汽車車身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-24 11:55 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 H—烘烤硬化鋼。IS—各向同性鋼。CMn—碳錳鋼。HSLA—高強(qiáng)度低合鋼。DP—雙相鋼。CP—復(fù)相鋼。TRIP—相變誘發(fā)塑性鋼。 Mart—馬氏鋼。 TWIP— 孿晶誘發(fā)塑性鋼。 Stainless—不銹鋼。 B steel—熱沖壓用鋼圖3各類汽車用板的屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的關(guān)系常用的鋼種包括：MnB系（上海寶鋼開發(fā)）熱成形用鋼、MnMoB系（北美、歐洲等多用此系列）、MnCrB系（高淬透性熱成形鋼）、MnCr系（部分馬氏體熱成形鋼）、MnWTiB系（如韓國POSCO 公司開發(fā)的高烘烤硬化細(xì)晶粒熱成形鋼）。由于熱成形過程是重新加熱到奧氏體區(qū)的過程，為避免或減少加熱過程的氧化，需要對(duì)熱成形鋼進(jìn)行表面鍍層。目前開發(fā)的用于熱成形的鍍層板包括：鍍Al板、鍍AlSi合金板和鍍Zn板等。韓國POSCO鋼鐵公司正在開發(fā)納米鍍層板，以提高鍍層的結(jié)合力，防止鍍層在加熱和成形淬火過程中剝落。福特汽車在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中還說明，AlSi鍍層的金屬間化合物相為AlxFeySiz，鍍層上層金屬間化合物為Al6070Fe3040Si10+微量其它元素，而鍍層下層金屬間化合物則為Al5060Fe4555。考慮到成本問題，有時(shí)也采用非鍍層板、熱軋板或冷軋板。圖4表現(xiàn)了我國汽車用鍍鋅板和高強(qiáng)度鋼量占白車身重量的比例。圖4我國汽車用鍍鋅板和高強(qiáng)度鋼量占白車身重量比例圖鋁材料的很多特點(diǎn)使其適宜于在汽車上應(yīng)用：（1）重量輕，僅為鋼材的1/3，因而可提高車輛有效載荷比例；（2）強(qiáng)度、韌性高，接近于鋼；（3）耐腐蝕性能好，氧化鋁是天然的防腐屏障，不需涂層或襯套，不污染運(yùn)輸貨物；（4）易于擠壓成形；（5）低溫性能優(yōu)異；（6）物理性能優(yōu)良，包括優(yōu)良的表面反射性能和熱傳導(dǎo)性能、無磁性、不產(chǎn)生火花、無毒等；（7）良好的可再生性。在轎車上，鋁合金材料被大量用于結(jié)構(gòu)件、車身空間框架和車身覆蓋件。其中結(jié)構(gòu)件包括：發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、保險(xiǎn)杠系統(tǒng)、散熱器、空氣壓縮機(jī)活塞、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、懸架零件、制動(dòng)零件、驅(qū)動(dòng)軸、座椅支架、車身結(jié)構(gòu)件及零件、車輪、后罩板、懸架支架、儀表板結(jié)構(gòu)件、風(fēng)周邊結(jié)構(gòu)件、電子分配系統(tǒng)等。就鋁合金在商用車上的應(yīng)用，有一實(shí)例顯示，通過使用鋁合金，鉸接式載貨車可平均減重811公斤。又如瑞典SCANNIA的一款牽引車，通過對(duì)駕駛室、車體裝飾件、車罩蓋、散熱器、保險(xiǎn)杠、引擎、變速箱殼體、輪轂、燃料罐、懸架、框架縱梁、橫梁、車門等使用鋁合金，共可減重1137公斤。鋁合金在客車上可以應(yīng)用的部件包括：底盤結(jié)構(gòu)件、外覆蓋件、行李廂門、傳動(dòng)軸套、油箱、鍛造鋁輪轂、后廂蓋板、內(nèi)裝鋁制型材、車頂蒙皮、透光天窗框架、熱交換系統(tǒng)、致光鋁覆蓋板、框架、裝飾條等。相對(duì)于使用鋼鐵材料，在商用車上使用鋁合金主要有三方面優(yōu)勢(shì)：（1）可減輕整車重量，從而帶來提高有效載荷、降低燃油消耗、提高制動(dòng)性能、降低整車重心提高安全性、降低對(duì)路橋的損壞、提高輪胎壽命等效果；（2）可減少防腐維護(hù)費(fèi)用，因?yàn)椴辉傩枰獓娡枯d貨平板或載貨廂，板料有切痕和刮傷時(shí)也不致生銹，易于清洗并保持美觀；（3）可設(shè)計(jì)額外的美觀裝飾，如設(shè)計(jì)光亮的裝飾件、 保險(xiǎn)杠、 油罐、踏板等。軋制鋁合金板用于商用車上的不同用途時(shí)，產(chǎn)品類型及主要性能要求也有所不同。表2軋制鋁合金板在商用車上的用途、產(chǎn)品類型及主要性能要求 塑料和復(fù)合材料與相同結(jié)構(gòu)性能的鋼材相比，塑料和復(fù)合材料一般可減輕部件的重量在35％左右。低密度與超低密度片狀成型復(fù)合材料的發(fā)展提供了更多的潛力，在重量減輕與強(qiáng)度方面達(dá)到甚至超過了鋁材，整體成本通常更低。塑料是由非金屬為主的有機(jī)物組成的，具有密度小、成型性好、耐腐蝕、防振、隔音隔熱等性能，同時(shí)又具有金屬鋼板不具備的外觀色澤和觸感。