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钢质骨架车身就无轻量化可言吗?

作者:千赢国际  来源:千赢国际  时间:2019-09-13 17:51  点击:


  关于汽车车身轻量化,大家印象中最为深刻的可能就是诸如塑料、铝合金、碳纤维等轻量化材料,各大汽车厂商和媒体对轻量化材料在车身制造上的应用也都非常重视,比如说以宝马 i 系为代表的民用级碳纤维车身、将铝用到极致的捷豹 XFL 全铝车身等,都把新材料玩得风生水起。

  新材料固然光彩夺目,有朋友可能就要问了,难道 星光暗淡 的传统钢质骨架车身就无轻量化可言吗?

  答案当然是否定的,相比于一上市就能吸引大众目光的新材料车身,钢结构车身这位不太擅长自我表现的邻家大男孩恐怕已哭晕在厕所了。

  话说回来,如果大家都在着眼将来,那谁来顾及现在呢?作为现今应用量最大的钢质骨架车身,理应受到大家的重视。今天车聚君就来和大家聊聊钢质骨架车身的钢材种类以及轻量化手段都有哪些。

  汽车用钢主要涉及到低强度钢(屈服强度小于 210MPa)、高强度钢(屈服强度在 210MPa~550MPa 之间)、超高强度钢(屈服强度大于 550MPa)三类。由于成型、焊接以及使用部位不同,低强度钢和高强度钢(包括超高强度钢)在轻量化手段上会有一定的差异。

  随着制造技术以及使用理念的进步,低强度钢逐渐退出了力学性能要求较高的结构区域,转而集中在力学性能要求较低的部件上。而对于这类零部件的轻量化手段,现主要是通过分析以及优化设计方法,对零部件结构进行改进。

  举例来说,我们经常能在白车身上看到很多孔洞结构,除开排水孔、定位孔、线束孔等功能性孔洞,其中还包括大量的减重孔。除去减重的优点,这种孔洞还有优化受力分布以及提高车身 NVH 的功能。

  此外零部件的集成、小型、仿生化也是常见的技术手段。而零部件集成、小型化做得最好的当属电子产品了,十几年前一大堆的音像和通讯设备,现如今都高度集成在一部智能手机上。

  同样,汽车轻量化也是采用了这种效果显著的手段,将众多零件统一为一个零件,这样既节省生产成本,又达到了轻量化,一举两得。

  关于车身集成、小型化的例子就无需多言了,从大方向上来说,轿车多采用的承载式车身本身就是集成、小型化的结晶;具体来说,车门等一次成型件就是比较有代表性的例子了。

  在某些方面,汽车构造与人体结构非常相似,各个零部件都有着一定的使用目的。我们知道人的身体骨骼以及肌肉结构在不同的区域是不同的,比如下肢骨骼会更加粗大,而上肢则更加讲究灵活性,这些都是为了应对不同的使用目的而产生的。

  汽车也是如此,通过零部件的仿生设计来对零件的质量进行优化,在承受高负荷的部位储存材料,低负荷部位去除材料,使得质量处在最佳的位置,同时又能延长零件的使用寿命。

  虽然厂家正在逐渐加大高强度钢的使用比例,但车身作为一个整体,各区域的受力情况还是不同。高强度钢纵然能提高车身强度,但无形中成本会提高。所以,在强度要求不高的区域或是小型非结构件的用料方面,低碳钢还是很值得研究的。

  高强度钢在汽车上的应用可谓是一把双刃剑,力学性能提升的同时也带来了成本以及制造难度的加大,基于这些原因,高强度钢主要用于制作车身外板、车身内板以及车身结构件。

  车身结构的轻量化是以不损失原有车身安全性以及整车性能为前提的,综合考虑高强度钢的特点,这种材料的轻量化主要是通过先进的成型(液压成形、热冲压成形、辊压成形等)以及焊接技术(激光焊接、摩擦焊等)来减少钢材的使用量,并达到钢材生产薄壁化要求。

  这里以热冲压成形技术为例,这种技术采用了先将胚料加热至一定温度,然后用冲压机在相应的模具内进行冲压成形的方法。它能够有效地提升车身零件的强度(可达到 1500MPa)、降低零件重量(20% 左右)、改善零件冲压成形的可行性(延伸率可达 70%)并有效地控制零件的回弹(回弹力可靠小 90% 以上)。

  ▎溃缩吸能:虽然溃缩吸能结构设计还在被某些朋友诟病,但不可否认的是这类结构已然成为趋势;

  ▎车架安全结构设计:比如说框架式车身结构就有着重量轻、结构合理、安全性高等优点。

  比如说丰田 GOA 车身(可溃缩车体设计)、马自达的 MAGMG 车身(也称 3H 车身,现使用率很大)、奇瑞的 3R body 车身(车身一处受力可迅速分散至全身)、奥迪的 AFS 车身(虽然使用的是铝合金,但车身空间框架结构才是最大的亮点)、沃尔沃的高强度钢车身(高强度硼钢使用率在 40% 以上,安全性的有力保障)。

  这里可能有朋友会有疑问了,现在不应该是各种新材料大行其道的年代吗,传统的钢质骨架车身还有研究的必要吗?就如开头对于钢质骨架车身轻量化的质疑一样,这当然是有必要的,大家切不可一叶障目。

  从钢材使用率上来说,现在钢铁材料在乘用车上的使用率约 60%,而在商用车上的使用率则更高,约 80%。

  在综合考虑刚度、强度、可修复性、可回收性以及成本问题后,我们会发现还是钢材综合性最好。除此之外,也被称为新材料之一的高强度钢,相比于其他新材料在使用覆盖率、稳定性等因素上面还是占据着很大的优势。

  换句话说,高强度钢是手握着传统钢材的技术基础发展而来的,在以成本控制严格著称的汽车制造上具备着明显的优势。加之现代各种分析技术的应用,钢质骨架车身在轻量化上还是存在着发展空间,其中就包括钢材料的力学性能改进、加工性能改进、焊接方式改进等等。

  我不怀疑全新的车身时代将会到来,但这并不妨碍具备着进一步发展活力的钢结构车身存在于世,汽车轻量化的未来是美好的,钢结构车身支撑着当代,并在未来功成身退。

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