长城汽车轻量化技术的应用研究

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长城汽车轻量化技术的应用研究

摘要：轻量化工作是汽车研发的重要课题之一，已引起世界各国汽车行业的广泛关注。本文主要介绍了长城汽车公司在汽车轻量化研究方面的工作进展和研究案例及今后的研究和应用目标。

关键词：汽车 轻量化 应用

中图分类号：U465 文献标识码：A

长城汽车研究院材料部 魏元生

实现汽车节油和降低排放的最有效途径是汽车轻量化。据统计，轿车质量每减轻10%，可节油7%~8% ，排放降低4%。载货车质量每减轻1 000 kg，燃油耗可降低6%~7%。汽车轻量化的有效途径，国际上公认的方法有：提高白车身高强度钢板的使用比例、部分制件采用轻质合金代替钢铁、以塑料代替钢铁、激光拼焊板应用、可减轻制件质量的先进成形工艺的应用等。

mBIW

L3

CT×A

式中，L为轻量化系数；mBIW 为白车身质量，kg；CT为白车身扭转静刚度，N·m/（°）；A为车身轮边距与轴距的投影面积，m2。

轻量化系数反映了白车身的轻量化水平，轻量化系数低则轻量化水平高。国外先进车型轻量化系数均在4.0以下，自主品牌的L值在此之前普遍高于此值。长城汽车通过提高采用高强度钢板、轻合金、塑料、激光拼焊板及先进成形工艺的应用比例，轻量化系数显著降低，表1是两款新开发车型的轻量化系数与国外竞争车型的对比，基本接近或超过竞争车型。

1 长城汽车轻量化工作现状

1.1 整车轻量化系数

根据宝马公司的轻量化表征参量和评价方法，轻量化系数（L）的概念可用如下公式表征：

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1.2 高强度钢板的应用

国际上公认通过提高白车身高强度钢板的应用比例，进而减少零件数量和降低板材厚度是提高车身安全性、实现轻量化的有效途径之一。长城汽车在新开发车型上应用高强度钢板的比例正在逐年上升，如Rm＞600 MPa的双相钢（DP）,Rm＞1 200 MPa的Docal冷冲压双相钢及Rm＞1 500 MPa的高强度钢板的应用，大大提高了车身的安全性。图1为长城汽车新开发车型高强度钢板使用比例情况。

1.3 轻质合金的应用

由于纯铝的密度为2.68 g/cm3 ，仅为钢铁材料的1/3左右，且具有强度高、塑性好、可以通过热处理改变其力学性能、加工工艺性能好、具有良好的抗蚀性、可以回收循环使用等特点，被广泛用作汽车轻量化材料。长城汽车铝合金的应用已在发动机、变速器壳体、车轮毂、发动机支架等部件实现（见图2），目前正在与北京机电研究所联合开展铝合金外覆盖件温冲压成形工艺的研究，力争在2013年实现应用。

（1）铝合金外覆盖件成形

铝合金板材机械性能与钢板相比，伸长率较低（只有钢板的1/2），其与成形性相关的力学指标r值仅是钢板的1/3，因此板材的拉延性能、翻边性能与钢板相比相对较低，表2是两种材料的性能对比。对于外覆盖件成形研究，翻边性能更重要，可以通过改

图1 新开发车型高强度钢板的使用比例

变翻边结构得到解决。

（a） GW4G13全铝发动机 （b）GW4G15全铝发动机 （c）铝合金轮毂

（d）铝合金发动机罩盖外板 （e）铝发动机支架 （f）变速器

图2 目前已应用的铝合金制件

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（2）铝合金在底盘类制件上的应用

铸铝合金由于内部疏松、针孔等缺陷的影响，其韧性较差，目前多用于壳体类制件。当用于结构件时，应采用特殊的铸造工艺，如半固态铸造、液态模锻等。对于承受交变载荷的制件，如后摆臂等，多采用锻件。

1.4 以塑代钢材料研究进展

车身结构用塑料的密度在1.19~1.42 g/cm3之间，考虑减重和降成本等综合因素，我公司开展了前端模块、发动机进气歧管、后防撞梁、电瓶支架、座椅骨架、发动机气缸盖等以塑代钢的预研工作，见图3。其中，后防撞梁已完成验证工作并进行批量装

车，发动机进气歧管、发动机气缸盖已批量应用。以塑代钢零件及材料见表3。 1.5 内高压成形技术应用

（1）内高压成形技术的特点

内高压成形是利用管材作为原材料，内充高压液体，可实现沿轴线方向不等截面的复杂零件的一次成形，与传统的冲压+焊接工艺相比，内高压成形具有如下优点。

a.由于去除了焊接搭边及焊缝，内高压成形件可实现减轻质量和提高材料利用率。表4列出了汽车上部分冲压件与内高压成形件的质量对比。

b.减少零件和模具数量，降低模具费用。内高压

（a）发动机进气歧管（b）前端模块

（c）后防撞梁图 3 以塑代钢零件

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提高材料利用率30%。

成形件通常仅需要1套模具，而冲压件大多需要多套模具。例如，副车架纵梁原由6 个冲压件焊接组成改为用内高压成形管材一次成形；散热器支架的组成零件由17 个减少到10 个。

c.可减少后续机械加工和组装焊接量。以散热器支架为例，散热面积增加43%，焊点由174 个减少到20 个，装备工序由13 道减少为6 道，生产效率提高66%。

d.提高强度与刚度，尤其是疲劳强度。仍以散热器支架强度为例，垂直方向提高39%；水平方向提高50%。

e.降低生产成本。根据德国某公司对已应用零件统计分析，内高压成形件比冲压件平均降低生产成本15%~20%，模具费用降低20%~30%。

f.可提高成形零件的精度。（2）内高压成形技术应用状况

目前，公司4款新开发车型的副车架纵梁及后摆臂成形使用了内高压成形技术，见图4。 后续公司拟在新开发的一款SUV车型中，将内高压成形技术应用于车架纵梁的成形，见图5。该纵梁总长4.63 m,沿轴线方向为变截面结构，其截面周长最小为308 mm，最大周长为534 mm，可通过锥形管分3次成形完成。采用此工艺可实现减重34%，

图4 新开发车型应用内高压成形的副车架

图5 内高压成形的车架纵梁

1.6 激光拼焊板应用进展

为实现车身轻量化、满足提高材料利用率、减少成形模具数量、提高车身碰撞安全性和耐腐蚀性等方面的要求，国际上广泛采用激光拼焊的方式来实现不同材料之间、相同厚度或不同厚度、相同材料之间等厚或不等厚的板材的拼接，并可实现一次成形，满足了同一零件不同部位强度要求不一致的要求。据资料介绍，采用激光拼焊板可使零件质量减轻24%，生产时间缩短21%。由于激光拼焊板的诸多优点，在轿车白车身上的应用量逐年提高，见图6。长城汽车激光拼焊板应用案例见表7。

图6 激光拼焊板在当今轿车车身上的应用

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