附件的装配）。

1 汽车轻量化技术应用的必要性

汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放十分重要。而在驾驶方面，汽车轻量化后其加速性能也将得到提高，而在碰撞时由于惯性小，制动距离也将减少，便于主动安全控制。

纵观世界汽车工业沿革，可以看出，现代汽车是沿着“底盘”→“发动机”→“车身”逐步发展完善过来的。这个发展过程在很大程度上取决于当时的科学技术水平和物质生活条件。由于汽车与人们的日常生活息息相关，为了适应各种不同的目的和用途乃至车身的更新换代等，其关键在于车身。

国内外汽车生产的实践一再表明：整车生产能力的发展取决于车身的生产能力；汽车的更新换代在很大程度上也决定于车身；在基本车型达到饱和的情况下，只有依赖车身改型或改装才能打开销路。凡此等等都足以说明，汽车工业发展到今天成为重要的支柱产业，而重中之重则非车身莫属。

2 汽车轻量化的效果

汽车轻量化的主要目的是降低油耗。如图1所示，车辆行驶的燃油消耗量与车辆质量的关系。一般情况下，对于1000kg自重的轿车，车辆质量减轻8%，可降低油耗约10%以上。

另外，世界铝业协会的报告指出：整车质量每减少100KG，其百公里油耗可节降低0.4-1.0L，每公里二氧化碳排放也将相应减少7.5克到12.5克。而车身质量占整车质量的1/3，空载情况下，约70%的油耗用在车身质量上。这意味着：只要通过科学的方式，将车身轻量化后，就可以有效减少燃油消耗。

3 车身轻量化的意义

表1所示为1300cc级FF布置轿车的质量分布情况。一般轿车车身的质量（包括白车身和车身装备件）约占整车质量的一半，仅白车身就达20%以上，可见，车身质量的降低对整车质量的降低影响很大。另一方面，车身质量的降低，可以改善悬架和动力传动系统的负荷，从而可以相应地减轻该部分的质量，有利于整车轻量化。

4 车身轻量化设计技术

车身轻量化设计技术主要表现在车身构造轻量化技术和采用轻量化车身材料。图2所示为车身构造轻量化技术的主要措施。

4.1 车身结构合理化

过去的轿车车身结构多采用有车架非承载式车身，不利于车身结构轻量化设计。现代轿车车身使用承载式结构，将冲压成形的薄钢板构件通过数千点的点焊连接组合成高刚性的承载壳体，是车身轻量化合理的结构型式。最近车身构件组合采用焊接和粘接并用的方式，这种车身组合方式有利于提高车体的刚性，减薄构件板厚，提高轻量化水平。

4.2 车身尺寸小型化和驱动方式FF化

现代轿车广泛采用FF化驱动方式，约占70%以上的轿车产品。FF化车身的最大优点在于：

a）地板通道减小，室内空间增大；

b）后地板下降，后座空间增大；

c）油箱布置位置更加合理，有利于碰撞安全性提高。

由于FF化驱动方式的车身室内空间得到改善，有利于外形尺寸进一步设计小型化，从而提高设计的轻量化水平。

总之，车身尺寸小型化和驱动方式FF化设计技术，都是在确保乘员空间的前提下，实现轻量化设计的有效措施。由于现代轿车车身布置设计已非常成熟，采用此两种方法进一步减轻车身质量，其效果是有限的。

4.3 减去车身部件上多余的质量

车身上的部件，特别是内板、加强板等，在满足刚度和强度要求的前提下，减去多余的质量，如采用减轻质量的空穴，切去托架类构件的端角，梁构件形状最佳化设计等方法，能实现部分部件的轻量化。应用有限元解析法分析计算各部件的结构特性，会取得良好的轻量化效果。

4.4 车身部件整体化、大型化

车身部件整体化、大型化设计能减少部件的数量，避免由于焊接等因素造成的部件刚度和强度的下降，从而实现轻量化设计要求，并可省去一些不必要的构件。

4.5 部件尺寸紧凑化和板厚减薄化

采用机械性能好的钢板材料，如高强度钢板和表面处理钢板等，在满足构件功能要求，如刚度、强度、防腐、结构装配等条件下，使部件尺寸减小，或减薄板厚，从而达到轻量化设计的目的。但是，在轻量化设计的同时，应考虑对振动、噪声等方面的影响。

