汽車車身哪些部位需要高強(qiáng)度材質(zhì)

2021-03-02 12:22:47· 來源：沖壓幫

白車身是由大小不同的沖壓件通過焊接或其他加工方式連接在一起，各個(gè)部位根據(jù)需要采用不同的材質(zhì)，不同的材質(zhì)對于沖壓工藝有決定性的作用，那么首先來說說白車身都是由哪些材料組成的：1、鋼：這個(gè)不用多說，目前市場上大部分車還是以鋼

白車身是由大小不同的沖壓件通過焊接或其他加工方式連接在一起，各個(gè)部位根據(jù)需要采用不同的材質(zhì)，不同的材質(zhì)對于沖壓工藝有決定性的作用，那么首先來說說白車身都是由哪些材料組成的：

1、鋼：這個(gè)不用多說，目前市場上大部分車還是以鋼車身為主，算是最主流的車身材料了。

2、鋁：鋁的密度大約是鋼的三分之一。因?yàn)檩p量化的需求，越來越多的車廠開始考慮鋁制車身方案。比較推崇鋁材料在車身應(yīng)用的傳統(tǒng)汽車品牌主要有

奧迪和Jaguar捷豹中國，新能源汽車品牌中，@TESLA和蔚來也是對鋁車身十分熱衷。由于鋁車身的制造和維修成本也比鋼車身高出不少，所以一般采用鋁車身的車型定位都不會低。

3. 鎂：密度比鋁還小。一度炒的火熱，但是大規(guī)模的應(yīng)用卻遲遲不來。主要是鎂的板材成形能力差，腐蝕問題也不好解決，目前的應(yīng)用很有限。

4. 復(fù)合材料

碳纖維-強(qiáng)度高，減重效果好。瓶頸是材料和加工成本過高。

玄武巖纖維-價(jià)格和性能都不及碳纖維，目前屬于應(yīng)用的初級階段。

那既然鎂和復(fù)合材料大規(guī)模應(yīng)用還早，咱們就主要談?wù)勡嚿砩系匿摵弯X吧~

先從兩個(gè)基本概念入手：

1.強(qiáng)度：強(qiáng)度又分屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

簡單的說，屈服強(qiáng)度就是材料開始有不可恢復(fù)的變形（比如管子彎了沒辦法變直）時(shí)的強(qiáng)度，表征材料抗變形的能力。抗拉強(qiáng)度是指材料破壞 (管子斷掉了) 時(shí)強(qiáng)度，表征材料抗破壞的能力。一般來說，抗拉強(qiáng)度總是大于屈服強(qiáng)度。當(dāng)說到強(qiáng)度的時(shí)候，注意說的是哪個(gè)強(qiáng)度，才好比較。

2.延展性: 表示材料變形能力的物理量。

簡單的可以用延伸率來衡量，也就是材料變形多少以后開始破壞。冷成形材料做成零件需要很大的變形，所以在冷成形材料中這個(gè)量尤為重要。

首先從鋼說起，必須要強(qiáng)調(diào)的是，“鋼”和“鋼”之間可也是有很大不同的噢。

圖1：高強(qiáng)鋼拉伸強(qiáng)度與延伸率的關(guān)系圖（圖片來自先進(jìn)高強(qiáng)鋼應(yīng)用指南 V6.0）

圖1展示了不同種類的汽車用鋼拉伸強(qiáng)度與延伸率范圍，行業(yè)內(nèi)的人親切稱之為“香蕉圖”（像不像個(gè)大香蕉？）

可以看到，車身用鋼的強(qiáng)度可是涵蓋了巨大的范圍。從最低的200兆帕（MPa）到最高的2000兆帕，跨了一個(gè)數(shù)量級。軟鋼比較常見就不多說了。習(xí)慣上，我們把抗拉強(qiáng)度超過500兆帕的鋼稱作先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS）。先進(jìn)高強(qiáng)鋼中又分作第一代高強(qiáng)鋼，主要是雙相鋼（DP），塑性引導(dǎo)相變鋼（TRIP），復(fù)相鋼 (CP) 等等。其中雙相鋼是用的最多的。第二代高強(qiáng)鋼以孿晶誘導(dǎo)相變鋼（TWIP）為代表。

雖然孿晶誘導(dǎo)相變鋼強(qiáng)度和延展性都不錯(cuò)，可是由于價(jià)格和性能（屈服強(qiáng)度太低，曾經(jīng)有過延遲開裂的問題）等等原因，目前幾乎沒有應(yīng)用。第三代高強(qiáng)鋼是目前汽車鋼研究的熱點(diǎn)，比較有代表性的是淬火配分鋼（QP），已經(jīng)有主機(jī)廠使用。其他的如中錳鋼，貝氏體。

