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关于车身轻量化及其成本的未来发展趋势
Frank Nehuis, Sebastian Kleemann, Patricia Egede, Thomas Vietor and Christoph Herrmann
摘要：为了节省资源及对产品的二氧化碳平衡性更加看重，轻量化设计已经与很多工业部门产生联系。轻量化设计中有多种不同的减轻车辆重量的方法，例如：材料替代或使用轻量化结构类型。使用传统材料来实现轻量化正在达到其极限。出于这个原因，纤维增强塑料等轻质材料越来越受欢迎。但是，这些材料的成本非常高，通常只用于跑车或高级车辆中。为了解决车辆成本和减轻重量的矛盾，必须开发新的轻量化方法以进行大规模生产。只有以大量客户的需求为起点，通过新的方法才能得到关于新材料发展方向的机会。其中一种方法是将纤维增强塑料与现有的金属材料结合起来。这被称为多材料或混合设计。在这种方法中，这两种材料的优点被用于特定的应用。只有这样才能有效地使用轻量化潜力并使成本合理。对于车辆来说，多材料设计特别适合用于设计白车身。在这里，几乎每个组件都可以用新的轻量化方法来减重。例如，混合材料可以同时增加刚度并减轻摇臂的重量。为此，需要分析摇臂的负载情况，以确定需要的负载频率和幅度。此外，为了设计具有薄壁部分以及最小安全系数的部件，必须确定预期寿命。之后，根据负载情况确定混合材料的材料组合。通常光纤增强塑料放置在具有拉应力的区域。反之亦然，金属材料被放置在具有压缩应力的区域。理想情况下，为了设计组件，应该有实际负载作为限制。在这种情况下，可以发挥轻量化设计的最大潜力。新的轻量化技术将在开放混合实验室工作室内与研究机构和工业公司一起开发。为此，我们非常感谢联邦教育和研究部为该研究项目提供资金。
关键词：车身设计，多材质设计，轻量化设计
1介绍
客户对汽车舒适性，安全性或驾驶动力学的要求一直在不断上升。过去，为满足这要求必须使车辆重量增加。然而，通过使用轻质材料（轻金属，高强度钢或光纤增强塑料）开发新车概念，这一发展趋势将被终止。使用轻质材料能使车辆重量保持恒定或略微下降，特别是在使用传统传动系统的车辆中，整车质量得到了更好的下降效果。考虑到未来汽车的质量、生态和经济标准，这种轻量化的趋势必须继续下去[1,2]。
近年来，轻量化设计已成为汽车工业设计中的重要部分，例如：减少二氧化碳排放量或减少原材料的使用。而未来的轻量化设计仍将是减少二氧化碳排放的关键。目前的研究表明，继续使用电动或混合动力传动系会使得车辆重量增加, 因此在车身开发中更加需要使用轻质材料[3]。
在减少排放和面对要求降低汽车行业汽车车辆的平均二氧化碳排放量的严苛的欧盟法规面前，车身设计将发挥重要作用。这种情况使得那些在市场上的用轻质材料设计的车拥有巨大的潜力。在质量部分环节中，即使车辆重量适度减少，也会对二氧化碳排放总量产生巨大影响。但传统的设计和材料正在达到极限。 出于这个原因，必须追求在大众领域使用轻质材料，如纤维增强塑料[4,5]。
纤维增强塑料与钢或钢铝结构的组合目前不适用于大规模生产。这是由于纤维材料的高成本现状造成的。另外，生产纯粹的纤维增强元件的工艺时间很长。因此，纤维增强组件的混合结构似乎更适合于大规模生产。使用多种材料设计也会对整个车辆产生影响。另外，轻质材料的生产增加了能源的消耗，在生产过程中需要更多的资源。例如：碳纤维增强塑料的使用在生态环境摊还，每年的里程为85,000-130,000公里，仅在少数使用情况下才能达到[6]。在这种情况下，除了新的制造技术之外，还有必要设计创新的车辆概念和部件。此外，必须对能源和资源消耗进行全面的产品生命周期检查。全面考虑到这些因素，所要的轻量化概念才可能会成功提出。
2模块化车身轻量化
在用于组装车体的现代生产过程中，生产商们正在追求模块化概念。由于模块化，尽管车型不断增加，但仍可能实现生产出具有成本效益的车辆。模块化车身概念获得成功的关键要素是在整个车辆设计方面要尽可能地提高其灵活性。灵活性要求使设计师有可能开发出不同的车辆概念并以此满足个人客户的要求[7,8]。车辆变型的数量多少可以通过将车身分成标准化模块的实际情况来决定。车身将被分为基本模块和装配模块，其中，模块还会包括一部分支撑结构 [9]。如果一个模块完全由结构元素组成，则称为基本模块。如果模块还包含其他元素，并且未在车身车间组装，则称为装配模块。因此，装配模块总是包含一个基本模块[10]。为了组装结构，车身在特定的接口处被分成各个模块。在图1中示出了车身的典型模块。
