车身是汽车的四大总成之一,据统计,客车、轿车和多数专用汽车的车身质量约占整 车质量的40%〜60%,货车车身质量约占整车质量的16%〜30%,而各车型车身的制造成本占整车的百分比还高于上述比例。随着新技术、新工艺的不断应用,传统钢结构车身正在被新材料所取代,铝、镁合金制成的车身几乎要比传统车身轻50%,而高强度的碳纤维复合材料要比传统钢制件大约轻60%。采用新型材料尤其是碳纤维复合材料对于减轻汽车自质量和降低制造成本具有不同寻常的作用(图1)。
(图1-不同材料车身质量的对比)
预计未来,汽车自质量平均减少17%(即汽车自质量减轻250kg)。理论计算表明,如果1.4L的轿车自质量减轻100kg,那么它的动力性能就如同装配了1.6L的发动机。同时减轻汽车的质量还可以把悬架装置的负荷降低18%,把振动强度降低5%。
车身轻量化的前提是保证车身的承载性,尤其是碰撞的安全性。车辆的安全性基于车身的耐撞性和吸能性,(图2)所示的是各种新型轻质材料在碰撞过程中对能量的吸收性能,可见它们的不同。正是因为这样,德国人率先提出了车身轻量化结构设计的新观点,即“将合适的材料应用于合适的部位”,所以车身设计进而发展为围绕着承载和功能要求,并且考虑不同部位选择不同材料的结构分析。
(图2-各种材料能量吸收性能的比较)
车身结构的轻量化设计途径有以下两种:
(1)对于已有的车型进行轻量化改进,需要在保证结构整体性能不受影响的前提下,最大限度地减轻各零部件的质量。传统车身结构的轻量化设计就属于这种方法的。
(2)对新车型,在概念设计阶段就将车身结构的设计与轻量化设计结合起来,研发具有刚度性能良好,受力分布均匀合理,并且材料利用率高、成本低的车身结构。新型车身结构轻量化设计就是在概念设计阶段融(图1)各种材料能量吸收性能的比较入了轻量化的设计理念。