汽车的减重计划以及刚度与强度的关系

汽车的长期减重计划

谈到车身结构设计，汽车工程师们最高指导原则便是在不降低刚度和强度的情况下减重。特别是最近几年燃油不断涨价，再加上汽车相关的环保标准越来越严格，汽车工程师一直在寻找方法将汽车减重，以求得更佳的燃油经济性，并且减少废气排放。

过去的几十年汽车的重量确实得到了卓有成效的减轻，也越来越省油。然而汽车减重的努力路途依然遥远，一方面※※对于省油性和废气排放的标准只会越来越严，不可能放松，另一方面车厂之间彼此在汽车省油性上的竞争也越来越激烈，汽车工程师仍然必须继续寻找减轻车重的新方法。

汽车工程师们为车身结构减重主要有两种策略，一是从结构设计着手，希望寻找更有效率的结构设计概念。另一方面则是从材料着手，寻求更高质量、更稳定的钢铁材料和更经济的制造方法，或者是更轻的替代材料。

车身结构轻量化

汽车减重像是一个连锁反应，起源便是车身结构的轻量化，如果车身结构可以设计得更轻，则悬架承载的重量减少，相应得底盘也可以减得更轻，汽车发动机要拉动的重量减少，又可以搭配排气量较小、较轻的引擎。

旧式的轿车及现在的卡车和部分客车是采用所谓“非承载式(full frame)”车身，即车身下方有一个以车架为承载负荷的主体，车身钣金件只是附加在车架上的铁皮而已，在结构上承载负荷的功能较小。近年来车身结构设计的思考已经转变成所谓“单体化(unibody)”架构，即“全承载式车身”，概念上是说车身结构由成型的钢梁和冲压的钣金件焊接结合为一个整体刚性的车壳，基本是所有钣金件都参与承载车身结构负荷。汽车业把这个刚性的车壳叫做“白车身(body in white)”，行话就简单叫做“BIW”。BIW通常占了车身重量的30%，是前面提到的汽车减重连锁反应的源头，在这个部分减重对于最终车身重量的减轻可以达到加倍的效果。

另外结构先进的话，也可以减轻重量，例如大家知道自然界为什么很多植物的秸秆都是圆的吗？那是自然选择的结果。原因是同样的材料，圆形的刚度更好，更不宜折断。

在车身中使用更轻的材料

汽车工程师们也都知道车身结构减重的重要，长期投入结构设计研究的结果是现代汽车的结构设计都已经非常成熟，要从中间再挤出改进的空间也越来越难。在结构设计上减重的策略逐渐达到极限时，汽车工程师开始转向第二个策略，注意如何在钢制的车身中使用密度较小的材料，例如塑料或铝合金等。

汽车材料的改变首先从内饰开始，例如现在几乎所有汽车仪表板都使用塑料材料，装饰护板也大都是轻量化的塑料。此外发动机缸体也逐渐从沉重的铸铁改采铝合金制造，特别是讲究轻量化的高性能车种。 钢铁材料使用的减少另一个原因是高强度的钢板被广泛使用，高强度的钢板其强度大约是一般低碳钢两倍，目前车身上大约20%的钢铁材料是这种高强度钢，使用比例还在继续稳定增加。采用高强度材料因为其强度较高，较少的材料也可以达成原先相同的结构强度，对于减轻整体重量自然也有帮助。

不过尽管汽车工程师们尝试寻找替代材料，钢板仍是现代汽车车身结构的材料最佳选择，在可预见的未来大概也一直会是如此。理由很简单，钢板仍是汽车制造最符合成本的材料，如果论重量计算的话，一般钢板材料的成本大约是铝合金的20%多一点，要用到复合材料的话成本更要贵上十几倍，而即使是使用高强度钢料，材料成本也只增加10%~15%。除了原材料成本低之外，汽车业界对于使用钢板为生产材料，早已累积了非常丰富的经验，钢板材料很容易成形，其强度、耐久性、耐冲击性都经过时间的证实。加上汽车厂在现有钢板成形、组装、回收设备上早已作了大量投资，除非突然有严厉的新法规出现，或者材料科技又重大的创新，不然很难看出钢铁制的车子近期内会有什么大改变。

高强度的钢铁材料

OK，汽车终究还是要用钢来制造。钢制的车子想要减重，唯一可做的是就是，用比较少的钢。前面提到实务上的作法之一，就是改采高强度的钢铁材料。

这里必须先解释一下，所谓材料的“强度”，概念上是说，材料承受多大的力时会发生破坏。钢铁材料有非常多，同样是铁，含碳的成分、合金的成分、或者制造、热处理的方式不一样，承载负荷的强度便会差异非常大。例如高强度低合金钢High-strength low-alloy (HSLA) steel掺入了稀有金属钛和铌，强度可以达到中强度低合金钢的两倍。

