深度解讀沃爾沃XC90鋁合金新材料的運用

沃爾沃XC90，不但 是VolvoXC系列車中的頂級產(chǎn)物 ，并且 是Volvo汽車在全球初次 推出的全輪全時驅(qū)動新一代SUV車型。XC90是Volvo最為高傲 的產(chǎn)物 之一，其主旨 是成為市場上最平安 也最讓 人 心動的完善 產(chǎn)物 。自推出市場以來，沃爾沃XC90即博得 市場好評如潮，前后 獲得世界幾十項獎項，在美國被評為“年度最好 SUV”。今朝 ，沃爾沃XC90為其所屬系列下的最新車系。

圖2021款沃爾沃XC90側(cè)視圖

1、 車型根基 信息

SOP時候 (month/year)：02/2021

所屬車型品級 （歐洲）分類 (A, B, C, D, E, F, S, M, J)：J活動 型越野車

注：歐洲車型分級：A: mini cars；B: small cars；C: medium cars；D: large cars；E: executive cars；F: luxury cars；S: sport coupes；M: multi purpose cars；J: sport utility cars (including off-road vehicles)。世界列國 對車型級另外分類詳見：Car classification（http://en.wikipedia.org/wiki/Euro_Car_Segment）。

車型尺寸：長*寬*高=4.262m*1.796m*1.611m中型

前輪距：1.548m

后輪距：1.549m

軸距：2.984m

車身腳印面積：= (Track, front + Track, rear)/2*軸距=4.983m2

圖為2021款沃爾沃XC90整車尺寸

2、 車身輕量化設(shè)計

圖3為CX90的白車身布局示意圖，圖中零件的色彩 示意為分歧 用材環(huán)境。

1）白車身總重量：505.0kg，指包羅四門兩蓋等籠蓋 件，和 保險杠橫梁的非油漆車身重量。個中 ：

白車身骨架重量：401.3 kg，

白車身開啟件和翼子板重量信息：

閣下 前門總成：37.5 kg

閣下 后門總成：32.8 kg

發(fā)念頭 罩蓋：12.9kg

后備門(帶搭鈕 )：15.6kg

閣下 翼子板 (雙方 之和) ：5.2kg

圖為：2021款沃爾沃XC90車身布局

2）車身輕量化設(shè)計：

作為一款奢華 車型，輕量化手藝 的利用尤其 重量。圖4給出了新款Volvo XC90相對 上一代車型的車身輕量化方案利用及其對重量下降 闡明。個中 第二代XC90為了提泰平承平 安 機能 增添 15kg；為了改良 NVH機能 增添 14kg；由于尺寸的增添 而增重約9kg。但通太輕 量化的布局優(yōu)化和輕量化材料的利用，又使得車身減重60k，終究 綜合起來反而比上一代車型減輕22kg，且平安 性和舒適性等機能 也獲得 了晉升。

圖為：2021款沃爾沃XC90與上一代車型輕量化水平 比較

全部 輕量化優(yōu)化進(jìn)程 遵守 的原則及采取 的主要方案包羅：

1）重量哄騙效力 （Weight efficient）最年夜 化，也即哄騙起碼 的重量到達(dá) 對勁的機能 目的 ；

2）年夜 量利用含硼熱成形鋼（High amount of boron steel）的利用，即經(jīng)由過程 熱沖壓成形手藝 實現(xiàn)高強化，繼而減薄的零件的厚度，實現(xiàn)輕量化。

3）采取 鋁合金零部件（Aluminum components）

4）減薄地板的材料厚度（Thin body panels）

關(guān)于車身的機能 設(shè)計，坊間有個說法：車身機能 設(shè)計，80%在于知足 剛度（與平安 、舒適、NVH和靠得住 經(jīng)久 均有關(guān)），而20%的設(shè)計是知足 強度的要求（平安 和靠得住 經(jīng)久 ），一個優(yōu)異 的車身設(shè)計是用最小的重量來實現(xiàn)如許 的設(shè)計要求。XC90在晉升車身剛度方面的方案主要有：