4.6 采用轻量化的车身材料

车身设计采用轻量化材料是车身轻量化设计的主流，能带来明显的轻量化效果。其研究有两种方法：

(1) 通过采用低密度的轻质材料（如塑料、轻合金等）代替高密度的钢板材料，实现车身结构轻量化；

表2所示，车身外板采用钢板、铝合金板、树脂板材料的特性比较，及等刚性条件下的板厚比和轻量化率。可见，在外板形状不变的情况下，讲采用0.7mm厚的钢板换成1.0mm厚的铝合金板，或3.5mm厚的PPO/PA树脂板，可分别实现轻量化50%或30%。

表3所示为轿车发动机罩外板和前翼子板采用铝合金板厚的轻量化率。

(2) 通过采用高强度钢板代替普通钢板，由于能减薄板厚，从而达到轻量化目的。如将0.7mm厚的钢板件减薄至0.6mm，可实现轻量化15%。

在现有的中级车市场中，睿翼、迈腾等车型都是车辆轻量化设计的代表产品。以德系车迈腾为例，这款车采用了HSB超高强度车身结构，74%采用了高强度和超高强度钢板，其中16%为强度更高的轻质热成型钢板，每平方厘米可以承受10吨以上的压力而不变形。所以迈腾并不是依赖于厚重的钢板去赢得高安全性的，而靠的是超强刚性和稳定的结构车身。

5 安全与车身薄厚轻重没有绝对关系

专家表示，车辆的安全性能与车身的薄厚没有绝对关系，因此车的安全性能不能简单地由车身的薄厚来衡量。车身整备质量越重，并不能代表车身刚度就越高。相反那些采用新技术新材料的车型，其车身强度与安全性并不亚于那些整备质量重的车型。事实上，汽车的安全性对于不同部位有不同要求。比如没有缓冲区的左右两侧，必须通过碰撞钢梁等刚性车身来提高安全性。而对于有缓冲区的前后部分，保险杠、发动机、行李箱的吸能更加重要。

现代轿车车身结构设计将轻量化、高刚度和高强度、安全性、新材料应用、耐腐蚀性、舒适性等性能特征作为车身技术发展方向已充分体现在汽车产品中，而应用计算机进行车身结构设计解析分析，解决车身结构强度、刚度、应力、应变、振动、噪声等结构设计问题，以及采用高强度钢板、表面处理钢板和纤维增强复合材料制造车身，是现代轿车车身开发设计的重要技术手段之一。

摘要：本文综述了汽车轻量化技术应用的必要性、汽车轻量化的效果和意义、汽车轻量化的途径和技术, 以及与节能环保和安全的关系, 强调了车身轻量化设计是实现汽车轻量化的主要途径之一。汽车轻量化是汽车产业的发展方向之一, 也是一个汽车厂商和国家技术先进程度的重要标志。

关键词：汽车车身,车身结构,轻量化

参考文献

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[2]乐玉汉.轿车车身设计[M].高等教育出版社, 2000 (7) .

[3]黄金陵.汽车车身设计[M].机械工业出版社, 2007 (9) .

汽车轻量化之白车身减重 篇7

随着汽车保有量的增加,一方面汽车成为方便、快捷和高效的交通工具,改变了人们的生活和工作方式;另一方面,也增加了能源的消耗,加重了尾气和噪声等环境污染和对交通安全的危害,汽车行业面临着节能、安全和环保的巨大压力。汽车整车质量降低10%,燃油效率可提高6%~8%;若滚动阻力减少10%,燃油效率可提高3%[1,2]。车身占整个汽车制造成本60%,占汽车总重量的30%~40%,空载情况下,70%的油耗消耗在车身质量上[3],因此对车身结构轻量化设计方法进行研究具有重要意义。

车身作为车辆的承载部分,零件数目繁多且多为不规则形状,从结构上可以看作一个较为复杂的力学模型,如何对零件数目繁多且力学模型复杂的车身进行有效的减重设计已成为目前车身开发领域的研究方向。本文通过某款车型的车身减重实例,介绍一种行之有效的减重控制与管理方法,减少在车身减重过程中的盲目性。

本文通过介绍如何合理选取减重对象,并以白车身第一阶模态、白车身扭转刚度、白车身弯曲刚度、碰撞安全、以及零件的工艺性为约束对象,对选取的减重对象通过结构优化、新材料应用、新工艺应用等方法,对白车身进行减重优化设计。