不过不管是什么钢，金属的本质还都是铁，强度可以差好几倍，密度却是完全一样的，意思是说，同样的体积不管是什么钢，重量完全一样。因此前面提到采用高强度的钢料，更细、更薄的结构也能达成同样的强度，材料就可以用的更少一些，重量就可以减少一些。

高强度低合金钢已经被发现几十年了，但是用在汽车上只是最近十几年的事，在现代汽车中60%的钢铁材料都是高强度或中强度钢。HSLA钢板成形的可塑性较差是重要的缺点，也是目前材料工程师研究的重点。HSLA还不是强度最高的，再往上去还有强度更高的钢铁材料，但是这些材料不是成本过高，就是可塑性过差，或者有焊接、镀锌困难等问题，因此在汽车工业上采用不多。

强度设计或是刚性设计？

您会问，既然这些高强度的钢料可以进一步减轻车身重量，材料成本也增加不多，如果制造上的问题可以克服，那么何不整部车都采用高强度的材料呢？

这个问题其实很深刻，不是机械行业的很难有清楚的概念。

这里首先要理清一个观念，强度其实不是结构设计上的唯一考虑，甚至不是主要考虑，在汽车结构设计上，最主要的考虑因素是“刚性”。

结构的强度和刚性字面上感觉起来似乎没什么不同，但在结构设计专业上可是完全两码子事儿。前面提到结构“强度”的概念是结构受到多大外力时会产生破坏，在汽车结构上只有大约20%的结构件以强度为最重要考虑，主要是车身结构上处理冲击负荷的部分，例如车前冲击纵梁、车身B柱等，通常我们希望在这些主要承受冲击的零件采用高强度钢。

刚性英文是“stiffness”，而在描述汽车结构时常用的英文字则是“rigidity”，
刚性主要的概念是结构受到外力时产生变形量的大小，简单的说，受到同样外力变形量很大，表示结构刚性差，变形量小则表示结构刚性好。

早先车身设计上对刚性的考虑只要不要让汽车过度变形，门还可以关上就好。现代汽车提升刚性则成为车身结构设计上真正的焦点。除了提升安全性之外，车身刚性提升还可以改进汽车的操控性和行驶性能，减低发动机或路面不平造成的振动。

材料的刚性是由其“弹性模数(modulus of elasticity)”来代表，就像弹簧都有“弹簧常数”，弹簧常数越大，表示弹簧越“硬”，施力时的变形量越小—刚性越大。这里要提出另外一个重要的概念是，钢铁材料强度的变化范围非常大，但是不管什么钢，弹性模数都是一样的。

简单的说就是强度好代表材料不宜断，但是可能变形大，可以说是“柔韧”，而刚度好代表可能比较硬但是容易断，就平常说的“比较脆”。

提升车身结构的刚性

所以如果结构设计的设计目标是提升刚性，使用高强度钢板不会有任何帮助，因为材料的弹性模数不会改变，如果你要将车子现有的单体结构BIW刚性提高，唯一可以用的策略是增加钢料，其中的学问是如何把钢料补强在最关键的部位，增加少量钢料即能大幅提升刚性。也就是说，如果你在追求减重，采用强度相同但是较薄的高强度钢板，那么刚度就会降低。因此又要在某些要求刚度较高的部位增加钣金厚度。这就形成了一个矛盾，一方面减轻了重量，另一方面又增加了重量。

另外一个有趣的现象是，铝的密度大约是钢的三分之一，但是铝的弹性模数大约也只是钢的三分之一。意思是说，同样的结构采用铝合金材料重量会是采用钢铁材料的三分之一，但是结构刚性也只是采用钢铁材料的三分之一，因此如果同时希望提升刚性和减轻重量的话，要不要改采铝合金材料，这个算盘可就得好好算一算了。

    简言之就是，采用薄钢板的车身不一定不好，它可以是高强度钢和先进的结构；采用厚钢板的车身也不一定好，它可能是车身减重的技术水平不够。总之一句话，只要达到国家相应标准，采用什么材料不重要。

最后给您一个家庭作业，测量一下您的爱车刚性够不够。找一个路边人行道之类的，把车子开上去，但是只有一个轮子挂在路肩上。这时候车身重量分布不均匀，一定会造成车身结构的变形，试试看开关您的车门，如果车子刚性不好，门框变形量太大，车门可能会关不起来。其实专业厂家测量车身刚度的方法也就是所谓的单轮悬空法，与上述原理一样。

