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汽車車身哪些部位需要高強度材質

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,各個部位根據需要采用不同的材質,不同的材質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,各個部位根據需要采用不同的材質, 不同的材質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。因為輕量化的需求,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用的傳統汽車品牌主要有
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,但是大規模的應用卻遲遲不來。主要是鎂的板材成形能力差,腐蝕問題也不好解決,目前的應用很有限。
4. 復合材料
碳纖維-強度高,減重效果好。瓶頸是材料和加工成本過高。
玄武巖纖維-價格和性能都不及碳纖維,目前屬于應用的初級階段。
那既然鎂和復合材料大規模應用還早,咱們就主要談談車身上的鋼和鋁吧~

先從兩個基本概念入手 :
1.強度: 強度又分屈服強度和抗拉強度。
簡單的說,屈服強度就是材料開始有不可恢復的變形(比如管子彎了沒辦法變直)時的強度,表征材料抗變形的能力??估瓘姸仁侵覆牧掀茐?(管子斷掉了) 時強度,表征材料抗破壞的能力。一般來說,抗拉強度總是大于屈服強度。當說到強度的時候,注意說的是哪個強度,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量尤為重要。
首先從鋼說起,必須要強調的是,“鋼”和“鋼”之間可也是有很大不同的噢。
圖1:高強鋼拉伸強度與延伸率的關系圖(圖片來自先進高強鋼應用指南 V6.0)
圖1展示了不同種類的汽車用鋼拉伸強度與延伸率范圍,行業內的人親切稱之為“香蕉圖”(像不像個大香蕉?)
可以看到,車身用鋼的強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,跨了一個數量級。軟鋼比較常見就不多說了。習慣上,我們把抗拉強度超過500兆帕的鋼稱作先進高強鋼(AHSS)。先進高強鋼中又分作第一代高強鋼,主要是雙相鋼(DP),塑性引導相變鋼(TRIP),復相鋼 (CP) 等等。其中雙相鋼是用的最多的。第二代高強鋼以孿晶誘導相變鋼(TWIP)為代表。
雖然孿晶誘導相變鋼強度和延展性都不錯,可是由于價格和性能(屈服強度太低,曾經有過延遲開裂的問題)等等原因,目前幾乎沒有應用。第三代高強鋼是目前汽車鋼研究的熱點,比較有代表性的是淬火配分鋼(QP),已經有主機廠使用。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?當然不是了。鋁的分類一般按照合金成分,一共有九個系列。目前在車身上用的比較多的就5, 6, 7系鋁材。其中5系因為變形模式的問題,不適合做汽車的外觀件,所以車門、發動機罩蓋、側圍這種拋頭露臉的機會一般就送給6系啦,專業上叫做A級表面。7系算是鋁合金中的高強材料,抗拉強度一般500兆帕,已經是目前鋁的極限了。和前面剛提到的鋼相比,基本就是先進高強鋼的入門級水平。所以以后說鋁合金強度有多高,千萬別拿鋼做參照,比不過啦~
不過鋁的天然優勢是密度小,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。最體現其價值的地方是覆蓋件,畢竟強度在這個位置不那么重要。至于與結構安全相關的零件,要看設計水平來整體把握: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
汽車材料選擇中需要考慮的最重要的一點就是面對碰撞時的安全性。對于碰撞安全,車身可以分成兩個主要的區域:吸能區與安全區。如圖2所示,車身的前后位置可以認為是吸能區,而中間乘客坐的位置,被定義成安全區。
不同區域對材料的要求很不一樣。比如汽車的前后部,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行能量吸收。強度和變形圍成的面積可以大約認為是材料吸收能量的能力。我們當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。其次的需求是強度。強度不要過強以至于把主要能量向后傳遞,也不要過弱以至于達不到吸收足夠能量的功能。合適的強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。一個對安全區形象的描述就是“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。車身上最強的材料,比如熱成形鋼和高等級的先進高強鋼就用在這里。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,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。以后大家對網上那些車輛碰撞以后誰贏誰輸的圖片和視頻,要有科學的判斷~
車門和發動機罩蓋這種覆蓋件對強度的要求就很低了,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的很明顯。不過因為鋁的成形性不夠好,如果發生了小規模剮蹭,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:不同材料對應的車身零件
圖注: 
綠色:低強度高延伸率,做汽車覆蓋件
藍色:適度的強度與延伸率的組合,吸能和安全的雙重任務
紅色:高強度低延伸率材料,核心安全零件,保護乘客安全

愛馳U5采用的是上車身鋼,下車身鋁的車身結構。在作為吸能區的下車身前端,使用了5,6,7系鋁板、鑄造鋁、擠壓鋁等等不同的材料,最大程度的實現吸能的功用。而上面提到的“安全籠”區域大量的使用了先進高強鋼和熱成形鋼,甚至于目前車身上最強的2GPa納米熱成形鋼,保證了成員倉的安全。
除了材料本身的強度,零件之間的連接強度對車身安全也非常的重要。 不同的材料對應不同的連接方法,從適合同種材料的焊接到適合異種材料的機械冷連接,需要選擇合適的方法。
 
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