减重作为轻量化设计的一部分,通常在白车身设计开发阶段的中后期完成,一般此时已经具有成型的白车身产品设计,并具备了一系列的白车身性能指标。所以在此阶段进行的减重首先应针对这一系列现有的白车身性能指标进行评估,并将这一系列白车身性能指标作为选取减重对象的依据;而在减重过程中,也同样需要依据白车身性能满足目标设定的原则进行优化,通常根据减重前后的轻量化系数进行减重成效对比。

车身结构轻量化系数越小,说明单位性能指标付出的重量成本越低,其定义为:

其中:M是白车身重量(kg),CT是白车身静态扭转刚度(N·m/deg),A是由轴距、轮距决定的白车身投影面积(m2),如图1所示。

1 白车身减重设计实例

1.1 白车身减重设计流程

某车型开发的车身结构轻量化设计流程如图2所示。该流程以车身刚度、模态性能为导向,能够充分考虑对已经满足设计要求的强度和碰撞安全等性能尽可能影响小。在此减重设计流程中,我们将选取的需要减重的零部件命名为减重设计变量,以此车型为例,通过白车身一系列性能指标的评估,共选取55个零件作为减重设计变量。

1.2 车身减重方法介绍

制定完减重设计变量后,减重过程中不仅要考虑设计变量重量的降低,同时需要兼顾设计变量刚度、强度等性能,从而保证减重后的设计变量在整个白车身系统中能够发挥有效结构性。以某款车型减重设计为例,主要减重方法有:(1)整体优化设计,提高结构的连续性,减少多余重量;(2)零件局部优化,通过增加减重孔达到减重目的;(3)优化零部件厚度,运用薄板替代厚板达到减重目的;(4)利用激光拼焊工艺,减少零件多余重量。

(1) 整体优化设计,提高车身结构的连续性,减少多余重量

以某车型A、B柱形成的乘员舱加强结构为例,通过对A、B柱重要结构件的优化,共完成4.8kg的减重,如图3所示。

备注:设计变量(1)优化板厚与材料强度;设计变量(2)优化几何尺寸与厚度;设计变量(3)优化几何尺寸;设计变量(4)进行分件优化,去处多余结构。

(2) 零件局部优化,通过增加减重孔达到减重目的

以某车型部分设计变量增加减重孔为例,如图4所示。通过对部分设计变量增加减重孔,通常能够完成设计变量5%~10%的减重量,增加减重孔在减重设计中是最常用的减重手段。

(3) 优化零部件厚度,运用薄板替代厚板达到减重目的

在薄板替代厚板的减重设计过程中,为了减少减重盲目性,可以通过CAE辅助设计,找到各设计变量厚度在白车身整体刚度与模态中的贡献度,针对负贡献设计变量的合理优化,达到减重目的。

通过CAE计算,各性能指标灵敏度数据将设计变量分为四类[4]:

1)影响显著件:尽量提高其厚度,如同时是质量影响显著件尽量减薄其厚度;

2)一般件:根据相对灵敏度系数(性能灵敏度系数/质量灵敏度系数)综合取舍;

3)影响不显著件:减厚,特别同时是质量灵敏度显著件;

4)负贡献件:减厚。

根据计算弯曲刚度、扭转刚度、第一阶弯曲模态、第一阶扭转弯曲以及零件重量的灵敏度数据,对零件进行分类。图5和图6列出了弯曲刚度和扭转模态的灵敏度数据结果。

值得注意的是,在对负贡献量的设计变量进行板厚优化设计过程中,需要综合考虑碰撞、疲劳强度等性能指标,不能一味的对负贡献量进行板材厚度的替换,同时需要考虑采用更改强度等级的板材。

(4) 利用激光拼焊工艺,减少零件多余重量

以白车身侧围加强板为例,如图7所示。用6片板料将P1~P6共6个设计变量集成到一件激光焊接板中,维持原始材料和板厚,设计焊缝线后去除相应的搭接面和焊点。该方案减重达到1.428kg,左右侧围加强板则可以减重2.856kg。

