多年来，印度和全球客户对运动型多功能车(SUV)的期望都在不断增加。SUV不仅要提供高加速度值，还应该舒适、安全、灵活、轻便。白车身(BIW)的设计构成了SUV的基础，关系着如何在碰撞行为、耐用性、乘坐和操控、精致和驾驶舒适性方面实现良好的价值。精心设计的底盘是确保所有系统完整性的核心，尤其是SUV。
Mahindra于2021年在印度推出的SUV XUV 700的钢制BIW设计专注于所有这些严格的性能要求。开发工作由Mahindra & Mahindra进行。XUV 700 BIW是由550多个零件组装而成的，这些零件以高效的方式集成在一起，以实现预期的效果。表1中提供了车辆技术数据。
XUV 700的BIW设计是蒙皮面板和结构部件的结合。蒙皮面板的表面质量通过采用特殊的烘烤硬化钢得到了提高，与原XUV 500车型相比，这种钢提高了抗凹痕和抗划伤性。BIW的结构设计结合了几种高强度钢材料，以达到所需的刚度和强度要求。除了单个面板的稳健设计，还实施了连接技术、点焊和结构密封的优化。在设计XUV700的BIW架构时，有三个主要目标需要考虑：轻质结构、GNCAP五星评级的碰撞安全性以及增强的扭转和弯曲刚度。
高强度钢的使用
在当前SUV车型中，BIW通常占车辆总重的25 %左右。因此，重量优化是减轻车辆总重量的关键因素。一般来说，SUV白车身中使用的钢材根据其抗拉强度分为四类。材料选择是在材料的延伸率和抗拉强度之间的仔细权衡，图1(左)。通常，延伸率较高、强度较低的材料用于尺寸较大、形状复杂且需要较高拉伸深度的零件。相反，具有较高极限抗拉强度(UTS)和相对较低伸长率的钢用于结构部件，以提高碰撞和耐久性性能[1]。
为了满足性能要求和轻量化设计标准，XUV 700的BIW采用多种设计技术进行了优化。通过使用抗拉强度超过1000 MPa的超高强度钢(UHSS)，XUV 700的关键部件可以实现具有最大强度和最小重量。UHSS材料通常是热成型硼钢，其被加热超过钢的奥氏体阶段，并在赤热条件下成型。材料在热成型后立即淬火，以获得所需的马氏体结构。坚韧的马氏体结构使该材料能够以最小的伸长率获得极高的屈服强度和拉伸强度。
先进的高强度钢(AHSS)兼具高延伸率和抗拉强度。因此，在碰撞过程中，它们可以吸收最大的能量，以减少传到乘客舱的碰撞载荷。图1(右)显示了钢材在SUV车身中的应用位置，以及XUV 700 BIW中所用材料的重量百分比。总重量的68 %以上由高强度钢(HSS)和更高级别的钢(AHSS和UHSS)制成。
接头的改进
对所有关键的接头进行整体优化，以最大化BIW组件的整体刚度，同时最小化所有零件的重量。每个接头被优化以实现接近100 %的接合效率η，如图2所示。为了实现这一最高效率，接头的刚度应该比单梁的刚度高得多[2]。这是通过增加零件之间的重叠、点焊数量以及结构密封和条带的数量来实现的。这种方法有助于改善截面和减少面板厚度。因此，实现了BIW轻量化。
点焊与环结构优化
对于XUV 700的BIW，使用了超过6570个点焊和超过154米等效长度的结构和碰撞密封，以提高零件之间的接合和密封的刚度，XUV-700白车身的焊接和密封技术见图3。这是以最小的成本和重量增加来提高BIW组件整体刚度的最有效的方法之一。由于焊点在压缩载荷下表现较好，其次是剪切载荷，而在拉伸载荷(剥离)下表现不佳，因此接头被适当优化以实现最大的承载能力。
另一种提高BIW总成刚度的有效方法是采用连接地板、车身侧面和车顶的环形结构。在XUV 700的A、B、C和D支柱位置创建的环形结构有助于实现良好的扭转刚度，同时最大限度地减轻重量。
碰撞安全性和正面碰撞
BIW结构经过优化，可保护乘员免受正面碰撞和侧面碰撞。这两种载荷情况将在下文中进行更详细的分析。关于正面碰撞，载荷路径在BIW结构中设计成类似三叉戟的形式，以有效地引导碰撞载荷，图4(上)。这些载荷路径有助于减少其他身体部位侵入乘员区域。
图4(底部)显示了BIW前部和乘员区的材料选择。如前所述，热成型零件(由AHSS制成)具有高拉伸强度和低伸长率，非常适合在发生碰撞时保护乘客舱免受任何变形。在XUV 700中，通过广泛使用热成型钢，乘客舱周围形成了一个热成型钢笼，结合了a柱、B柱、侧梁(门槛)部分和底部的扭矩盒（torque box）。这有助于在重载下保持乘客舱的结构完整性，从而在碰撞事件中保护乘客，并在事件发生后下车。
虽然乘员周围的结构由UHSS材料制成，但BIW的正面结构以AHSS和HSS材料占主导地位。因此，由于更高的伸长率和拉伸强度相结合，前端的能量吸收可以最大化，以减少对乘客舱的侵入。
碰撞安全和侧面碰撞
从侧面碰撞的角度来看，乘员安全也是验证车辆安全性的一个重要载荷情况。侧面撞击载荷路径中的重要金属板由超高抗拉强度钢（>1000MPa）制成。对于侧面碰撞，BIW结构中的载荷路径被定义为乘员区域的变形最小，图5。
总的来说，所使用的设计方法，包括正确的材料选择和横截面和负载路径的优化，可以帮助XUV 700达到GNCAP五星碰撞测试评级。
扭转刚度和弯曲刚度
扭转刚度和弯曲刚度是任何BIW工程卓越性的主要指标。由于本文前面提到的一些设计技术，XUV 700可以实现20.1 kNm/°的最佳抗扭刚度值。这一数值比XUV 500车身高出80 %。
弯曲刚度的计算值为12.4 kN/mm，比XUV 500车身提高了69 %。极高的扭转刚度和弯曲刚度确保了舒适和精致的座舱体验，同时改善了车辆动力。图6显示了XUV 700的扭转刚度和弯曲刚度与前身车型XUV 500以及两款基准车型(BM1和BM2)的对比，这两款车型在NVH性能和车辆动力学方面被认为是乘用车领域的行业最佳。
轻量化系数
轻量化系数(LWI)是BIW的资源友好型设计的一个指标。
这里，mBIW是BIW的质量，TS是其扭转刚度，A是其投影面积(接触面积)。较低的LWI值表示对于给定的重量和足迹可以获得较高的刚度。因此，XUV 700 BIW达到的行业最佳值LWI = 3.9表明以最小的重量获得了高的扭转刚度值。
结论
印度Mahindra & Mahindra公司为SUV Mahindra XUV 700的钢制车身（steel monocoque body）建立了一个优化流程。这些策略包括广泛使用高强度钢(AHSS和UHSS)，改进关键的细木工，调整环结构，增加点焊数量和结构密封长度，以及优化碰撞载荷路径。可以满足GNCAP碰撞等级和NVH性能方面的严格工程要求，同时最大限度地减少乘用车的整体质量。
参考文章
