汽车车身哪些部位需要高强度材质
2021-03-02 12:220
白车身是由大小不同的冲压件通过焊接或其他加工方式连接在一起，各个部位根据需要采用不同的材质， 不同的材质对于冲压工艺有决定性的作用 ，那么首先来说说白车身都是由哪些材料组成的：1、钢： 这个不用多说，目前市场上大部分车还是以钢车身为主，算是最主流的车身材料了。2、铝： 铝的密度大约是钢的三分之一。因为轻量化的需求，越来越多的车厂开始考虑铝制车身方案。比较推崇铝材料在车身应用的传统汽车品牌主要有奥迪和Jaguar捷豹中国，新能源汽车品牌中，@TESLA和蔚来也是对铝车身十分热衷。由于铝车身的制造和维修成本也比钢车身高出不少，所以一般采用铝车身的车型定位都不会低。3. 镁： 密度比铝还小。一度炒的火热，但是大规模的应用却迟迟不来。主要是镁的板材成形能力差，腐蚀问题也不好解决，目前的应用很有限。碳纤维-强度高，减重效果好。瓶颈是材料和加工成本过高。玄武岩纤维-价格和性能都不及碳纤维，目前属于应用的初级阶段。那既然镁和复合材料大规模应用还早，咱们就主要谈谈车身上的钢和铝吧~
简单的说，屈服强度就是材料开始有不可恢复的变形（比如管子弯了没办法变直）时的强度，表征材料抗变形的能力。抗拉强度是指材料破坏 (管子断掉了) 时强度，表征材料抗破坏的能力。一般来说，抗拉强度总是大于屈服强度。当说到强度的时候，注意说的是哪个强度，才好比较。简单的可以用延伸率来衡量，也就是材料变形多少以后开始破坏。冷成形材料做成零件需要很大的变形，所以在冷成形材料中这个量尤为重要。首先从钢说起，必须要强调的是，“钢”和“钢”之间可也是有很大不同的噢。图1：高强钢拉伸强度与延伸率的关系图（图片来自先进高强钢应用指南 V6.0）图1展示了不同种类的汽车用钢拉伸强度与延伸率范围，行业内的人亲切称之为“香蕉图”（像不像个大香蕉？）可以看到，车身用钢的强度可是涵盖了巨大的范围。从最低的200兆帕（MPa）到最高的2000兆帕，跨了一个数量级。软钢比较常见就不多说了。习惯上，我们把抗拉强度超过500兆帕的钢称作先进高强钢（AHSS）。先进高强钢中又分作第一代高强钢，主要是双相钢（DP），塑性引导相变钢（TRIP），复相钢 (CP) 等等。其中双相钢是用的最多的。第二代高强钢以孪晶诱导相变钢（TWIP）为代表。虽然孪晶诱导相变钢强度和延展性都不错，可是由于价格和性能（屈服强度太低，曾经有过延迟开裂的问题）等等原因，目前几乎没有应用。第三代高强钢是目前汽车钢研究的热点，比较有代表性的是淬火配分钢（QP），已经有主机厂使用。其他的如中锰钢，贝氏体。说了这么多，小伙伴们知道了钢的家族有这么多能力和特性不同的成员，以后就不要再用钢板厚度去衡量车的安全性啦：不同的钢板性能差太多！下面再说说铝。最近几年铝可算是车身材料中的宠儿，全铝车身概念不断有人在炒。那是不是全铝车身就一定比钢车身更安全呢？当然不是了。铝的分类一般按照合金成分，一共有九个系列。目前在车身上用的比较多的就5, 6, 7系铝材。其中5系因为变形模式的问题，不适合做汽车的外观件，所以车门、发动机罩盖、侧围这种抛头露脸的机会一般就送给6系啦，专业上叫做A级表面。7系算是铝合金中的高强材料，抗拉强度一般500兆帕，已经是目前铝的极限了。和前面刚提到的钢相比，基本就是先进高强钢的入门级水平。所以以后说铝合金强度有多高，千万别拿钢做参照，比不过啦~不过铝的天然优势是密度小，只有钢的三分之一。在同样的体积下，重量也就是钢的三分之一，所以在车身轻量化上还是有很大用武之地。最体现其价值的地方是覆盖件，毕竟强度在这个位置不那么重要。至于与结构安全相关的零件，要看设计水平来整体把握：比钢轻？还不一定呢。下面回到正题。车身上什么地方用到刚才说的这些材料，怎么用呢？一个基本原则：对的材料用在对的地方。换句话说，不同位置的需求不同，需要的材料也不一样。汽车材料选择中需要考虑的最重要的一点就是面对碰撞时的安全性。对于碰撞安全，车身可以分成两个主要的区域：吸能区与安全区。如图2所示，车身的前后位置可以认为是吸能区，而中间乘客坐的位置，被定义成安全区。不同区域对材料的要求很不一样。比如汽车的前后部，包含前后纵梁、吸能盒等零件。其需要的主要功能是对于来自前后端的碰撞进行能量吸收。强度和变形围成的面积可以大约认为是材料吸收能量的能力。我们当然不希望这些吸能零件在碰撞的过程中过早断掉，所以有一定的延伸率是对这些零件的基本要求。其次的需求是强度。强度不要过强以至于把主要能量向后传递，也不要过弱以至于达不到吸收足够能量的功能。合适的强度和良好的变形能力就是这些零件的需求。6系7系铝合金，600MPa级的高强钢都是合适的选择。驾驶员和乘客的安全绝对是重中之重。一个对安全区形象的描述就是“安全笼”（safety cage）的概念。组成“安全笼”的零件包括A柱，B柱，上下门槛，车门防撞梁等等。车身上最强的材料，比如热成形钢和高等级的先进高强钢就用在这里。这里对材料的要求很高，一方面希望材料足够强以至于对安全笼的侵入量很小，不要伤害到乘客。另一方面在这很小的侵入过程中，还是希望能吸收足够多的能量，材料不要破坏。记住一点，碰撞的动能不被零件吸收，就可能被人吸收。碰撞中最重要的不是车子零件的变形程度，而是人的安全。以后大家对网上那些车辆碰撞以后谁赢谁输的图片和视频，要有科学的判断~车门和发动机罩盖这种覆盖件对强度的要求就很低了，最主要的是刚度变形的要求。这里普通的软钢或者6系铝板都可以使用。铝板的减重效果在这些零件上体现的很明显。不过因为铝的成形性不够好，如果发生了小规模剐蹭，铝板是没办法修理的，只能更换。这方面钢板就方便多了。对于不同力学行为的材料用在的具体零件，可以参见图3蓝色：适度的强度与延伸率的组合，吸能和安全的双重任务红色：高强度低延伸率材料，核心安全零件，保护乘客安全
爱驰U5采用的是上车身钢，下车身铝的车身结构。在作为吸能区的下车身前端，使用了5,6,7系铝板、铸造铝、挤压铝等等不同的材料，最大程度的实现吸能的功用。而上面提到的“安全笼”区域大量的使用了先进高强钢和热成形钢，甚至于目前车身上最强的2GPa纳米热成形钢，保证了成员仓的安全。除了材料本身的强度，零件之间的连接强度对车身安全也非常的重要。 不同的材料对应不同的连接方法，从适合同种材料的焊接到适合异种材料的机械冷连接，需要选择合适的方法。
来源：冲压帮
