冲压与模具工艺 2022-07-18 16:30 发表于江苏
铝合金是当前汽车白车身实现轻量化最为常用的材料之一，在量产车型中已经实现了大范围的应用，而针对不同的车型定位和设计，铝合金材料的应用策略和设计思路也存在一定的差异。
本文以2021年欧洲车身大会的两款车型——奥迪e-tron和雪佛兰Corvette为例，分析不同的铝合金应用策略。
车用铝合金材料
白车身减重是汽车实现轻量化的关键所在，铝合金以其较高的比强度、良好的耐腐蚀性、成形性以及可连接性等一系列优良特性成为白车身减重的首选材料之一。目前在汽车白车身上常用的变形铝合金包括5xxx系、6xxx系，7xxx系铝合金由于成本原因应用较少。
表 1 汽车白车身常用变形铝合金牌号及性能
铝合金在白车身上的应用情况
1.奥迪e-tron
奥迪e-tron是典型的由上一代钢制车身（铝合金占比18%左右）切换成为钢铝混合车身（铝合金占比50%左右）的车型。奥迪e-tron不仅在覆盖件上大量采用了铝合金材料，而且在车身结构件中也采用了一定比例的铝合金材料。其中主要采用的铝合金板材为6xxx系铝合金，占比达到了42%，如图1所示。
图 1 奥迪e-tron白车身材料占比
从图2中可以看出，上车体各个部件中采用铝合金减重效果最明显的是车顶及横梁，减重比达到了58%，同时采用铝合金的上车体相比于钢上车体减重达到了80.6kg。
图 2 奥迪e-tron铝合金车身减重效果
在奥迪e-tron铝合金方案部件中，最为典型也是设计人员比较关心的点是奥迪e-tron采用的铝合金B柱的方案以及相对应的碰撞安全性结果。奥迪e-tron的B柱上部采用了高强的6xxx铝合金作为外板，7xxx铝合金作为内板，而下部采用了激光拼焊的6xxx铝合金，而B柱设计在应对侧碰的时候也达到了和热成型钢同样的结构安全性，其实这也验证了这种铝合金B柱方案的安全性，如图3所示。
图 3 奥迪e-tron B柱铝合金方案
相比于钢制B柱的方案，铝合金材料的B柱虽然增加了B柱集成件的数量，但是却实现了2.1kg的减重效果，如图4所示。
图 4 B柱结构设计图示
除了B柱之外，奥迪e-tron车顶集成件的设计也做了较大的改变，除了大量采用铝合金材料外，结构做了相应的调整，对于车顶梁进行集成化设计，减少了内衬加强件的使用，从而将原来的20个部件减少到了14个，重量也从48.7kg减少到20.4kg，如图5所示。
图 5 车顶结构设计
由于车顶梁和B柱对于整车碰撞安全性都至关重要，因此铝合金材料替换方案的安全性也成为车身工程设计人员重点考虑的内容，从图6中可以看出，e-tron采用的铝合金材料的比强度与热成型钢相当，甚至稍高于热成形钢，因此采用铝合金材料的方案可以在保证安全性的前提下实现一定程度的减重。
图 6 奥迪e-tron车顶及B柱不同材料方案比强度对比
2.雪佛兰Corvette
相比于奥迪e-tron，雪佛兰Corvette铝合金材料应用具有新的特征，包括铝型材的使用、铸造铝的使用以及铝型材增强嵌入式结构的使用。
图 7 雪佛兰Corvette白车身成型方式分布
1）铝型材的使用。
从图7中可以看出，雪佛兰Corvette使用的材料主要是铝板材和铝型材，C8相对于C7而言，铝冲压件的使用出现了一定程度的降低，主要原因在于铝板材价格的升高，而铝铸件的使用得到了增加。同时铝型材的使用一直都保持在40%，其中一个主要原因是铝型材相对于铝板材而言，模具成本得到很大程度的降低，日系企业在铝型材方面的技术布局也在很早之前就已经开始。
雪佛兰Corvette车身的框架结构上大量采用了铝铸件插入铝型材的方式，如图8所示。插入的铝型材如果采用变截面或者真空结构，吸能效果比一般的冲压件还要高，因此对于强度要求高的地方就可以采用7xxx铝合金代替热成型钢，也能取得非常好的效果。
图 8 白车身框架结构中铝型材的使用
2）铝铸件的使用
对于白车身框架结构中的塔式结构，作为应力集中点，往往需要更高的压溃强度和疲劳强度。使用铸造铝作为塔式结构的材料，由于可以加入更多加强筋设计，因此可以达到比钢更高的强度，如图9所示，更为重要的是通过铸造工艺，可以在调运、装配以及连接方面节省大量的成本，达到更好的经济性，并实现更加低碳的效果。
图 9 铝铸件的使用
3）增强嵌入式结构
由于7xxx铝合金不仅材料成本高于6xxx铝合金，同时在生产效率上也只有6xxx铝合金的三分之一，因此在雪佛兰Corvette上铝型材使用最多的还是6xxx铝合金，但是对于6xxx铝合金，该车型的设计采用了增强嵌入式结构，从而达到更高的强度，如图10所示。
图 10 铝型材增强嵌入式结构使用
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