本文介紹了車身輕量化研究的意義及其可實施性，需要以成本收益作為前提，並利用實物驗證，闡述了材料、工藝和結構的優化對輕量化可實施性的影響。
進入21世紀以來，國際汽車工業發生了一系列重大變化，在市場競爭日趨激烈，汽車產品的多樣化，客戶對汽車安全性、舒適性和節能要求的提高，著眼於可持續發展戰略，國家對汽車主機廠產品的節能減排的一個必然的發展趨勢下，減輕汽車重量、降低燃油消耗和減少汙染物排放是各個主機廠無法迴避的問題。輕量化節能成為汽車工業發展的核心問題，也是汽車技術研究的熱點問題。
據統計，汽車每減輕質量10%，油耗可降低6%～8%。截至2016年3月底，全國汽車保有量1.79億輛。據預測，到2020年我國汽車保有量將達到2.5億輛，汽車車身佔汽車總質量的40%左右。車身的輕量化對整車的輕量化起著舉足輕重的作用，因此車身的輕量化對於節能減排，環保意義十分巨大。車身的合理輕量化還能提升汽車行駛的動力性、制動性、操穩性、NVH及安全性能，對產品的市場競爭力提升也具有巨大意義。對於主機廠，在做到輕量化的同時，也需要考慮成本問題，這樣企業才能長期保持市場競爭力，因此單純的輕量化研究是沒有多大意義的。目前國內關於車身輕量化的研究仍處於起步的階段，車身輕量化理論模擬的研究較多，考慮成本的輕量化研究更是鮮有報道。為了填補此方面的空白併為後期輕量化研究的目標及評價方法提供依據和標準，本文研究了某些車身零部件優化後材料、工藝或結構對輕量化及成本的影響，並對優化方案作出了綜合評價。
輕量化研究
目前汽車輕量化方法主要分為五大類，即材料輕量化、工藝輕量化、結構輕量化、框架輕量化、邊界輕量化。本文主要以材料、工藝及結構為變量，研究了它們對重量、成本的影響並對其作了綜合性評價。圖1所示為輕量化設計方案。
材料輕量化
⑴高強度材料替代低強度材料。
圖2所示為兩種車型白車身骨架，表1是高強板的使用對白車身重量及成本的影響。按照CNCAP碰撞要求設計的某平臺車型A，單車白車身衝壓件總重量為368.5kg，其中高強板（屈服強度≥210MPa）僅佔白車身的44.75%；按照新CNCAP碰撞要求設計的某平臺車型B增加了高強板使用的佔比，主要用高強板取代地板前端前輪罩及後座椅區域地板上的普通板，高強板的佔比達到68.58%。在相同強度設計條件下可以減少板厚及重量，單車白車身衝壓件總重量降幅37.9kg，節約油耗1.5%～2.3%，單車成本僅增加485.4元。對於客戶的長遠經濟來說，在燃油上可節約一大筆開支。同時高強板使用比例的增加，還提高了汽車車體的抗凹陷性、耐久強度和衝擊安全性。
圖1 輕量化設計方案
圖2 A車型（左）、B車型（右）白車身骨架（灰色：普通板，紅色：高強板）
表1 高強板的使用對白車身重量及成本的影響
圖3 某車型前防撞梁(紅色部分)、後防撞梁 (紅色部分)示意圖
雖然高強板的成形性相對於普通板差，尺寸控制困難，調試周期長，但成形性及尺寸的調控方面對於國內供應商來說已經不是難題。綜合上述分析，用高強板材料替代低強度材料不僅能降低車身重量，降低油耗成本，也為乘客提供了更加安全的駕車保證。
⑵鋁合金材料取代普通鋼板。
圖3所示為某車型前防撞梁(紅色部分）、後防撞梁 (紅色部分）示意圖，表2反映了鋁合金與鋼防撞梁在質量和成本上的差異。可以發現運用鋁合金作為前後防撞梁可以減輕重量37%，但成本增加28%。由於鋁合金延展性比鋼材好，吸能性能好，在碰撞中的安全性有明顯優勢。汽車前部的變形區在碰撞時會產生皺摺，能吸收大量衝擊功，從而保護了後面的乘坐區。鋁合金在防撞梁的運用上性能優勢明顯，儘管鋁合金防撞梁在價格上比鋼防撞梁略貴，但它給乘客帶來的更高安全係數是產品的一大亮點。鋁合金防撞梁也更有利於形成模塊化策略，縮短開發週期，能降低新車型開發風險。
工藝輕量化
⑴熱成形鋼板取代冷衝壓高強鋼。
冷衝壓DP780雙相鋼板組織為鐵素體（80%～90%）、馬氏體的混合結構，Rm≥780MPa，22MnB5的原鋼金相組織由鐵素體和珠光體組成，Rm為550～590MPa，經過熱成形工藝得到的熱成形鋼板，其組織為均勻的完全馬氏體，抗拉強度得到很大地提升，Rm≥1300MPa。熱成形鋼板的抗拉強度遠遠大於DP780，因此熱成形鋼板很適合汽車重要的抗衝擊部位。圖4所示為某車型熱成形零件的分佈（紅色部分為熱成形零件），其側圍裡板總成的子件A柱加強板、A柱上撐板、B柱上加強板、B柱加強板襯板、風窗支柱加強板、頂蓋弧形加強板、頂蓋弧形裡板、風窗支柱內板；車門上的子件前後車門防撞梁、前門側碰防撞加強板；前座椅前橫樑、前座椅後橫樑、後縱梁上加強板、下擋板橫樑等重要抗衝擊和承載區的零件均採用22MnB5熱成形鋼板。以該車型B柱為例，在相同強度設計條件下，料厚為2.2mm的DP780鋼板可以被料厚為1.76mm的熱成形鋼板取代，單件成本節省2元左右，單件重量也減輕0.76kg（表3）。通過計算該單車上的22個熱成形鋼板零件相對於DP780鋼板降低成本2.5%，重量減輕7.3kg（表4），熱成形鋼板的使用既能降低成本又能減重，還能提高汽車車體的抗凹陷性、耐久強度和衝擊安全性，熱成形鋼板在車身上的大量使用是一個必然趨勢。