图1车身典型模块，可用于生成不同的车型（在此图中以小型车为例），[10]
用于装配不同种车身的不同模块通常在其生产批次中明显不同。因此，不同批次的每个模块都该生产。以一辆敞篷跑车为例对此进行说明：车身基本模块通常可用于多种车型。正因为如此，它可以在一个巨大的批量生产成本效益。但是跑车的其他车身模块通常不能用于其他车辆概念。因此，这些部件只能小批量生产，所以他们相对昂贵。故而，为了在车身上应用新材料，必须考虑模块化和成本方面。
为了在车身设计中实施新的轻量化技术和策略，应该使用现有的和具有成本效益的生产工艺。一种可能性是使用现有的制造工艺，例如，用于生产钢体或钢铝混合结构的制造工艺。这两种制造工艺都经常在实践中使用并已经过多年优化。 此外，另一种方法是多材料的特定的连接技术的不断发展。然而，与基于纤维增强塑料的概念相比，这些制造工艺的减重潜力有限[11]。
为了生产具有高度轻量化潜力的高性价比车身，批量的大小会影响设计、材料选择和制造过程。建议按正常要求制造车身壳体结构的基本模块。对于小批量，模块可以采用资料密集型设计制造。在这里，与制造大型冲压机的壳体结构来完成深拉工艺相比，用于制造这些工具的轮廓的投资成本更低。出于这个原因，以小批量生产的车辆的基本模块应该在壳体设计和组装模块中作为概要来生产。 图2根据每年生产的量提供了材料选择的视图。
图2根据制造单位每年选择用于设计车身的不同材料[10]
为了给不同模块选择材料，一个目标是提高轴载分布并降低车辆的重心。最后的修改将通过调整组件的材料质量或在特定区域使用增强材料来完成。模块之间的接口必须能够改变材料并补偿公差。作为例子，考虑A柱和地面模块之间的接口：在这个区域中，将几个车身模块放在一起，这些模块可以由不同的材料组成。组合这些模块的一种可能性是设计特定的节点元素。节点元素有助于解决由材料组合引起的问题。用于连接不同材料的技术，例如，粘合剂粘合。粘合剂粘合可以补偿不同的公差。同时，这种粘接类型可以传递较大的力。此外，结构泡沫的使用中允许一定的公差补偿以及不同结构元素和材料的组合。
3新材料及其生产过程
使用纤维增强塑料优化的组件和结构可以减轻车身重量。同时，部件的刚度和强度可以保持甚至提高。航空工业可以看到纤维增强塑料的广泛应用。由于材料成本高，制造和加工中的能源消耗问题，与现有制造工艺的不兼容以及自动化水平低，这些材料目前很少用于汽车行业。尽管进行了深入的研究，但它们仅用于跑车或豪华车。此外，生产过程中的能源和资源流动必须建模，以评估经济和生态影响。生产方面的可能性必须明晰，并且必须从设计角度出发考虑可能的改进措施。诸如几何优化或材料替代等常规轻量化策略已经最大化，因此需要新的轻量化策略来继续减轻重量。一种新的策略是多材料系统[4]。它们的特点是组件内部各种材料的相互作用，这些材料适用于功能和负载。在汽车行业中，现有方法通常只关注子系统或模块[5]，追求新的概念（例如BMW iConcept），这些概念需要新的工艺链和制造工艺，或者用另一种材料替代一种材料（例如SuperLight Car）。但是多材料系统会对部件和整车设计产生影响。为了将多种材料系统集成到现有的工艺链中，组件对材料性能以及连接和制造技术的要求会受到影响。理解这些要求之间的关系是多材料设计中的一大挑战[12]。
4车身未来趋势
研究小组ForschungsCampus--“经济型和多功能轻型新型制造技术”旨在为多材料设计开发设计方法和创新生产技术。在这个小组内，重点是使多材料设计适用于灵活车身的批量生产。为了合作，一个开放的研究工厂将为研究工作提供框架。 研究小组ForschungsCampus的战略见图3。
图3在研究组ForschungsCampus内实现汽车行业新型轻量化潜力的战略
第一步，开发混合轻质部件的经济生产技术。之后，将建立制造多材料系统的工艺链。基于此，将测量新生产链的能源和材料流动，测量将有助于改进有关能源需求和材料消耗的生产过程，这些测量还可以计算确切的生命周期数据。根据这些数据，研究小组可以评估多种材料系统的经济和生态影响。工艺链的能力也可以估算。