有关钢材机械性能的名词
1.屈服点（σs）
钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。
设Ps为屈服点s处的外力，Fo为试样断面积，则屈服点σs =Ps/Fo(MPa)，MPa称为兆帕等于N（牛顿）/mm2，（MPa=106Pa，Pa：帕斯卡=N/m2）

2.屈服强度（σ0.2）
有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值（一般为原长度的0.2%）时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2 。

3.抗拉强度（σb）
材料在拉伸过程中，从开始到发生断裂时所达到的最大应力值。它表示钢材抵抗断裂的能力大小。与抗拉强度相应的还有抗压强度、抗弯强度等。
设Pb为材料被拉断前达到的最大拉力，Fo为试样截面面积，则抗拉强度σb= Pb/Fo（MPa）。

4.伸长率（δs）
材料在拉断后，其塑性伸长的长度与原试样长度的百分比叫伸长率或延伸率。

5.屈强比（σs/σb）
钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75合金结构钢为0.84-0.86。

6.硬度
硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。

国外汽车车身用高强度钢板及其问题对策

汽车车体轻量化可达到降低CO2排放量的目的。强化车身结构，增加高强度钢板的使用量，可提高其撞击安全性。无论从成本角度，还是从性能角度来看，高强度钢板是满足车体轻量化、提高撞击安全性的最佳材料。为适应今后更为严格的规定，高强度钢的使用量将会越来越大。随着用户对撞击安全性能要求的提高，其作用也将愈发明显。然而，随着高强度钢板强度的增加，其加工性变差，使用难度也随之增大。

尽管高强度钢板的使用量在20世纪90年代处于停滞状态，但在社会对撞击安全性认识提高的前提下，日本和欧洲分别于1995年和1996年引进了日本国土交通省和汽车事故对策机构的汽车评估程序(J—NCAP)以及欧洲新车评估程序(Euro—NCAP)，同时公开了汽车安全信息。随后，高强度钢板的使用量再次攀升。1998年，欧洲对局部正面撞击试验实行法制化，欧盟委员会为此制定了一项自愿协议，以减少轻型客车的CO2排放量。该协议规定所有的机动车在2008年之前达到140g/km的CO2排放标准。这种规定加速了高强度钢板的使用，目前，已开发出适合汽车各种零部件用的钢种，从而拓展了钢种范围。

1高强度钢板在轿车车身上的应用

高强度钢板的应用对于汽车轻量化和提高撞击安全性是十分有效的，各汽车制造厂的高强度钢板使用比例正在不断提高。资料显示，高强度钢板的使用率达30%～50%，是旧车型的15～5倍。

11高强度钢在汽车面板上的应用

车顶、车门、行李箱等部件要求具有变形刚度和抗凹陷性，主要使用抗拉强度为340～390MPa的烘烤硬化钢板(BH钢板)。BH钢板的屈服强度在烘烤涂漆时升高，可在不损失成形性的前提下，提高抗凹陷性，减薄钢板。现在，有的车型已使用440MPa级BH型高强度钢板。

12高强度钢板在车体框架上的应用

随着正面撞击、侧面撞击的撞击安全性标准的提高，结构件、加强件等主要使用590MPa级高强度钢板，也有厂家使用780MPa级、980MPa级高强度钢板。有些厂家甚至采用将390MPa、440MPa级高强度钢板冲压成形后，对强化部分进行高频加热和淬火，以使部件局部抗拉强度达到1200MPa，并在冲压加热钢板的同时进行冷却，以使部件整体抗拉强度达到1470MPa的方法。此外，还有采用激光拼焊方法，将不同厚度、不同材质钢板拼合起来，使材料配置适用于所要求材质和使用部位。尽管拼焊材料在使用初期以提高材料利用率为目的，仅用于小型部件上，但最近已将拼焊材料扩大应用于车身侧板和车箱底板等大型部件。拼焊板主要采用400～590MPa级高强度钢板，也有使用780MPa级和980MPa级高强度钢板的情况。

13高强度钢板在汽车底盘上的应用

悬挂梁用材已从传统的440MPa级热轧板发展到780MPa，最大减重达30%。近年来，高强度钢板在底盘上的使用比例正在急剧增加。今后，高强度钢板的使用比例及更高强度钢板的应用有望进一步提高。

