【正文】 2 個(gè)研究方向: 一是采用輕質(zhì)材料。 二是優(yōu)化結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化潛力空間已很小，逐步采用輕質(zhì)新材料是當(dāng)前車身輕量化的主要途徑。1 新型高強(qiáng)度鋼近年來(lái)，隨著冶金技術(shù)的進(jìn)步，在高強(qiáng)度鋼的基礎(chǔ)上，以超低碳為基本特征，逐步形成了具有深拉伸性、高強(qiáng)度、烘烤硬化等性能的汽車新型高強(qiáng)度鋼。目前汽車車身使用的高強(qiáng)度鋼主要是板材和管材。主要有:(1)BH 鋼( 烘烤硬化鋼)。BH 鋼板的屈服強(qiáng)度在烘烤涂漆時(shí)升高，可在不損失成形性的前提下，提高抗凹陷性，可減薄鋼板，主要用于要求高強(qiáng)度且成型困難的零件，如車頂、車門、行李箱等部件，主要使用抗拉強(qiáng)度為 340～390MPa 的BH 鋼板。(2) RIP 鋼 (相變誘發(fā)塑性鋼)。主要用于發(fā)生碰撞時(shí)必須吸收較多能量的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，如車身框架等。(3)MS 鋼( 馬氏體相位鋼) 。用于對(duì)防撞要求很高的零件，即在很短的碰撞變形行程內(nèi)要吸收大量的能量，如側(cè)面防撞保護(hù)件。(4)硼鋼。用于要求高強(qiáng)度和高成型度的零件，可以最大限度地減輕質(zhì)量。如 A、B 柱加強(qiáng)件等［2］。實(shí)踐證明，當(dāng)鋼板厚度分別減少 ，0．10，0．15mm 時(shí)，車身減重分別為 6% ，12% ，18% 。就發(fā)展趨勢(shì)而言，車身采用新型高強(qiáng)度鋼板在不斷減薄，而車身強(qiáng)度卻提高了，同時(shí)增加了汽車的安全性，降低了噪聲和振動(dòng)，提高了燃油效率，降低了汽車總質(zhì)量。成本沒(méi)增加，而加速性、駕駛性能卻有所改善。不論從成本角度，還是從性能角度分析，新型高強(qiáng)度鋼板是滿足車身輕量化、提高碰撞安全性的最佳材料。各汽車制造廠的新型高強(qiáng)度鋼板使用比例正在不斷提高。日本三菱公司的帕杰羅( SPORT) 為該公司最新的 SUV 型車設(shè)計(jì)了全新的車身結(jié)構(gòu)，車身 70% 的構(gòu)件由高強(qiáng)度鋼板制成，整車的扭轉(zhuǎn)剛度甚至比大切諾基還要高 45% ，車身的承載能力可達(dá) 2t 以上。福特的 Windstar 車身骨架60% 是高強(qiáng)度鋼。豐田最新的 Vitz 車身結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)度鋼占48% ，比該公司生產(chǎn)的 Starlet 車減輕質(zhì)量 17kg。但鋼板高強(qiáng)度化易引起塑性下降，成形性變差，而屈服強(qiáng)度的提高則引起面畸變和回彈效應(yīng)，增加了形狀的不穩(wěn)定性。因而，高強(qiáng)度鋼板是一種難以成形的材料。典型的成形缺陷有開(kāi)裂、形狀不良、尺寸精度不良和卡模具等。熱成形技術(shù)是一項(xiàng)新型的專門用于成形高強(qiáng)度沖壓件的先進(jìn)制造技術(shù)，可用來(lái)成形強(qiáng)度高達(dá) 1500MPa 的沖壓件，目前成為世界上眾多汽車廠商關(guān)注的焦點(diǎn)，其中溫?zé)岢尚喂に囀菦_壓成形領(lǐng)域的前沿技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于汽車前后保險(xiǎn)杠、A柱、B柱、C柱、車頂構(gòu)架、車門內(nèi)板、車門防撞梁等構(gòu)件的生產(chǎn)。2 輕合金材料2． 1鋁及鋁合金鋁材是汽車輕量化最理想的選擇，資源廣、輕量化、再生利用、節(jié)約資源、吸收沖擊能、耐腐蝕，是綜合性能最佳的基本材料。用于車身上的鋁合金主要是變形鋁合金，主要有 AI－Cu－Mg系(2000系) 、AI－Mg系(5000系) 、AI－Mg－Si 系(6000系)、AI－Mg－Zn－Cu 系。其中 2000 系列和 6000系列是熱處理可強(qiáng)化合金，而 5000 系列是熱處理不能強(qiáng)化合金。前者通過(guò)涂裝烘干工序后強(qiáng)度得到提高，主要用于車身外板等重視強(qiáng)度、剛度的部位，如車廂蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、提升式后車門、前端翼子板等。 后者成形性優(yōu)良，主要用于車身內(nèi)板等形狀復(fù)雜的部位，如車廂底板結(jié)構(gòu)件等。目前，低密度、高強(qiáng)度、高彈性模量和超塑性優(yōu)良的 AI－Li合金及鋁防振板等現(xiàn)已逐步應(yīng)用于車身上。鋁合金具有良好的成型性。鋁合金車體結(jié)構(gòu)主要采用以鋁擠壓型材為主體的空間框架結(jié)構(gòu)，一般用中強(qiáng)鋁材便可滿足要求。擠壓型材主要是采用空心材，除質(zhì)量輕、剛性高以外，高溫強(qiáng)度、耐熱性、耐蝕性等也很好，而且可以進(jìn)行焊接、表面處理和彎曲加工。目前的鋁制車身多采用厚壁鍛鋁梁焊接而成，就結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度而言要比沖壓薄鋼更有優(yōu)勢(shì)，且機(jī)構(gòu)的整體穩(wěn)定性更好。