表2 鋁合金與鋼防撞梁在重量、成本上的差異
圖4 某車型熱成形零件的分佈(紅色部分為熱成形零件)
表3 熱成形鋼板22MnB5與DP780雙相鋼重量、成本對比
表4 某車型用熱成形鋼板取代雙相鋼材料的收益
⑵分體式模壓尾翼改吹塑。
汽車後擾流板（圖5）的作用主要是為了減少車輛尾部的升力，從而增加車輪的地面附著力，改善高速汽車的動力學和操作穩定性，後擾流板的重量對其性能影響不大，主要是形狀起到作用。模壓成形生產出的玻璃鋼擾流板，單件重量2.68kg，而吹塑工藝生產出的ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）樹脂或PC+ABS（工程塑料合金）合金樹脂擾流板重量卻只有1.5kg。相對於模壓成形，吹塑成形減重44%，單件成本降低18%，吹塑工藝能集成複雜的零件，製造工時少，有利於快速的工業化生產，因此吹塑對於某些特殊的零件來說是一個比較理想的加工方法。表5為玻璃鋼後擾流板與ABS，PC+ABS擾流板質量、成本對比。
圖5 某車型後擾流板
表5 玻璃鋼後擾流板與ABS，PC+ABS擾流板質量、成本對比
結構輕量化
⑴分體式取代整體式。
圖6所示為同一平臺的分體式側圍和整體式側圍（兩個大小相近的SUV的側圍）的爆炸圖。從圖中可以看出分體式側圍零件相對於整體式較多，但便於車型的改款，材料的利用率也比整體式的高。分體式側圍可以替代很多加強板，如前風窗支柱加強板等。根據CAE分析，相對於整體式側圍，擁有較薄厚度、較低材料強度加強板的分體式側圍就能滿足碰撞性能要求，表6是分體式和整體式側圍總成的重量和成本的對比。可以看出，相對於整體式結構，分體式結構重量降低37%，成本降低25%，分體式側圍不論從輕量化還是降成本角度上講都是更好的結構設計選擇。
表6 分體式、整體式側圍總成重量及成本對比
圖6 分體式（左圖）、整體式（右圖）側圍爆炸圖
圖7 隔音結構隔音墊（左）及吸音+隔音結構隔音墊（右）
⑵前圍隔音墊結構優化。
汽車在行駛中會產生一定的噪聲，為了消音降噪，會在汽車內飾中加上隔音材料來提升駕乘舒適性。隔音材料的隔音效果與[20log(ρ·ƒ）-47.3]成正比，其中ρ為隔音材料的面密度，ƒ為音頻。以某車型前圍隔音墊為例，初始隔音材料如圖7中左側圖所示，它的結構為兩層結構，靠近鋼板的材料為PU（泡沫塑料）層，外層為POE（辛烯和聚烯烴樹脂組成）重塗層區，噪聲從鋼板處發出經過PU層會被緩解掉一部分，但是沒法完全被根除，大部分會被大面密度的重塗層材料隔離反彈回PU層緩解掉，未被緩解掉的聲波又被重塗層擋回去，噪聲這樣就被徹底消耗掉。儘管這種結構的隔音材料隔音效果較好，但是由於重塗層密度過大，材料較重，為了降低材料重量，設計出瞭如圖7（右）所示的三層結構。近鋼板層為吸音材料軟層毛氈，中間層為隔音膜，它起到反彈聲波的作用，最外層為有一定吸音功能的硬質毛氈，它吸收剩餘聲波。經過試驗驗證這種三層結構的吸音+隔音結構隔音墊相對於兩層結構的隔音墊吸收中低頻噪聲效果略差，高頻較好，整體對比相當。隔音墊一般用於前圍、中央通道、後座椅位置，經試驗驗證計算，三層吸音+隔音結構隔音墊用於單車上能降低車身重量8kg，降低成本16%。這種具有相當隔音效果的結構既能降低車身重量又能降成本，在車身上有很大的應用前景。
結論
通過以上實際案例研究，得出以下結論：
⑴將高強鋼在白車身上的應用比例由44.75%提高到68.58%，車身總重量可降低37.9kg，節約油耗1.5%～2.3%，單車成本僅增加485.4元。對環保和客戶來說是長期受益的。
⑵行駛安全性更好的鋁合金前後防撞梁相對於鋼質防撞梁可以減重37%，但成本增加28%。
⑶熱成形鋼22MnB5比雙相鋼DP780有更高的抗拉強度，使用熱成形鋼取代雙相鋼不僅能降低車身重量還能一定程度降低成本。
⑷吹塑出來的ABS樹脂或PC+ABS合金樹脂汽車後擾流板相對於模壓成形玻璃鋼擾流板能減重44%，成本降低18%。
⑸同一平臺的分體式側圍比整體式側圍重量輕37%，成本降低25%，分體式側圍是一種較為理想的結構設計。
⑹吸音+隔音三層結構式的隔音墊能降低整車質量約8kg，單車降低成本16%。
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