浅析多材料混合车身设计

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旺材汽车轻量化

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混合材料的车身结构设计是在适用的情况下将铝、高强度、超高强度钢，镁、塑料以及复合材料一起组合使用。其中“适用”的基本意思是一方面使用最佳的材料实现适当的功能，比如：驾驶性能，安全性和燃油效率。另一个方面是实现整体的成本经济性的轻量化设计。

2003年，德国豪华汽车品牌宝马推出了5系和6系车型，率先实现了前瞻性的混合材料概念，该系列将铝制前部结构与钢制乘客舱相结合，前端几乎完全由铝组成。这种设计不仅可以显著减轻重量，还实现了理想的50/50车轴负载分布。

5系轿车车身材料为：18%铝合金（包括前端底座、发动机罩和前挡泥板）；20%深冲压钢；42%高强度钢；20%AHSS。

对于6系轿车（包括铝车门），铝合金的份额增加到26%。然而，随着2010年新宝马5系和6系轿车的推出，铝前端被取消，宝马重新采用了完整的钢制车身。

BMW 5系（E60）的铝前端

铝前端总共包括101个零件（铝和钢的冲压件，铝挤压件、铝高压压铸件和液压成形铝管）。 有86个铝和15个钢零件。各自的重量份额为：29.4公斤铝和16.4公斤钢。前端的制造采用了不同的铝合金：

冲压件：EN AW-5042（AlMg3.5Mn）,EN AW-5182,EN AW-6008（T4）

焊接管：EN AW-5042

挤压件：EN AW-6060（T5），EN AW-6082（T6）

铸件：Magsimal-59™ （EN AC-51400DF）

冲击挤压加工件：EN AW-6082。

前纵梁是EN AW-6060合金挤压型材，在外部与EN AW-6008板材组合在一起。挤压型材（合金EN AW-6082）封闭前端，并用作前部碰撞管理系统的过渡板，悬架支柱圆顶是一种高压压铸件。前窗下横梁一开始是由AlMg3.5Mn制成的纵缝焊管（壁厚1.4，直径95 mm），该管分两步弯曲和液压成形，中间退火以提高可成形性。所有铝制零件在组装前都经过转化涂层。

前端的铝型材

前端的组装使用了以下连接方法：

自攻铆钉：598个铆钉

电阻点焊：140点

MIG焊接：3.1 m

激光焊接：1.7米

螺柱焊接：48个螺栓

胶接接头：共15.8 m（铝/钢6.7 m）。

粘合胶（使用环氧粘合剂Betamate 1480）始终与自攻铆钉结合使用。为防腐蚀，自攻铆钉涂有ALMAC涂层，接头采用PVC密封。这种方法还可确保铝/钢接头的耐腐蚀性，其中粘合剂起到隔离层的作用。一个具体的挑战是MIG焊接薄铝组件。为此，采用了Nd-YAG激光焊接（使用AlMg4.5Mn填充金属）对液压成形横梁进行焊接。

除了宝马的两款车型，保时捷在2012年推出了911 Carrera轿跑版本和敞蓬版本，这款车具有全新设计的轻质铝钢车身结构。基于在正确的地方使用合适的材料的设计理念，车身广泛使用铝来减轻车辆重量，与不同强度的钢元素相平衡，使车身更为坚固，为乘员提供最佳保护。

零件对于车辆的被动安全性来说是特别重要的部件，如内车顶框架和B柱，均采用超高强度硼合金钢制造。B柱之间安装了由方形超高强度钢制成的连续侧撞支撑杆，侧板也用高强度部件加固，例如门槛和车门加固梁。新的模块化车顶设计在重量方面也有优势。对于不带滑动天窗的车型，车顶的钢制外壳可以更换为铝制。与前一款车型相比，铝钢车身的动态扭转刚度提高了25%。

保时捷911 Carrera的材料

其中，铝材用于约45%的车身外壳，包括地板、车顶、车门、发动机舱盖和挡风玻璃前面的所有结构和外部面板。除了乘客舱外，钢材主要用于后顶盖侧板和门框，这是一个复杂的单个零件，需要七个单独的冲压步骤。镁材用于驾驶舱和中控台支撑梁，在敞篷车版本中，用于发动机罩壳。

敞蓬车版本的重量为1,470千克，比前代车型轻60千克。另一个有趣的事实是敞蓬车和轿跑车之间的重量差异，敞篷车只比轿跑车重70公斤，而通常的重量差在100公斤左右公斤。敞篷跑车具有折叠式织物顶棚，主要采用铸造的镁合金框架，铝仅用于少数发动机罩框架连接。

另外，2012年推出的第三代Boxster（981）的底盘也是铝钢混合结构，与911相似。铝占据白车身的46％。铝制零部件包括前阀盖的外部面板，引擎盖和门以及地板等零部件，以及舱壁，门框以及用于固定防滚架的框架和几乎整个前后结构的零部件。高强度钢和硼钢主要用于客舱周围，以最小的空间需求提供必要的防撞保护，仪表板支撑和柔软的车顶框架由镁制成。总体而言，与之前的车型相比，扭转刚度提高了40％，车辆自重减少25-35公斤。

保时捷Boxster（981）中的材料

保时捷的这两款车都使用混合材料，但是铝还是主要的结构材料。对于敞篷车，铝或纤维增强塑料是车身材料的不错选择，因为汽车前部和后部之间的唯一连接是中央管和底框梁。

保时捷的新款Cayman的车身是基于Boxster白色铝钢混合车身而开发。新款Cayman白色车身约44%由铝制成，包括前车身、地板和后车身、车门以及前后行李箱盖，结构重量减轻了47公斤。同时，该车的静扭刚度提高了40%。

保时捷Cayman的材料

新款Cayman车型得益于压铸铝、铝板、镁和高强度钢的使用，重量为1320公斤。

（本文完）