輕量化且高強(qiáng)度的鋁制車身比傳統(tǒng)鋼制車身更堅(jiān)固，且不用擔(dān)心腐蝕造成的強(qiáng)度降低［3］。從鋁板覆蓋件的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)看，強(qiáng)度高、成形加工性好、表面質(zhì)量?jī)?yōu)良的鋁板將取代鋼板成為汽車覆蓋件的主要材料。20世紀(jì)90年代末期，就已出現(xiàn)了從發(fā)動(dòng)機(jī)罩、翼子板等部分車身鋁外板逐步發(fā)展為車身全部采用鋁外板的轎車，相對(duì)鋼板獲得了減40%～50%的效果。歐美鋁工業(yè)較發(fā)達(dá)，所以歐美在汽車鋁化方面走在前頭。歐美等國(guó)與日本在汽車業(yè)上的競(jìng)爭(zhēng)和其國(guó)內(nèi)能源及環(huán)境立法的推動(dòng)，加速了汽車輕量化( 鋁材化) 的步伐。德國(guó)奧迪 A8 型轎車車身均采用鋁材制造，框架采用立體框架式結(jié)構(gòu)，覆蓋件為鋁板沖壓而成，曾被評(píng)為 1994 年全世界重要科技成果 100 項(xiàng)之一。這種鋁車身與鋼車身相比，質(zhì)量減輕30%～50%，油耗減低 5%～8%。日本本田公司生產(chǎn)的轎車車身用鋁合金達(dá)162kg，比鋼車身減重約40%。而中國(guó)鋁的生產(chǎn)量、價(jià)格、汽車工業(yè)技術(shù)水平的綜合影響，使得鋁及其合金仍不能在汽車中大量使用。增加品種、提高質(zhì)量、降低成本，已成為我國(guó)鋁加工行業(yè)和汽車行業(yè)向世界先進(jìn)水平發(fā)展的研究方向。比強(qiáng)度和比剛度十分優(yōu)良的鋁金屬基復(fù)合材料的研發(fā)成功，為汽車輕量化的進(jìn)一步發(fā)展提供了途徑。德國(guó)的卡曼公司研究出一種夾層鋁板，外層是鋁板，中間是泡沫狀鋁，用作車身板件，剛度提高10 倍，而質(zhì)量減輕 50% ?，F(xiàn)代汽車正朝著輕量化、高速、安全、舒適、節(jié)能與低污染的方向發(fā)展，開(kāi)發(fā)高性能車身用鋁合金以及報(bào)廢汽車材料的再生利用技術(shù)，成為一個(gè)勢(shì)在必行的課題，這方面的科研和投入必將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。隨著快速凝固鋁合金、粉末冶金鋁合金、超塑性鋁合金、鋁基復(fù)合材料和泡沫鋁材等新材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，未來(lái)鋁在汽車中的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，并將呈現(xiàn)鑄件、型材、板材并舉的局面。預(yù)計(jì)鋁將會(huì)成為僅次于鋼的第二大汽車材料［4］。 鎂合金鎂合金是比鋁合金密度更小的輕質(zhì)材料，耐熱、耐壓、耐腐蝕且易于回收利用，是典型的綠色結(jié)構(gòu)材料。目前，用于車身結(jié)構(gòu)的變形鎂合金材料有美國(guó)開(kāi)發(fā)的高強(qiáng)度 ZK60 變形鎂合金、日本開(kāi)發(fā)的超高強(qiáng)度 IM Mg － Y 系變形鎂合金，以及可進(jìn)行冷加工的鎂合金板材等。歐洲正在使用和研制的鎂合金汽車零部件有 60 多種。德國(guó)駛多飛集團(tuán)與德國(guó)大眾合作，準(zhǔn)備將其專利產(chǎn)品鎂合金 Mn E21 替代某車型白車身上的多個(gè)鋼板零件，如前后保險(xiǎn)杠、車頂橫梁和車門防撞桿等。如果替代成功，將大大減輕該車的車身質(zhì)量［5］。我國(guó)是一個(gè)鎂資源大國(guó)，鎂礦產(chǎn)品種類多、儲(chǔ)量豐富，占世界可利用鎂資源儲(chǔ)量的 70% 左右。2010年鎂合金生產(chǎn)線相繼在我國(guó)山西、陜西、天津、寧夏、重慶等地建成投產(chǎn)，其中鎂基合金汽車零配件項(xiàng)目已在開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)中。鎂合金在汽車上的應(yīng)用逐年增加，預(yù)計(jì)在今后的 20 年里，汽車上的鎂用量將會(huì)超過(guò)每車 100kg，是當(dāng)前使用量的 30 倍。鎂必將成為一種適用于汽車大多數(shù)結(jié)構(gòu)件的新穎材料。3 工程塑料和復(fù)合材料工程塑料和復(fù)合材料是另一類重要的汽車輕質(zhì)材料。與通用塑料相比，工程塑料具有優(yōu)良的機(jī)械性能、耐化學(xué)性、耐熱性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性等特點(diǎn)，比被取代的金屬材料輕且成型時(shí)能耗少。目前，工程塑料大都應(yīng)用在車身的內(nèi)外飾件上，如車身翼子板、后圍板、儀表板、車門內(nèi)板、頂棚、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。相比金屬可減重 40% ，且能耐侵蝕和輕微碰撞，在低速碰撞的情況下無(wú)需維修，從制造角度相比金屬有更大的造型自由度提升，也便于零件集成，從滿足行人保護(hù)方面考慮，也是較理想材料。