钢铝混合车身在重型载货汽车轻量化设计中的应用研究

摘要：通过对铝合金车身不同技术路线的对比研究，提出了“型材框架+覆盖件”钢铝混合重载货车车身轻量化解决方案。基于此车身结构完成材料选择、连接工艺对比及解决方案制定，并利用CAE软件对车身的模态、刚度、疲劳、碰撞性能进行仿真分析，各项性能指标均满足产品要求。钢铝混合车身比原钢制车身减重81.5kg，减重22.4%，为后续重载车辆轻量化提供了坚实的基础。为货车车身轻量化设计制造提供参考。

关键词：钢铝混合 重卡 连接工艺 轻量化

前言

随着全球能源与环境问题日益突出，在国家“碳达峰”与“碳中和”战略推动下，各大汽车厂商纷纷制定长期的新能源发展战略。“智能化”技术的需求使得车身重量相较于传统汽车有所增加，更需要通过减轻车身重量来增加续驶里程，解决续航焦虑和车辆耐久性问题。研究表明，对于纯电动汽车而言，整车质量每减少100公斤，续驶里程可增加10%，电池成本可降低15%~20%[1]。

目前国内重卡仍为传统的全钢车身，以冷冲压为主要成形方式，以电阻点焊为主要连接方式，辅以CO2气体保护焊。开发制造成本较低，但车身质量较大。与传统全钢车身相比，钢铝混合车身能更好地兼顾各方面要求，寻求轻量化效果、工艺性、安全性、成本的最优化，是汽车车身结构的发展趋势[2]。其物理化学性能导致焊接性较差，无论是铝与铝之间的连接，还是钢与铝之间的连接，传统的连接技术都无法满足要求。铝合金实现车身轻量化的同时，也对传统的车身制造造成影响。因此开展重卡钢铝混合车身轻量化解决方案研究，在保证车身性能指标的同时实现轻量化具有重要意义。

钢铝混合车身技术路线

通过对乘用车轻量化技术路线的分析，铝合金车身结构主要分为两种：一类是以奥迪A8车型为代表的空间框架结构，一类是以捷豹XE车型为代表的传统钣金冲压结构。两种轻量化技术路线均可使车身减重35%~40%。其中，空间框架结构采用大量型材构建整体车身结构，对关键部位设计铸铝过渡件起加强连接作用，辅以少量冲压件。钣金冲压结构采用铝合金钣金冲压件构建整体框架，辅以少量铝合金型材构建防撞系统，冲压件成品率、冲压质量控制有一定的难度。空间框架结构型材成形精度高、车身加工工艺简单，可大大减少冲压模具投资，特别是前期开发投资成本较钣金结构低。

鉴于重卡品种多、产量低的特点，以及铝型材易于实现系列化、标准化的优势，结合产品定位、性能要求、制造成本、投资及首次开发铝合金车身的需要，为降低技术风险，车身采用“型材框架+覆盖件”钢铝混合结构。

钢铝混合车身结构设计

钢铝混合重卡车身在原有钢制车身基础上进行优化，用铝合金替代部分钢制冲压件，充分发挥铝合金的轻量化、吸能优势，同时兼顾钢材的强度和成本优势。混合车身依然采用非承载式车身，保持车头、侧面及车顶外覆盖件造型面不变，前后悬架安装点、前风挡配合面、车门及铰链及侧围配合结构不变。不同的是车身为框架加蒙皮结构，框架采用铝合金型材组成承载式车架，再用铝板封边，车身依靠铝型材框架结构传力，前风挡上下横梁、侧门开口处采用原钢制冲压件，其余采用铝合金型材替代；机盖地板、后包围为铝合金冲压件，其余为原钢制车身；车门采用钢铝混合结构，车门外板由铝合金板冲压而成，内板总成继续使用原有钢制车身，车门铰链采用高强度、高韧性的锻造铝合金。与原钢制车身相比，钢铝混合车身减重81.5kg，减重22.4%。车身结构及材料分布如图1所示。

图1 钢铝混合重卡车身结构及材料分布

车身铝合金材料的选用

4.1 面板用铝合金板材

汽车用铝合金板材主要有5000系和6000系。5000系（Al-Mg）具有良好的成形性和耐蚀性，但易产生屈服延迟和鲁德斯线，冲压后表面易产生起皱，影响产品外观质量。因此，汽车结构件和非外露内部零件常采用5000系铝合金板材。由于5000系铝合金没有后续热处理工序，因此时效变化很小，可以认为不存在时效硬化现象。6000系（Al-Mg-Si）具有强度高、成形性好，无屈服点延迟，可进行热处理强化，具有烘烤硬化性能，涂漆烘烤硬化可提高零件抗凹痕性能。以6016-T4P铝板为例，其标准板常温屈服强度为90-140MPa，经涂装烘烤后可提高到160-230MPa，因此汽车覆盖板多采用6000系铝合金板材。但6000系铝合金在热处理后会发生时效硬化，随着储存时间的增加，其强度、硬度上升，而塑性则下降。库存需按先进先出原则安排，时效控制期为生产之日起6个月内。