此外，该研究小组将考虑到新的生产技术和生命周期分析，开发特定于组件的特定设计概念。设计目标是为多材料系统与传统材料的组合提供一般设计规则。 之后可以使用这些规则在每种特定情况下设计一个具有轻量级潜力的多材料组件。除了开发多材料部件的设计规则之外，研究小组还将指导当前和未来的行业项目，将技术转化为实践[13]。
此外，相关证明人将验证该组织在整个产品生命周期中，有能够考虑到从产品要求到生产能力这一结果。该研究小组将以整合轻量化材料和生产研究的成果，以设计生态合理和经济的可持续车辆车身，并着重于大批量生产的车辆提供指导。
已有的创新材料与混合材料或复合材料的结合问题是将纤维强化塑料转化为大量生产的关键问题。为了在汽车行业建立新的可能，必须提供新的方法和工具。这些方法和工具将为最佳材料和工艺组合提供建议。在研究小组内，这些是五个主要目标：
- 确定与轻型设计中的车身相关的批量生产用例：
识别不同车身的用户配置文件和应用场景，其中可以考虑使用轻量化设计。从经济和生态角度确定轻量化材料的最佳使用。
- 调查轻量化概念的相互作用和影响
车身的要求：确定多种材料系统的限制和潜力，以减少车体重量。针对多种材料系统的用例给出特定应用的建议。
- 建立一个模型来回答经济和生态问题
多材料设计在整个生命周期中的影响（生命周期预测模型）：根据应用场景，设计参数，所选材料和不同生产场景，进行生命周期导向型混合轻质材料的分析和评估。
- 多功能模块开发车身概念：
零部件和装配件将作为证明而开发，展示多材料设计的潜力。设计规则将用于设计证明。这些将显示其在技术，生态和经济方面的潜力。
- 分析和评估新能源和资源的效率过程链：
对不同工艺链中的能源和资源流的持续测量和基于软件的建模将为计算生态和经济影响提供可能。除了设计之外，与生产相关的行动领域也将被确定。分析将提供改进流程链的措施。
5结论
一方面，在没有新技术支持的背景下，对车辆高舒适性，高安全性和更好驾驶动态的要求趋势导致车辆重量增加。另一方面，希望能够通过减轻汽车重量来提供更高效，更环保的车辆。通过开发新的汽车概念和集中使用轻质材料（轻金属，高强度钢和光纤增强塑料），停止整车质量不断上升的这种趋势。所以目前车辆重量处于一个恒定的或稍微下降的水平。尽管如此，必须开发新的轻量化技术和策略，以进一步减少整车重量。
纤维增强塑料与钢或钢铝结构的组合有可能实现更大的重量减轻效果，尤其是在车身中。因此，有必要开发新的制造技术，并在生态和经济方面对设计部件和组件进行资格认定。 研究小组ForschungsCampus致力于开发特定的设计方法和创新的生产技术，以确定批量生产的多材料设计。
鸣谢
该研究组将在ForschungsCampus开发新的生产技术和设计规则--“经济型和多功能轻型新型制造技术”。 在这个小组中，他们将为车身设计创新的多材料部件和组件。 该项目的结果将为轻型车辆的生产工艺和产品设计提供基础知识。
作者衷心感谢德国联邦教育和研究部（BMBF）支持ForschungsCampus项目以及参与该项目的公司。
参考文献
1. Wallentowitz H, Freialdenhoven A, Olschewski I (2008) Strategien in der Automobilindustrie—Technologietrends und Marktentwicklungen, 3.Vieweg Teubner
Verlag, Wiesbaden. ISBN 9783834807250
2. Nehuis F, Saacute;nchez Ruelas J, Stechert C, Vietor T (2013) Robust conception of vehicles considering region-specific requirements. In: Proceedings of the 19th international conference on engineering design (ICEDrsquo;13), Seoul
3. Nationale Plattform Elektromobilitauml;t (NPE) (2011) Zweite
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