1)高剛性環(huán)狀設(shè)計（Stiff ring structures）理念，其包羅布局外形 環(huán)和與材料強度相干 的強度環(huán)，也就是在布局上實現(xiàn)環(huán)狀的毗連，同時也要包管 毗連環(huán)的每一個 部位都需要有必然 的強度包管 ，不會由于 局部的強度或剛度不足而致使 “木桶效應(yīng)”，減弱 環(huán)狀布局對車身晉升的結(jié)果 。圖5為車死后 部某剛性環(huán)示意圖。

2021款沃爾沃XC90車身尾部剛性環(huán)示意圖

2)高剛性的減震器支座（Stiff shock tower）。固然 材質(zhì)選用的是彈性模量較低的鋁合金（約為鋼的1/3），采取 高壓鍛造 工藝，見圖6。。減震器支座采取 模塊化設(shè)計成一個整體，經(jīng)由過程 增強 筋的優(yōu)化，使得剛度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋼板沖壓焊接式的shock tower，傳同一 般3-5個零件，采取 沖壓后再進(jìn)行點焊或弧焊的工藝毗連成一個總成。

圖為：2021款沃爾沃XC90壓鑄鋁合金利用位置

3）增添 剛性毗連前副車架（Bolted front subframe）

4）增添 貫串 式橫向地板橫梁（Lateral floor cross members），使得地板布局剛度延續(xù)，進(jìn)而包管 車身剛度的要求

5）側(cè)邊零件采取 高剛性的截面（Side members with high sections）

經(jīng)由過程 以上體例，新款XC90剛度較上一代車型提高了3600Nm/°，到達(dá) 25,000 Nm/°，提高了16.6%，車身一階模態(tài)也提高近10%，到達(dá) 37Hz。且車身剛度和模態(tài)提高的同時，而車身的重量卻下降 了22kg。依照 今朝 行業(yè)評價車身輕量化水平的指標(biāo)--車身輕量化系數(shù)來測算，車身輕量化系數(shù)由4.2下降到3.2，降幅到達(dá) 了23.8%。作為一款以鋼質(zhì)車身的年夜 型SUV，車身剛度到達(dá) 25,000 Nm/°，已 是相當(dāng)高的水平了（國內(nèi)今朝 緊湊型SUV一般在15,000 Nm/°）。在筆者上一篇《Fiat 500X白車身用材解析中》也述及：“奢華 車型，可以經(jīng)由過程 提高剛度來改良 操控性。”，XC90車身較高的剛度有益 于改良 其操控性。。

圖7為XC90車身輕量化系數(shù)示意圖

3、 白車身用材環(huán)境

3.1車身用材環(huán)境

圖8為Volvo XC90的白車身（包羅四門兩蓋）用材環(huán)境，由圖可知，白車身用材以鋼為主，部門采取 鋁合金和塑料復(fù)合材料。個中 傳統(tǒng)軟鋼僅為29%，主要用在側(cè)圍、車門內(nèi)板、底板等成形性要求較高的部位；高強度鋼、進(jìn)步前輩高強度鋼和熱成形鋼比及 達(dá) 62%，主要用在內(nèi)部布局件和平安 吸能件上；而鋁合金僅用8%，個中 鋁型材利用在前保險杠橫梁、縱梁前段，和 后保險杠橫梁等零件。發(fā)念頭 罩蓋和翼子板采取 了鋁板，壓鑄鋁合金主要用在前后減震器支座上（shock tower）；塑料復(fù)合材料主要用在前端模塊上，這個在國內(nèi)里 低端車型都成為常見的輕量化用材方案。圖9給出了白車身利用到的新材料新手藝 。有熱沖壓成形手藝 、激光拼焊板（TWB）、變厚度軋制板（TRB）、鋁合金保險橫梁等等。

