一款中大型车的车身轻量化应该如何设计

文：Kimi | 飞灵汽车

　　汽车轻量化是近几年行业内一直热议的话题，各大厂商在推出换代产品时，经常会宣称相对上一代产品实现了整车质量减重XX公斤。这对消费者的传统观念是一种挑战，他们会认为这是厂家在偷工减料，车变轻了开起来会发“飘”。其实这是个误区，发“飘”这种驾驶感官实际主要与底盘和转向系统的调教，以及空气动力学等因素有关，与车重并不是直接划等号的关系。可有人听过F1的车手们抱怨300多公斤重的F1赛车在300km/h的时速下发飘？

　　那为什么汽车要“玩”轻量化？

　　首先我们得说说什么是汽车轻量化。汽车轻量化的概念就是在保证汽车车体的强度、刚度、模态以及碰撞性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性和安全性，减少燃料消耗，降低排气污染。

　　汽车轻量化对于传统燃油车来说，到底有多大影响？

　　汽车轻量化的这个释义我们很好理解，同等动力配置下的汽车，汽车整备质量越轻，动力性和操控性肯定越好，制动距离也越短。油耗越低，排放污染也就越少。但是到底对油耗和排放有多大的影响呢？我们来看看几组官方的数据。世界铝业协会的报告指出, 汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；某汽车厂商的研究成果认为，汽车整备质量每减少100kg，每百公里二氧化碳排放可减少8~11g，百公里油耗可降低0.3—0.5L。尽管说法不太一致，但是都表明了轻量化对节省燃油都有直接影响。

　　这组看似很漂亮的数据，对于大多数企业来说，实现起来并不是那么容易。目前实现汽车轻量化所依赖的材料（铝合金、碳纤维、玻璃纤维等）由于供应链稀缺，以及复杂的制造工艺的原因，设计一台高性能的轻量化车身（车身减重比例可达40%）相比传统钢制车身，成本反而更高。所以目前轻量化也仅仅只是一些国际一线厂家在豪车上的“炫技”。那么对于一款成本控制相对较高的中大型车来说，如何在保证汽车的车体强度、刚度、模态以及安全性能的前提下，还能实现轻量化呢？

　　最近即将上市的一款新车引起了飞灵君的关注，上汽通用汽车全新一代君越，比上一代君越整车减重200公斤。对于一款中大型车，轻量化能做出如此好的成绩，飞灵君表示是比较惊讶的。飞灵君就用新君越的这个案例来说说一款中大型车的车身轻量化该怎么设计。

　　对于一款轴距超过2900mm的中大型轿车来说，普通钢制白车身（未涂装之前的车身，不包含四门两盖）的重量大约在380公斤左右。而轴距为2837mm的上一代君越的白车身重量为400公斤，新一代君越的白车身减重约90公斤，轻量化比重高达22.5%。如此高比例的减重，车身性能是否能得到保证呢？飞灵君从通用内部拿到的数据显示，新一代君越的车身扭转刚度高达23100Nm/Degree。这是一个什么概念呢？在目前大多数企业的车身设计标准中，轿车的弯曲和扭矩刚度的设计目标一般在16000 Nm/Degree到18000Nm/Degree左右，新一代君越的这组实验值远超多数车型的设计目标。而弯曲和扭转的刚度是衡量汽车在过颠簸路面时，汽车车身抵抗前后弯曲和左右扭转变形的能力，换句话说就是衡量车身对于底盘和动力提供刚性支撑的能力。弯曲和扭转刚度的提升带来的直接影响就是提升了汽车的行驶品质，降低了因为车体扭动而产生的晃动和异响的可能性。同时刚度的提升，也会伴随整车的弯扭模态提升，可以更好的抑制噪音以及其他振动源对于车身的共振作用。

　　车身设计是如何兼具高强度和轻量化的？

　　在目前车身设计中高度智能化、仿真精度高的三维设计软件的辅助下，车身设计目前实现轻量化的最主要的两种方法：一种是用密度相近，但是强度更高的钢材去替换低强度的厚钢板；一种是用密度更小，强度更高的复合材料去替换低强度的厚钢板。

　　全新一代君越车身高强度材料的使用比例高达75%，超高强度钢比例达到41%。高强度钢的实用，可以让君越的车身在设计时采用更小的结构尺寸的零部件去实现更高的车身性能，同时重量更轻。以A柱为例，得益于强度达到1500MPa的PHS热成型超高强度钢材的应用，在安全性提升的前提下，全新一代君越的A柱法向横截面积缩小27.5%，这让驾驶员的A柱障碍角变的更小，减重之余还提升了驾驶员视野。除此之外，如引擎盖、防撞梁等部位均采用了铝合金材料（铝合金材料的使用可以使被使用部位减重40%左右），大幅降低整车重量。这就不难理解为什么新一代君越能实现如此高比例的减重了。

　　为了提升车身结构核心区域的强度，新一代君越对这些区域的材料使用进行了针对性的选用和设计。在A柱、B柱、门槛梁、车顶以及地板横梁等影响正碰、偏置碰、侧碰等碰撞安全以及车身强度性能的核心区域，屈服强度在900-1500MPa（常规高强度钢的屈服在340~780MPa之间）的超高强度钢和热成型钢被大量使用，极大提高了整个车身的刚度和强度；前后车门内，则采用了最高规格的PHS热成型钢作为防撞梁，来提升侧碰的安全性。

　　全新一代君越以安全作为车身架构的核心目标，构建起牢固的车身笼架，并有针对性的设计了吸能区域和碰撞传递路径，最为重要的正面三条力传递路径分布于车底，分别位于前壁板至B柱、中央通道至后排以及中央通道两侧的小纵梁之上，能够有效的将正面碰撞的力量进行传递和缓解。针对侧碰或后碰的力量，也分别设计了相应的防护与缓冲结构，在车辆受到撞击后能将冲击力逐层分解吸收，保证乘员的安全性。

　　在能源消耗过快和环保形势日趋严峻的今天，轻量化设计是汽车设计发展不可避免的趋势，所带来的效果也是非常直观而有效。新一代君越仅白车身就减重90公斤，所带来的直接效益就是油耗每百公里降低了接近0.4L。整车200公斤的轻量化减重则有1L油耗降低的效益。随着车身重量的降低，全新一代君越的动力表现和操控乐趣同步提升，再结合优化后的动力系统，让这款中大型车百公里综合油耗低至6.2L，相比上一代百公里油耗降低了2L。双管齐下，新君越在能耗节省方面的效果可谓立竿见影。

　　综述：新一代君越的车身在大比例减重的同时，还能通过结构优化，以及大比例高强度钢的使用，提升车身各方面的性能以及安全性。同时降低了油耗，提升了车辆的操控和动力性能。相比于帕萨特也实现了车身减重85公斤的轻量化成绩，新一代君越与之相比，有过之而无不及。