福特公司開(kāi)發(fā)的 LTD 試驗(yàn)車，塑料化后的車身取得了輕量化方面的明顯成果，整車減重可達(dá) 300kg以上。工程塑料在汽車中的應(yīng)用范圍正在由內(nèi)飾件向外裝件、車身及結(jié)構(gòu)件擴(kuò)展，今后的重點(diǎn)發(fā)展方向是開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)件、外裝件用的增強(qiáng)塑料復(fù)合材料、高性能樹(shù)脂材料及塑料，并會(huì)更加重視材料的可回收性。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(shù)脂的復(fù)合材料。這種復(fù)合材料密度小，設(shè)計(jì)靈活美觀，易成型，耐腐蝕，隔熱隔電，耐沖擊，抗振，易于涂裝，且強(qiáng)度高、彈性模量高，具有和金屬材料相近的機(jī)械性能，在一定條件下有金屬薄板所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，在質(zhì)量減輕與強(qiáng)度方面達(dá)到甚至超過(guò)了鋁材，而整體成本更低。目前在汽車車身上已普遍應(yīng)用的有用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯片狀模塑料(SMC) 制造的車身空氣導(dǎo)流板、前翼子板和前擋泥板延伸部件、大燈罩、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、裝飾條、尾板等。 用傳遞模塑工藝技術(shù)(RTM) 制造的車身板件加強(qiáng)筋等。碳纖維(CFRP) 是一種纖維絲狀的復(fù)合材料，在制作成型時(shí)需要像織布一樣紡織成片狀，用有機(jī)膠浸潤(rùn)成形并固化。碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有絕佳的韌性和抗拉強(qiáng)度，且質(zhì)量只有鋼的1/4［6］。輕量、高強(qiáng)度的特性正是高性能車所需的，目前法拉利、蘭博基尼等跑車車身由碳纖維制成。預(yù)計(jì)CFRP 的應(yīng)用可使汽車車身減輕質(zhì)量40%～60% ，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1/3～1/6。但由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的價(jià)格昂貴，它在汽車中的應(yīng)用受到限制。為降低碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成本，增加其用量，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的生產(chǎn)方法和工藝已成為汽車輕量化材料研究中的重要研究課題，現(xiàn)已取得重大進(jìn)展。紡織復(fù)合材料由紡織結(jié)構(gòu)物和基體材料組成，將紡織技術(shù)和現(xiàn)代復(fù)合材料的成型技術(shù)相結(jié)合，有效地克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料的取向性和力學(xué)性能的不均勻性以及損傷容限低等缺點(diǎn)，比強(qiáng)度和比模量高，抗疲勞性能好，在汽車工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。柔性紡織復(fù)合材料主要用于車身內(nèi)、外裝飾及車用管材、帶材。 剛性紡織復(fù)合材料可以制作車身部件。4 結(jié)束語(yǔ)當(dāng)前車身材料仍以高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂和塑料為主。隨著車身新材料、新技術(shù)、新工藝的研發(fā)，輕量化材料與汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝的結(jié)合將更為密切，汽車車身材料將趨向多材料輕量化的設(shè)計(jì)方向。通過(guò)對(duì)多材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，既能改進(jìn)汽車性能，又能顯著減小質(zhì)量。要實(shí)現(xiàn)多材料輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須強(qiáng)調(diào)“合適的材料用在合適的部位”。參考文獻(xiàn):［1］牛勝福. 汽車車身輕量化技術(shù)［J］． 上海汽車，2009，12(9) :34 － 35．［2］朱久發(fā)．高強(qiáng)度鋼板在汽車車身上的應(yīng)用及問(wèn)題對(duì)策［J］．武鋼技術(shù)，2007，45 (2) : 43－45．［3］石秀忠．輕量化材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢(shì)［J］．遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，11(4) : 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