2021 Euro Car Body亞軍車型-- Audi A3車身用材解析”。熱成形鋼經(jīng)由 熱沖壓工藝后，其強度可以到達(dá) 1500MPa以上，對 提泰平承平 安 機能 ，下降 車身重量（減薄鋼板厚度）都起到主要 的感化 。沃爾沃品牌的焦點 理念就是平安 ，早在1927年沃爾沃開創(chuàng) 人古斯塔夫·拉爾森和阿瑟·格布爾森（Assar Gabrielsson & Gustaf Larson）就曾提出“Cars are driven by people. Therefore the guiding principle behind everything we make at Volvo is – and must remain – safety”。近日，沃爾沃又提出了到2021年的沃爾沃平安 目的 ：“Nobody should be killed or seriously injured in a new Volvo”。應(yīng)當(dāng) 說熱成形鋼的利用是與沃爾沃的品牌焦點 理念是符合 合 的。

全部 車身骨架的乘員艙經(jīng)由過程 熱沖壓成形鋼的利用，構(gòu)成 了“籠式”的平安 布局，在車身遭到 碰撞時能有用 削減 乘員艙的變形，見圖10。車身用材的一個成長 趨向 就是通用化，年夜 量的同種材料的利用，對其焊接工藝現(xiàn)實 是有益 的。

另外 ，車身還采取 了拼焊板熱沖壓手藝 。拼焊板熱沖壓的道理 和通俗 拼焊板近似，分歧 的是激光拼焊后板坯的成形體例采取 熱沖壓成形。該手藝 的主要長處 是削減 了相干 零件數(shù)目 和材料耗損，優(yōu)化了布局，下降 了整車重量，簡化了毗連工藝。由于拼焊板可以憑據(jù) 需要進(jìn)行肆意厚度和材料的拼接，因此 具有極年夜 的靈動性。

拼焊板熱沖壓成形方案主要有熱成形鋼與通俗 冷成形鋼（如HSLA鋼和DP鋼等）焊接，和 分歧 熱厚度熱成形鋼之間的焊接。XC90采取 的是熱成形鋼與通俗 冷成形鋼拼焊的體例，為了不 冷軋板在熱沖壓成形中皮相發(fā)生 氧化，也采取 了熱成形鋼一樣 的AlSi涂層（圖11）。拼焊板的利用，實現(xiàn)前、后縱梁的前后段和B柱上線段吸能的差別 化。對 前、后縱梁，主如果 削減 乘員艙四周 的變形；對 B柱削減 上部變形的同時，盡量 讓B柱下部多接收 碰撞能，以到達(dá) 護(hù)衛(wèi)成員的頭部不受或少受危險 的目的。

圖為：車身拼焊板熱沖壓成形方案利用

4、 車身毗連辦 藝

XC90的車身主要利用 鋼材，點焊依然 是最主要的毗連體例，另外 也采取 了少許 的弧焊、膠接、激光焊接、自攻螺釘毗連工藝等毗連體例。個中 鋁合金MAG焊主要利用在前邊橫梁與前縱梁前段的毗連部位。鉚釘毗連主要采取 在前后保險杠橫梁與白車身骨架的毗連上。Shock tower部位主要采取 布局膠與鉚釘?shù)膹?fù)合毗連。白車身的等價焊點數(shù)到達(dá) 6587個。

5、 總結(jié)

XC90車身用材采取 以鋼材為主、多材料復(fù)合的車身用材原則，鋁合金僅利用在發(fā)念頭 罩蓋、翼子板和前后保險杠橫梁。跨越 30%的熱成形鋼是其用材最年夜 的亮點，也是沃爾沃鞏固其汽車平安 帶領(lǐng)者品牌形象的有用 保障。

多材料布局設(shè)計代表了從此汽車車身輕量化布局的成長 趨向 ，也勢必 是汽車各個系統(tǒng)輕量化材料利用的必定 選擇。鋼鐵家產(chǎn)信息辦事 公司（World Steel Dynamics）比來 發(fā)布《車身戰(zhàn)爭：鋁材的進(jìn)攻》研究申報 ，申報 猜測 了將來 轎車車身體 料的轉(zhuǎn)變 環(huán)境，指出將來 車身輕量化用材也是以夾雜 材料的選材方案。2021款沃爾沃在國內(nèi)市場售價79.8萬-105萬，作為一款奢華 SUV，其車身沒有采取 全鋁或碳纖維的車身。在汽車輕量化用材的趨向 上，各類 材料都將施展 各自優(yōu)勢，配合 支撐 汽車用材的成長 。