1.3 车身减重成效

减重完成后需要对车身进行一轮完整的CAE计算来确定车身第一阶模态、白车身扭转刚度、白车身弯曲刚度、碰撞安全、疲劳耐久等一系列车身性能满足设计目标,同时与减重前的性能指标作对比,并通过减重前后的轻量化系数进行减重成效确认。以本文提的车型为实例,减重前后的对比如表1所示。减重前轻量化系数为3.5,减重后轻量化系数为3.22,轻量化系数降低8%。

2 车身轻量化技术展望

随着汽车制造技术的发展,更多的轻量化技术将逐渐推广,主要呈现的趋势如下。

(1)随着热成型工艺的发展,超高强度钢板在车身上的应用日益广泛。

(2)随着车身连接技术的发展,密度较低的金属材料将逐渐替代钢板在车身上的应用。例如铝合金、镁合金、钛合金等金属材料的应用。值得一提的是,德国大众公司的“奥迪A8”以及美国福特公司的“捷豹XJ8”等车型已实现全铝车身的应用,可谓车身轻量化发展历程的一个里程碑。

(3)碳素纤维材料、玻璃纤维材料、复合材料等低密度的非金属材料在车身上逐渐开始应用。碳纤维作为汽车新型材料在德国宝马公司的“MCV”车型上的大面积使用且批量生产是一次革命性的创新。

3 结论

通过采用本文介绍的减重设计流程,能够高效选取减重对象,解决车身组成部件繁多而造成的盲目性,采用本文介绍的减重方法能够有效解决在常规车身开发过程中的车身轻量化问题,合理控制重量与性能之间的关系,得到较好的轻量化系数。

参考文献

[1]柏建仁.轿车车身与高强度钢[A].2006年全国低合金钢、微合金非调质钢学术年会论文集[C],2006.

[2]Benedy J.C.Light metals in automotive applications[J].Light Metal Age,2000,10(1):34-35.

[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[J].汽车工程,2005,27(3):382-355.

某运动型汽车车身骨架轻量化设计 篇8

随着现代汽车技术的发展,如何节能减排成为每一个汽车厂商都关注的问题[1]。运动型汽车车身骨架是各个总成的安装基体,同时又承受汽车行驶过程中各种负载和动载荷,其轻量化程度一方面直接影响到整车质量,另外一方面也影响到汽车的油耗和排放。本文以某企业项目为依托,建立某运动型汽车的车身骨架有限元分析模型,利用现代优化设计方法,在保证原车身骨架性能的基础上对其进行轻量化设计[2,3,4]。

1 结构分析模型的建立

运动型汽车车身骨架由一些不同截面形状的管型梁焊接而成,本文运用CATIA建立车身骨架的三维模型,运用Hypermesh软件中的四边形壳单元对其进行离散,车身骨架各部分之间的连接方式为两部件共用,建立的三维有限元分析模型如图1所示。

为了检验车身骨架有限元分析模型是否合理可信,在自由状态下,将实车车身利用四根橡皮筋悬挂,利用正弦波扫频信号,采用单点激振方法做模态试验,测出该车身骨架前九阶固有频率,与仿真模拟结果相对比如表1所示。

根据表1中数据,试验得出的固有频率数值与仿真模拟计算出的数值相差一般在10%以内,从而验证该车身骨架有限元模型正确可信,可以用来进行下一步优化。

2 车身结构轻量化优化方案设计

满载下的弯曲和弯扭工况是运动型汽车行驶过程中的两种典型工况。通过对车身骨架在两种工况下的静力分析发现,车身上除了个别零件的应力水平较高外,大部分构件的应力水平低,强度富余大,因此有必要对该运动型汽车车身骨架进一步减重。本文从优化车身骨架截面参数以及采用轻质材料两方面入手,采用优化设计方法,通过两种方案的对比分析确定最优方案。

2.1 车身骨架截面参数优化

2.1.1 约束条件的确定

车身结构优化的同时,要保证其强度、刚度和耐撞性能,本次优化选取车身骨架在弯曲、扭转工况下的最大变形及最大应力为约束条件;由于汽车的平顺性和疲劳寿命会受到车身骨架自振激励的影响,因此在优化车身结构的时必须控制车身模态频率的大小。

2.1.2 目标函数和状态函数的确定

选取车身骨架的质量Weight为目标函数。在弯曲和弯扭两种工况下,分别选取代表车身骨架弯曲刚度的最大变形Disp(max),代表车身骨架强度的最大应力Stress(max)及一阶扭转模态频率(Model1)为状态函数。