目前，塑料大都使用在汽車的內(nèi)外飾件上，如儀表板、車門內(nèi)板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護(hù)板、側(cè)圍內(nèi)襯板、車門防撞條、扶手、車窗、散熱器罩、座椅支架等。而后逐漸向結(jié)構(gòu)件和功能件擴(kuò)展。例如發(fā)電機(jī)及其相關(guān)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。塑料也在向制作車身覆蓋件方向發(fā)展。復(fù)合材料即纖維增強(qiáng)塑料，是一種增強(qiáng)纖維和塑料復(fù)合而成的材料。常用的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復(fù)合材料。增強(qiáng)用的纖維除玻璃外，還有高級(jí)的碳纖維、合成纖維。復(fù)合材料作為汽車材料具有很多優(yōu)點(diǎn)：密度小、設(shè)計(jì)靈活美觀、易設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu)、耐腐蝕、隔熱隔電、耐沖擊、抗振等。目前玻璃鋼復(fù)合材料的應(yīng)用非常廣泛，尤其在歐美車系中。其中尤以SMC和GMT的應(yīng)用最為廣泛。曼、雷諾、沃爾沃、奔馳、依維柯、達(dá)夫等歐洲重型卡車制造商的駕駛室材料中，都大量選用了SMC。在國內(nèi)，SMC材料在汽車領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是商用汽車領(lǐng)域。中國重汽、陜西重汽、福田歐曼、重慶紅巖等主要重型卡車制造商，其駕駛室的制造都不同程度地采用了SMC材料。 其他輕量化材料 精細(xì)陶瓷是繼金屬、塑料之后發(fā)展起來的第3大類材料。其發(fā)展史只有20年左右，但具有優(yōu)良的力學(xué)性能(高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損等)和化學(xué)性能(耐熱沖擊、耐氧化、蠕變等)。作為輕量化材料用于汽車零件，不僅直接起到輕量化的作用，更因其優(yōu)良的耐熱性、耐腐蝕性和耐磨性，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室及熱交換器等零件，使功率提高，油耗大大下降，從節(jié)能角度看則間接地起到輕量化效果。蜂窩夾層材料是早已在飛機(jī)上采用的材料，其最大特點(diǎn)是剛性高、比強(qiáng)度高、密度低。目前應(yīng)用在汽車上的實(shí)例還不多，但應(yīng)用研究在不斷前進(jìn)，將來會(huì)較多地得到運(yùn)用。3 汽車輕量化設(shè)計(jì)的分析．輕量化設(shè)計(jì)的分析原則概括起來，輕量化設(shè)計(jì)是四個(gè)方面的集成，一是不同專業(yè)優(yōu)勢(shì)的集成，即是設(shè)計(jì)、分析、工藝、材料等不同專業(yè)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)的集成；二是不同材料優(yōu)勢(shì)的集成，即根據(jù)不同零部件的性能要求采用適宜的材料；三是不同加工工藝和加工方法的優(yōu)勢(shì)集成，即根據(jù)零部件和材料特點(diǎn)采用適宜的加工工藝和加工方法；四是綜合考慮零件性能和整車性能的集成，從而達(dá)到輕量化、高性能、低成本的效果。因此，當(dāng)我們?cè)u(píng)價(jià)一個(gè)產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮功能、減重和成本等三方面內(nèi)容。所謂功能，即要滿足一定的法律法規(guī)要求，如滿足一定的碰撞法規(guī)要求；所謂減重，即要達(dá)到一定的減重效果；所謂成本，即功能和減重必須在一定的成本控制前提下來實(shí)現(xiàn)。舉例來說，某兩個(gè)輕量化白車身用材及在功能、減重和成本上的比較見表3。表3某兩個(gè)輕量化白車身用材及在功能、減重和成本上的比較 減重：輕量化評(píng)價(jià)參量寶馬公司提出了輕量化系數(shù)的概念，作為評(píng)價(jià)車輛輕量化的參量，其定義為：其中，L為輕量化系數(shù)；MGer為白車身重量（不包括車門和覆蓋件）；Ct為白車身（包括玻璃）的靜扭剛度，也可取該值的2/3，此時(shí)必須保證裝好的擋風(fēng)玻璃上的載荷可以承受，因?yàn)楦弑砻胬瓚?yīng)力會(huì)引起擋風(fēng)玻璃損壞；A為輪距與軸距相乘的面積。由于乘用車輕量化的重點(diǎn)是白車身、覆蓋件和懸掛系統(tǒng)，當(dāng)從不同角度評(píng)價(jià)一個(gè)產(chǎn)品的輕量化水平時(shí)，Ct的取值應(yīng)不同。當(dāng)側(cè)重以車輛的NVH性能評(píng)價(jià)輕量化參量時(shí)，Ct值取一階彎曲或扭轉(zhuǎn)的固有頻率值；當(dāng)側(cè)重
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