14DP钢、TRIP钢等钢种的应用

DP钢板的主要组织是铁素体和马氏体，其中马氏体的含量在5%～20%，强度为500～1200MPa。DP钢具有低屈强比、高的加工硬化指数、高烘烤硬化性能、没有屈服延伸和室温时效等特点，一般用于需高强度、高抗碰撞吸收能且也有一定成形要求的汽车零件，如车轮、保险杠、悬挂系统及其加强件等。双相钢的基本成分为C和Mn，有时为了提高淬透性还添加一定量的Cr和Mo。特别的组织结构使得DP钢板具有以下几个优点：①屈服点低，抗拉强度高，屈强比低；②无屈服点伸长或是屈服伸长，应力应变曲线平滑；③伸长率高；④初始加工硬化率高，加工强化性能好；⑤抗疲劳性能好。所以DP钢特别适合冲压翻边性能良好的部件，一直被汽车界所关注，有可能成为汽车特别是轿车首选的冷轧高强度钢板。

TRIP钢包括热轧、冷轧、电镀和热镀锌产品，主要组织是铁素体、贝氏体和残余奥氏体，其中残余奥氏体的含量在5%～15%，强度为600～800MPa。

TRIP钢具有高延伸率，同DP钢相比，起始加工硬化指数小于DP钢，加工硬化指数在很长的应变范围内仍保持较高，特别适合胀形成形。TRIP钢的主要成分是C、Si和Mn，其中Si的主要作用是抑制贝氏体转变时渗碳体的析出，但对于钢板表面质量不利。在日本，TRIP钢板已被用在概念车底盘的约80种零件上，同传统钢板相比，用这种钢板制造的零件重量减轻约l2%，每台车重量减轻约l4kg。

复相CP钢同TRIP钢的组织类似，只是CP钢中含有马氏体而非残余奥氏体。通过马氏体和贝氏体以及析出强化的复合作用，CP钢的强度可达800～1000MPa，特别适合于车门防撞杆、保险杠和B立柱等安全零件。

马氏体(M)钢的生产是通过高温奥氏体组织快速淬火转变为板条马氏体组织，可通过热轧、冷轧连续退火或成型后热处理而生产的，是目前商业化高强度钢板中强度级别最高的钢种。主要用于成型要求不高的车门防撞杆等零件代替管状零件，减少制造成本。

MnB钢或热成形钢主要含有Mn和B等元素，具有非常好的淬透性。热成形过程包括将毛坯件加热奥氏体化，然后在红热状态将钢板冲压成形，然后利用模具的冷却能力将零件淬硬成马氏体。整个成形过程大约需要15～25s。

2高强度钢使用中的主要问题及其对策

21高强度钢板的成形性

钢板高强度化易引起塑性下降，成形性变差，而屈服强度的提高则引起面畸变和回弹效应，增加形状不稳定性，因而，高强度钢板是一种难以成形的材料。典型的成形缺陷有开裂、形状不良、尺寸精度不良和卡模具等。

开裂：高强度钢板强度的提高，不仅易引起塑性下降，也会使胀形断裂极限和拉伸翻边断裂极限下降。随着钢板的高强度化，更易产生裂纹。另外，由于高强度钢板需要大的成形力，连续加工时，若模具温度升高，则发生卡模具现象，其结果也会诱发裂纹的产生。

形状不良：屈服点升高时，易发生起皱现象。起皱不仅会造成卡模具和裂纹，也难以在成形后期消除，其结果往往导致形状不良。由于不能在成形后期消除起皱，冲压件不能在下死点成形。成形后的弹性回复引起的形状不良以及起皱引起的面应变也是很大的问题。

尺寸精度不良：材料强度升高时，残余应力增大，易产生成形后弹性回复引起的形状不良和尺寸精度不良(回弹)等。这是高强度钢板成形中最为严重的问题。回弹是板厚方向应力差引起的以冲压件角度不合格和面翘曲为代表的尺寸精度不良现象。

卡模具：高强度钢板成形时需要大的成形力，以使坯料与模具的接触压力增大，这时易发生卡模具现象。若这一现象严重，则应修正模具。这不但需要有更为合适的材质对模具进行表面处理和淬火处理，也会缩短模具的维修期，增加模具维修费用。

22解决问题的措施

发生卡模时，需对模具表面进行处理。采用淬火及其它热处理方法对模具进行变形矫正、镀层处理以及模具对合等至少需要10天时间。由于模具表面硬化，模具修正时间随之增加。因此，高强度钢板部件的扩大使用已成为汽车批量生产准备阶段的关键。从缩短生产准备时间的角度考虑，需要开发比传统钢板更为严格的事前验证技术。近年来，各汽车制造厂和钢铁厂研究了各种各样的成形技术，有些成形技术已实用化。