2.1.3 设计变量的选定

设计变量的选择原则是对车身骨架强度刚度影响不大,但是却使车身骨架显著增重的杆件。根据计算结果选定车身骨架前段及后段的型材为优化对象,编号为1～13,共有21个设计变量,其中13个独立变量,如图2所示。

2.2 材料特性的确定

汽车轻量化中广泛应用Al-Mg-Si系(6000系)和Al-Zn-Si系(7000系)铝合金。这些型材多为“口”、“日”字型形状,具有较强的机械性能和良好的抗冲击性能。本文所用材料及其性能参数如表2所示。

2.3 轻量化方案的确定

根据以上分析,确定最后的两套优化方案。如表3所示。

2.4 轻量化优化方案的实施

方案1和方案2中相关参数的设置及优化结果分别见表4、5。

方案一中弯曲和弯扭工况下,车身骨架体积收敛曲线如图3(a),(b)所示。弯曲和弯扭工况下设计变量1、11、12的收敛曲线如图4(a),(b)所示。方案二兼顾截面优化和轻质材料,在方案一的基础上,将原材料Q235置换为铝合金6061-T6进行计算。

3 优化结果分析

分别对两种方案优化后的车身骨架在弯曲和弯扭工况下进行强度和刚度分析,下面列出方案一的分析结果如图5所示。原型车和两种方案优化后的车身主要性能参数对比如表6所示:方案1车身质量下降16.6%,弯曲最大变形基本保持不变,最大应力及一阶扭转频率变化也很小;方案2车身质量下降25.9%,弯曲变形增大3.1%,最大应力下降3.1%,一阶扭转频率提高5.8%,较原车有所改善。方案1和方案2的设计变量相同,2种方案都能在轻量化的基础上保持其整车原有的强度、刚度水平和低阶模态频率,变化很小。

方案2中车身骨架部分零件采用铝合金材料,故其轻量化效果显著。但是由于钢铝两种金属连接工艺复杂,铝合金价格昂贵,导致企业制造成本增加较多,实施难度较大。方案1在实现车身减重的同时,能够基本保持原车的强度、刚度和动态特性,降低企业制造成本,具有较强的现实意义。

4 结语

针对运动型汽车的车身骨架自重优化问题,本文提出了2种优化方案,分别基于截面参数和材料2个因素来考虑轻量化设计。将原车与两种方案在弯曲和弯扭工况下的车身性能参数进行比较,最终得出可实施方案。该方案能够在保证原车骨架强度、刚度的同时有效减重,为该车的改进及同类车型的优化提供借鉴。

摘要：建立了某运动型汽车车身骨架有限元分析模型,根据车身骨架特点,确定了车身轻量化设计的设计变量;根据车身骨架静态分析,确定了轻量化设计的约束条件,从而建立了运动型汽车车身轻量化设计的数学模型;并通过轻量化设计给出了车身骨架的优化设计方案。

关键词：车身骨架,强度,刚度,轻量化设计

参考文献

[1]赵韩,钱德猛.基于ANSYS的汽车结构轻量化设计[J].农业机械学报,2005,36(6):12-15.

[2]刘建中.摩托车车架的最优化设计[J].摩托车技术,1994(2):1-5.

[3]Fuh-Kuo Chen,Jia-Hong Liu.Analysis of designs for the stamping of an automobile rear floor panel[J].Jour nal of Materials Processing Technology Volume.55,Is sue:3-4,December,1995:408-416.

基于碰撞安全性的车身轻量化研究 篇9

依据建模规则, 使用ANSA软件作为网格划分工具, 按动力总成、底盘系统、车身系统、四门两盖等分总成划分好网格后, 使用前处理工具Medina装配模型, 其中节点数1586789, 单元数1624974。

2 基于正面碰撞仿真与试验的验证

在进行碰撞安全性的车身轻量化研究之前, 本文首先进行了正面碰撞仿真与试验的验证工作, 以确保有限元模型的可靠性, 在此后的轻量化设计过程中, 以基于有限元计算的结果为基础来指导设计工作, 以减少设计开发过程中相关的试验费用。