考虑到6000系铝合金成本较高且国内研发尚处于起步阶段，而5000系铝合金成本低且成形加工性能好，钢铝混合车身门外板、地板板、后外板等表面较为平整，没有复杂的曲线。首次开发试制采用目前国内开发应用较为成熟的5182-0铝板作为覆盖件，连接支架及加强件采用铝板5052-0，由于结构简单，成形性能稍弱但强度较高，为H22。为探究铝合金的冲压成形性能，利用现有的钢质门冲压模具试制铝合金门外板。在拉延过程中，门外板窗框处易出现开裂、起皱现象，通过调整冲裁力和冲压速度解决了该问题。问题得到解决，试制品冲压效果如图2所示。后续结构优化需要增大车门外板形状处的过渡圆角半径，优化冲压模具结构。

图2 铝合金门外板原型

4.2 框架用铝合金型材

汽车用铝型材主要有6000系列（Al-Mg-Si）合金和7000系列（Al-Zn-Si）合金，均属于可热处理硬化铝合金。7000系列铝合金强度高于6000系列，属于超硬铝，不易焊接，挤压成型和零件制造成品率低，生产成本高，目前主要用于航空、高端车型的防撞系统等。

车身骨架选用6000系列中强度等级为6061-T6的挤压型材，对于地板纵梁、车顶框架等需要折弯的部位，在T4状态下折弯，再热处理至T6状态，热处理状态下的材料性能如表1所示。

表1 6061挤压铝合金材料性能

车身连接工艺研究

5.1 连接过程分析

对于铝与铝之间的连接，铝合金具有熔点低、导热性好的特点，因此铝合金电阻点焊必须采用大电流、短时间、多脉冲和大电极压力，传统的电阻点焊无法焊接铝合金。对于钢与铝异种材料的焊接，由于二者的物理化学性能差异较大，焊接时界面处易生成脆性的金属间化合物（IMC），导致接头力学性能下降，大大影响接头的质量和稳定性；且钢与铝的热膨胀系数差别较大，焊接时钢与铝的膨胀、收缩不一致，导致接头形成后产生变形和内应力，影响车体的疲劳性能和装配精度。对此，国内外技术人员进行了大量的研究，到目前为止，这一问题还没有得到彻底解决，因此无论是钢与铝的熔化焊还是固相焊都没有在车体制造中得到广泛的推广和应用[3-4]。此外，钢与铝之间化学电位差较大，接触界面易发生电化学腐蚀，影响接头质量及后续性能，因此传统用于钢车身的电阻点焊、CO2气体保护焊无法满足钢铝混合车身连接的要求。

目前，车身铝与铝、钢与铝部件之间的连接主要采用机械连接、新型焊接、胶粘剂混合应用等方式，其中机械连接技术广泛应用于不同材质部件之间的连接，可有效克服铝等轻金属导热率高、热容量小、易氧化等缺陷，铆接工艺能耗低、无热效应、不会损伤涂层。钢铝混合车身常用连接工艺对比如表2所示。

表2 钢铝混合车身常用连接工艺对比

5.2 钢铝混合车身连接解决方​​案

钢铝混合车身综合应用铝型材、铝板、铝铸件、钢板等多种零部件，根据不同连接工艺的特点及适用范围，同时考虑车身不同部位的性能要求、工艺成熟度、生产效率、制造成本，车身连接采用自冲铆接（SPR）、热熔流钻铆（FDS）等先进的连接技术和MIG焊、抽芯拉铆等经济的技术方案，并在钢、铝接触面涂覆结构胶，防止电化学腐蚀，同时提高接头连接强度。

其中，车身型材骨架连接以MIG焊接为主，壁厚≥2.5mm型材端部切割提高接头焊接强度，关键部位增设铸铝连接件，与型材芯铆接。钢与铝冲压件连接以自冲铆接（SPR）为主，型腔部位以抽芯铆钉为辅；铝与铝冲压件连接采用铝合金电阻点焊（RSW）；钢与钢冲压件连接继续采用原有焊接工艺。铝型材框架与盖板连接以FDS为主，设备无法到达的部位采用抽芯铆接代替。对于可热处理强化的6000系列铝合金，当母材状态为T6状态时，由于焊接热影响区软化，接头强度只能达到母材退火状态（O态）的强度。在结构设计时需要考虑焊缝强度减弱对车身结构的影响，在仿真分析时，可以对焊缝两侧进行削弱处理，尽量模拟实际情况，如减薄焊接面积等。

CAE仿真分析

6.1 刚度及模态仿真分析

白车身模态参数是影响驾驶舒适性的重要指标，低阶模态反映了车身整体的刚度性能，从整车振动角度考虑，应控制白车身的主要低阶振型（一阶弯曲和一阶扭转）。钢铝混合白车身一阶扭转振型计算分析结果如图3所示，扭转刚度和弯曲刚度计算分析结果如表3和图4所示。由分析结果可知，钢铝混合车身一阶扭转自由模态固有频率为24.4 Hz（原钢车身为23.0 Hz），可以避免发生共振；钢铝混合车身扭转刚度较原钢车身提高33%；弯曲刚度工况1提高30%，弯曲刚度工况2降低5%，均满足车身相应指标要求。

图4 钢铝混合车身刚度分析

表3 刚度计算结果