說了這么多，小伙伴們知道了鋼的家族有這么多能力和特性不同的成員，以后就不要再用鋼板厚度去衡量車的安全性啦：不同的鋼板性能差太多！

下面再說說鋁。最近幾年鋁可算是車身材料中的寵兒，全鋁車身概念不斷有人在炒。那是不是全鋁車身就一定比鋼車身更安全呢？當(dāng)然不是了。鋁的分類一般按照合金成分，一共有九個(gè)系列。目前在車身上用的比較多的就5, 6, 7系鋁材。其中5系因?yàn)樽冃文Ｊ降膯栴}，不適合做汽車的外觀件，所以車門、發(fā)動機(jī)罩蓋、側(cè)圍這種拋頭露臉的機(jī)會一般就送給6系啦，專業(yè)上叫做A級表面。7系算是鋁合金中的高強(qiáng)材料，抗拉強(qiáng)度一般500兆帕，已經(jīng)是目前鋁的極限了。和前面剛提到的鋼相比，基本就是先進(jìn)高強(qiáng)鋼的入門級水平。所以以后說鋁合金強(qiáng)度有多高，千萬別拿鋼做參照，比不過啦~

不過鋁的天然優(yōu)勢是密度小，只有鋼的三分之一。在同樣的體積下，重量也就是鋼的三分之一，所以在車身輕量化上還是有很大用武之地。最體現(xiàn)其價(jià)值的地方是覆蓋件，畢竟強(qiáng)度在這個(gè)位置不那么重要。至于與結(jié)構(gòu)安全相關(guān)的零件，要看設(shè)計(jì)水平來整體把握：比鋼輕？還不一定呢。

下面回到正題。車身上什么地方用到剛才說的這些材料，怎么用呢？

一個(gè)基本原則：對的材料用在對的地方。換句話說，不同位置的需求不同，需要的材料也不一樣。

圖2: 汽車碰撞性能分區(qū)

汽車材料選擇中需要考慮的最重要的一點(diǎn)就是面對碰撞時(shí)的安全性。對于碰撞安全，車身可以分成兩個(gè)主要的區(qū)域：吸能區(qū)與安全區(qū)。如圖2所示，車身的前后位置可以認(rèn)為是吸能區(qū)，而中間乘客坐的位置，被定義成安全區(qū)。

不同區(qū)域?qū)Σ牧系囊蠛懿灰粯印１热缙嚨那昂蟛?，包含前后縱梁、吸能盒等零件。其需要的主要功能是對于來自前后端的碰撞進(jìn)行能量吸收。強(qiáng)度和變形圍成的面積可以大約認(rèn)為是材料吸收能量的能力。我們當(dāng)然不希望這些吸能零件在碰撞的過程中過早斷掉，所以有一定的延伸率是對這些零件的基本要求。其次的需求是強(qiáng)度。強(qiáng)度不要過強(qiáng)以至于把主要能量向后傳遞，也不要過弱以至于達(dá)不到吸收足夠能量的功能。合適的強(qiáng)度和良好的變形能力就是這些零件的需求。6系7系鋁合金，600MPa級的高強(qiáng)鋼都是合適的選擇。

駕駛員和乘客的安全絕對是重中之重。一個(gè)對安全區(qū)形象的描述就是“安全籠”（safety cage）的概念。組成“安全籠”的零件包括A柱，B柱，上下門檻，車門防撞梁等等。車身上最強(qiáng)的材料，比如熱成形鋼和高等級的先進(jìn)高強(qiáng)鋼就用在這里。這里對材料的要求很高，一方面希望材料足夠強(qiáng)以至于對安全籠的侵入量很小，不要傷害到乘客。另一方面在這很小的侵入過程中，還是希望能吸收足夠多的能量，材料不要破壞。

記住一點(diǎn)，碰撞的動能不被零件吸收，就可能被人吸收。碰撞中最重要的不是車子零件的變形程度，而是人的安全。以后大家對網(wǎng)上那些車輛碰撞以后誰贏誰輸?shù)膱D片和視頻，要有科學(xué)的判斷~

車門和發(fā)動機(jī)罩蓋這種覆蓋件對強(qiáng)度的要求就很低了，最主要的是剛度變形的要求。這里普通的軟鋼或者6系鋁板都可以使用。鋁板的減重效果在這些零件上體現(xiàn)的很明顯。不過因?yàn)殇X的成形性不夠好，如果發(fā)生了小規(guī)模剮蹭，鋁板是沒辦法修理的，只能更換。這方面鋼板就方便多了。

對于不同力學(xué)行為的材料用在的具體零件，可以參見圖3

圖3：不同材料對應(yīng)的車身零件

圖注：

綠色：低強(qiáng)度高延伸率，做汽車覆蓋件

藍(lán)色：適度的強(qiáng)度與延伸率的組合，吸能和安全的雙重任務(wù)

紅色：高強(qiáng)度低延伸率材料，核心安全零件，保護(hù)乘客安全

愛馳U5采用的是上車身鋼，下車身鋁的車身結(jié)構(gòu)。在作為吸能區(qū)的下車身前端，使用了5,6,7系鋁板、鑄造鋁、擠壓鋁等等不同的材料，最大程度的實(shí)現(xiàn)吸能的功用。而上面提到的“安全籠”區(qū)域大量的使用了先進(jìn)高強(qiáng)鋼和熱成形鋼，甚至于目前車身上最強(qiáng)的2GPa納米熱成形鋼，保證了成員倉的安全。