2.1 正面碰撞变形验证

碰撞有限元模型是一个极其复杂的系统结构, 模型中对于焊点、螺栓、胶等的模拟都会对计算结果产生误差, 如实际模型的焊点在碰撞时存在失效、断裂等情形, 而有限元模型通常采用PLINK单元来模拟焊点, 由于失效机理十分复杂, 定义失效参数较为困难;由于车身大部分零件为冲压件, 零件经过冲压后不同厚度处的初始应力、应变是不同的, 而在仿真模型中通常不考虑由于冲压工艺带来的物理量的变化。总之, 要通过仿真计算来百分之百预测试验过程, 是不科学的, 也是不必要的。从工程应用的角度讲, 模型的可信度达到85%则可认为有限元模型是可信的。

2.2 正面碰撞侵入量验证

汽车发生正面碰撞时, 乘员室的侵入变形量是衡量整车安全性能的一个重要指标, 在发生碰撞时, 只有乘员室不发生过大的侵害乘员生存空间的变形时才能确保乘员室乘员的安全。图1所示为相应的测点位置以及侵入量云图。从试验值及相应的仿真结果来看符合的较好, 同时这些点的侵入量均在可接受范围, 并未对乘员构成大的伤害, 即在正面碰撞发生时, 乘员具备安全的生存空间。

通过仿真与试验的变形时间历程、碰撞终了时零部件变形量以及侵入变形量的对比可验证该整车碰撞模型的有效性, 因而在今后的优化及验证分析中可以有限元模型为研究基础模型, 以验证优化方案的可行性。

3 基于碰撞安全的轻量化研究

本文进行了轻量化后整车正面及侧面碰撞仿真计算, 从数值模拟计算的角度验证了轻量化方案的可行性。正面碰撞主要对比了轻量化前后车身加速度值;侧面碰撞主要对比了轻量化前后的侵入变形量值。

3.1 轻量化后的整车正面碰撞计算

正面碰撞发生时, 车身加速度曲线是衡量整车安全性能的一个重要标志。正面碰撞通常测试B柱加速度值。

由于B柱测点临近质心位置, 且此处变形较小, 因而常在此处设置测点来测试整车的加速度值。由图四可知, 轻量化后加速度峰值存在小幅上升, 与试验值接近。

3.2 轻量化后的整车侧面碰撞计算

在驾驶员后侧第二排座椅上放置了一个假人。整车侧面碰撞主要考查B柱侵入量及侵入速度、前后车门处的侵入量及侵入速度以及门槛处的变形量等。此外, 还可考查B柱、白车身等处的塑性应变, 以此来评定整车结构的好坏。

(1) B柱侵入量。B柱对于汽车发生侧面碰撞时乘员的损伤程度有着直接的影响, B柱结构及内部加强件既不能过硬, 也不能过软。若B柱过硬, 则会使能量迅速转移到乘员身上, 不能通过车身变形来吸收大部分能量;相反, 若B柱过软则会使其变形过大, 挤压乘员的生存空间, 从而对车内乘员造成更大的伤害。图3所示为仿真得到的B柱Y方向侵入量对比图。由图可知, 轻量化前后B柱变形趋势及侵入量大小基本能够保证乘员舱空间。

(2) 前后车门侵入量。车门在车辆发生侧面碰撞时起着保护乘员安全的重要作用, 车门结构件若强度不够, 则容易导致在发生侧碰时车门变形过大, 从而挤压其他零件如门护板、电机等侵入乘员室, 造成乘员的伤害。如图4为前车门在轻量化前后的侵入量图。

由图4可知, 轻量化后前车门侵入量略有增加。从变形云图可以看出, 变形较大的区域集中在车门防撞梁中间位置附近, 相比较而言, 门锁处的变形量相对较小, 由此可最大程度地保护门锁不被破坏, 从而保证发生侧面碰撞时车门的也能够开启。

图5为轻量化前后后车门侵入量图。由图八可知, 后车门在轻量化前后的侵入量变化不大, 变形趋势基本一致, 最大变形区域位于车门防撞梁附近, 且门锁处变形较小。

通过对比侧面碰撞时车门在轻量化前后的侵入量及侵入速度可知, 前后车门的耐撞性能在轻量化前后基本一致, 可论证轻量化方案的可行性。

4 结束语

通过正面碰撞试验的变形时间历程及整车结构变形验证了整车碰撞有限元模型的有效性后, 首次将正面碰撞与侧面碰撞的数值仿真联合应用于车身轻量化设计前后的整车结构抗撞性能研究。通过对比正面碰撞试验与轻量化前后B柱加速度曲线以及轻量化前后侧面碰撞前后车门侵入量, 验证了车身轻量化结果的可行性, 确保了轻量化后车身结构的抗撞性能。

参考文献

[1]《汽车轻量化:材料、设计与制造》P.K.迈利克等 (作者) 机械工业出版社 (2012-05) .

