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汽车车身哪些部位需要高强度材质为什么?

作者:老哥论坛 发布于:2020-12-01 12:39 点击量:

  上回跟大家谈了一下对于电动车续航的看法,这次该聊一聊与汽车安全息息相关的车身材料问题了。

  在这个话题下,@Shijia的回答已经很到位,那我就换个角度作为补充吧~

  为了更走心地回答这个问题,以下是我们技术中心车身材料的博士工程师的亲自作答时间。

  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。

  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@Jaguar捷豹中国,新能源汽车品牌中,@TESLA@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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。顺便说一句,咱们爱驰U5 ION 可是全世界首款使用2GPA强度热成形钢的SUV。

  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。

  说到这,朋友们对车身材料的选择是不是有了基本的了解呢?如果你有更多与车身材料相关的问题,也欢迎给我留言,咱们一起探讨~如果还有其他和新能源汽车相关的各种问题,都可以直接抛来,我直接抓一只相关领域的工程师亲自解答(*`▽´*)

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