221防止开裂、形状不良(起皱)的技术

钢板的高强度化易引起成形性下降，因而，对原有复杂形状的部件进行冲压成形变得非常困难。然而，采用能使部件形状平直化的做法则是一种有效的方法。随着电子计算机处理速度和软件功能的提高，模拟成形技术有了飞速发展，可以高精度预测开裂、起皱等形状不良缺陷。现在，模拟成形技术已被应用于开裂、起皱预测、适用压边力设定、坯料合理余量设定和刚性筋冲头形状最佳化等。

222防止尺寸精度不良(回弹)的技术

随着汽车结构件用材高强度化的快速推进，近年来，在冲压成形方面开发能防止回弹技术的呼声日益强烈，为此，在模具结构方面采取了以下措施：

(1)用凹模肩部附近的反向弯曲，减小冲弯加工中常出现的面翘曲。

(2)在模具上设置压筋，将下死点附近的凸起部分压入钢板，使板厚方向产生的残余应力得以缓解，以防止面翘曲的发生。

(3)在成形过程中水平地移动工具，利用凹模肩部的台阶状在下死点前分段冲压，对冲模侧壁的坯料施加张力，以抑制冲头肩部的反弹和面翘曲。

(4)在设备工艺方面的措施是采用热冲压方法制造高强度部件的工艺。将800MPa级钢板加热到奥氏体温度区间(900℃以上)时进行热冲压，同时在冲模内对冲压件快速冷却，再进行淬火强化，以此制造抗拉强度≥1500MPa部件。对于980MPa级高强度钢板来说，冷冲压产生大的回弹和面翘曲，而热冲压则完全没有这些问题。此外，还有弯曲冲压成形法，即在一次成形中完成全部成形过程的大部分，然后进行压筋加工二次成形，施加高压边力，以抑制坯料从压边处流入。

(5)在模具设计时，必须预测坯料反弹量。预测模具形状的方法已作为防止回弹的措施而被广泛应用。各汽车制造厂和钢铁厂近年来在提高预测精度方面做了许多研究工作，已开发出FEM解析法、模具形状预测法、分步法等预测回弹量的方法。FEM解析法预测精确度并不十分理想，通常的回弹量预测值小于实际板面回弹量，近年来，随着模拟软件、硬件和解析技术的进步，预测精度正在不断提高。模拟成形法的作用正越来越明显，可以对裂纹和形状不良进行高精度预测，该方法现已被实际应用，但目前只能对预测反弹进行定性评价，在高精度定量解析方面尚有许多未解决的课题。分步法是将应力卸载区域分割为多个小区域，按顺序对每一区域进行弹性回复计算，以提高解析收敛性，提高解析计算精度，然而，要达到实用化所面临的问题是解析计算时间很长，难以获得材料参数。

223防止卡模具的措施

新的薄膜处理方法———金刚石状碳(DLC)薄膜处理方法可以解决影响生产率的卡模具现象。此外，采用DLC－Si薄膜处理方法处理模具，也可使其使用寿命比现行用TiC和TiN处理的模具使用寿命提高1倍以上。从控制模具成本角度考虑，还提出通过模拟成形，事先对需要进行表面处理部位进行预测的方法。随着高强度钢成形力的增加，冲压设备能力不足也是值得关注的问题。简化冲压件形状以及采用拼焊材料是解决该问题的有效方法。这对增加成形工序道次及重新审查冲压部件的划分情况和工序划分情况也是有效的，但这种方法涉及到成本的增加，需加以认真研究。

3结语

用户在高强度汽车板使用过程中必然会碰到许多与材料相关的技术问题，因此，钢铁厂除研究高强度钢本身的基本材料特性之外，还应研究高强钢的成形问题、各类激光拼焊及拼焊板的成形问题、高强度钢零件之间的点焊问题、高强度钢零件的磷化和后续涂装问题。钢铁厂只有把高强度钢的相关问题研究透了，才能更好地满足汽车用户的需要。

中国汽车工业正处于高速发展时期，还有较大的发展空间。汽车用高强度钢板将是今后汽车板发展的主流，大量使用高强钢是解决汽车减重、节能、安全、环保的重要途径。钢铁厂在研究开发及推广应用高强钢汽车板方面还有很多问题要解决，只有与用户形成良性互动研发途径，才是解决这些问题的有效办法之一。

相同的先进结构，使用厚的钢板不是更加安全吗？研究先进结构的目的是要结省成本，安全性能只要能够符合法规要求或者更高一点胜过竞争对手就可以了。

我要是老板一定这样要求员工，

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