轻量化车身制造技术 篇10

随着现代汽车工业技术的快速发展, 以及人们对环境保护的重视, 降低能源消耗、减少环境污染成为汽车行业发展的方向, 而轻量化则成为节能减排关键。通过采用轻质材料替代钢铁材料以及改进制造工艺, 就可以最大限度实现汽车轻量化。在众多轻质材料中, 铝合金具有良好的抗冲击性能, 并且密度小, 强度高, 耐蚀性好, 并可获得具有良好铸造性能的铸造铝合金及加工塑性好的变形铝合金。通过在客车车身使用这种材料, 以达到汽车的轻量化, 尽可能地降低汽车的整备质量, 从而减少燃料消耗, 降低排气污染。实验证明, 汽车整备质量每减少100公斤, 百公里油耗可降低0.3~0.6升;汽车重量降低1%, 油耗可降低0.7%。而汽车每使用1kg铝可降低自重2.25kg, 减重效应高达125%, 在汽车整个使用寿命周期内可减少废气排放20kg。由此可见铝合金在汽车轻量化中的优越性。

目前汽车轻量化用材铝件的连接工艺有焊接、铆接等。铝合金焊接容易产生气孔、热裂纹及焊接变形, 而且焊接接头软化严重, 同时铝合金热导率大, 一定的焊接速度下, 热输入比焊钢材大2~4倍。焊后焊缝表面易产生气孔、咬边、裂纹等缺陷;焊缝内部易产生未熔合、未焊透、咬边、气孔等缺陷。这些缺陷的存在, 将引起局部应力集中, 尤其是当焊趾或者焊根高应力集中区存在缺陷时, 会进一步加剧这些疲劳危险部位的应力集中, 严重影响焊接接头的疲劳强度。在客车骨架的生产制作过程中, 骨架的立柱、横梁等型材的截面形状是多样的, 这更增加了焊接的难度。铆接中的拉铆能够适应新结构材料连接的需要, 同时具有较高的质量及较长的使用寿命。

二、拉铆钉工艺流程

拉铆钉是利用虎克定律原理, 使用专用设备将部件进行紧固, 紧固件具有高紧固力、高抗剪力及永不松动的特性, 拉铆钉紧固件常被用来取代焊接。一般拉铆工艺流程:工具检查→定位与夹紧→确定孔位→制孔→制窝 (沉头铆钉) →倒角→放铆钉→施铆→防锈。

三、铆钉种类及施铆

拉铆钉常用的有环槽铆钉、结构性抽芯铆钉及BOM钉, 拉铆钉安装工具分两大类:一类为液压拉铆设备, 另一类为气动拉铆设备。液压拉铆设备的主要功能是用于对各种金属合金车体及结构采用的较大直径以及使用数量大的小型紧固件进行铆接。气动拉铆没备是用压缩空气作为动力, 采用专用拉铆工具进行安装紧固件, 空气压力要大于0.6MPa。工具在使用之前, 应进行尺寸检查和试铆, 以保证铆接成形良好, 达到拉脱力的要求, 再在成品上面使用。

(一) 环槽铆钉。

环槽铆钉也叫哈克钉, 铆钉由钉杆和钉套组成。一套环槽铆钉是由一个钉杆和一个套环组成的, 由铝、钢和不锈钢材质制成, 直径范围可从3/16"到3/8"。

1. 环槽拉铆钉的紧固操作。

环槽铆钉经由哈克枪在单向拉力的作用下, 拉伸栓杆并推挤套环, 将套环挤压到螺杆凹槽使套环和螺栓形成100%的结合, 产生永久性紧固力。这个完整的铆接过程一般只需要5~8秒钟。

2. 哈克铆钉枪铆接环槽铆钉次序。

一是将哈克螺栓穿入连接孔, 套环套在环槽螺栓上;二是哈克枪枪头套在栓杆尾部, 按下开关, 头部推动套环去掉间隙;三是枪头部将套环模压在栓杆的环形沟槽上, 直到套环伸长并钳压在栓杆上;四是达到设计夹紧力后, 栓杆尾部同栓杆拉断分离, 铆接完成。

(二) BOM铆钉。

BOM铆钉是一种高强度的结构盲拉铆钉, 是要求高荷载, 单面安装的最理想选择。它可以满足从4.8mm到19.1mm的各种常规直径和夹紧范围的要求, 有效解决了腔式型材只能单面打孔零件的固定。与环槽铆钉对比, BOM铆钉除了可以单面安装之外, 省去了套环套的步骤, 从而可以快速简单地操作。要求单面安装时, 应将被铆接件紧密贴合, 缝隙应不大于1mm。

(三) 铆钉孔要求。

确定孔的位置后, 使用专用钻头进行钻孔, 钻孔时不应使用润滑油, 且孔的轴线应垂直于铆钉头所在的零件表面, 偏斜应不大于1°, 并去除孔边毛刺。对于沉头铆钉, 需要制窝的铆钉孔, 窝的角度应与铆钉沉头角度相同, 且其中心线应与孔的中心线同轴, 同轴度不大于0.06mm, 偏斜应不大于1°, 并且与钉头贴合一侧的孔口应倒角0.3×45°。

(四) 安放铆钉及施铆。

铆钉应垂直面板放入, 不得倾斜。环槽铆钉及BOM铆钉图纸方向性无要求时, 放铆钉应遵循以下原则:一是铆钉放入位置应有足够的空间进行铆接。二是铆钉应从厚度较薄或材料强度较小的零件一侧放入。三是铆钉钉头尽可能放置在与燃油和腐蚀介质接触的一侧。安放完成之后, 按照如下施铆工艺过程进行铆接:放铆钉和钉套→将拉铆枪对准铆钉→形成镦头→拉断尾杆退出模腔→完成铆接。施铆过程中, 枪头模腔轴线与铆钉轴线应保持一致。且不允许借助锤击钉头的方法来满足钉头支承面与夹层表面的间隙要求, 铆接结束时, 应能自动脱模, 不允许用摇晃铆枪等方法强行脱模。对于环槽铆钉, 钉套表面不允许出现任何裂纹, 不允许有松动的现象, 且不允许有严重损伤。铆接后, 常使用检验卡板检验铆钉的伸出量或缩进量, 检查完成后, 还应在钉杆被拉断的截面上涂防锈漆或采取其它防锈措施。

四、拉铆钉在客车上的应用举例

拉铆钉最早应用于飞机制造业, 后在铁路车辆、重型汽车、建筑领域得到广泛的应用。在客车车身上, 对于截面形状复杂的型材进行连接, 需要使用角码进行衔接。在7.7m商务客车上的双展翼立柱与腰梁的连接, 所使用连接角码尺寸为75×55×5, 然后使用拉铆钉进行固定。所用型材为6082-T6变形铝合金, 具有中等强度和良好的耐蚀性, 重量又轻。角码的孔使用模具冲孔成型, 保证孔位。

进行拉伸试验时, 采用双展翼铝合金型材两段, 长度各300mm, 在工装夹持下使用C6LB-R8-6G环槽铆钉和气动专用铆枪, 气体压力0.65MPa, 由专人进行铆接。在紧固作业后, 对所有紧固处进行合格判断。达到紧固后的头部与母材间无表面间隙, 母材无异常的扭曲、变形。在拉力试验机上做破坏性拉力试验。其最大破坏拉力为3.83KN, 样件的最大抗拉力值为铆钉脱落时的最大拉力值, 约225MPa的抗拉强度。

五、结语

通过对拉铆工艺的全面介绍以及在客车铆接案例分析可知, 拉铆钉可以进行客车车身铝合金型材的连接。拉铆钉紧固件所产生的高紧固力、永不松动、操作简便等性能, 并可以获得较高的强度。该工艺可以应用于客车左右侧围、前后围以及一些舱门和内饰骨架的连接, 目前在金港ZJG6140机场大巴及ZJG6770商务客车中得到了应用, 并获得较好的效果。随着汽车制造业的不断发展, 各种新材料的的广泛应用, 拉铆钉作为一种新型、先进的连接结构, 必将在实现汽车轻量化的过程中发挥一定的作用。

参考文献

[1]朱麟.汽车工业中铝连接技术[J].汽车与配件, 2013

[2]周万盛, 姚君山.铝及铝合金的焊接[M].北京:机械工业出版社, 2006