第二章 用于制造轻量化汽车结构件的先进钢材

    在燃料经济性、安全性和排放变得如此重要的环境下，汽车工程师的最终目标是完成高效能的设计，通过对每一个部件进行最合适的材料选择，使得所有材料的选择与结构设计工作结合起来一起进行，从而得到高效能的汽车结构。对于给定的设计要求，如果没有对于这些材料如何有效地运用到汽车结构中的讨论，则用于汽车轻量化设计的材料的讨论就不完整。
    为了设计有效的车身结构，使其重量最轻，汽车每一个零件，无论是子系统的零件还是整车部件的设计对整车性能都非常关键。单个零件、一些部件和它们的子系统之间的相互作用以及每一个子系统之间的相互影响将最终决定整个设计在结构和轻量化方面是否成功。
    材料在整车性能中所起的作用不像组成汽车的零件和系统的设计那么重要，换句话说，整车设计和结构的负荷传递路线效率比为汽车的每一个零件选择材料更重要。从另一个角度看，低效的结构设计不能通过使用最新最好的材料而变成高效的设计。但优异的材料选择确实能使好的设计更加杰出，这也应该是每一款汽车设计的目标。
    当设计新的汽车结构时，每一位汽车设计者首先需要完成的工作之一是建立一个基本思路：汽车的负荷和碰撞能量如何管理，所有主要部件和子系统将如何“装进”分配的空间。将最终确定零件和子系统效能的是负荷传递部件或子系统可获得的空间大小。对汽车设计者而言，部件的强度和它们传递以及分配负荷的能力是非常重要的。为了更好地理解这一点，让我们看一个简单的汽车结构的例子（见图2-18），从图中可以看出负荷如何通过结构件传递。

图2-18简单的汽车结构

    图2-18示出了汽车结构的大部分部件，要非常精确地确定主要的车身结构零件的数量比较困难，因为为了便于制造，在实际中通常将许多大的零件分解成小的零件进行制造。尽管这一数量可能在汽车制造厂所依照的设计与制造原理之间存在差别，典型车身结构通常由400～450个零件组成，它们组成 40～50个主要部件。这一数字不包括封闭板件：发动机罩、翼子板、车门和后行李箱盖。这些板件通常不认为对车身结构有重要影响。剩余的零件主要由各种加强件和支架组成，它们对汽车结构有重要影响，但本章不讨论这些零件。
    汽车前端典型结构如图2-19所示，主要负荷传递部件包括：保险杠、发动机室纵梁、车身下边梁。其他部件包括车轮内挡泥罩、前围板、通风栅板、车身前铰链柱。尽管这些部件对整车结构而言非常重要，并且能够吸能，但前端碰撞时能量的主要传递路线是通过保险杠到发动机室纵梁，发动机支架（图中未示出）和车身下边梁（见图2-20）。

图2-19汽车前端结构

图2-20汽车前端结构的负荷方向

    从图中可以看出，保险杠首先承受碰撞负荷并将其传递给发动机室纵梁，所有剩余的能量传递给车身下边梁。保险杠的功用是尽可能地承受碰撞负荷并将其传递给发动机室纵梁。保险杠的设计要求阻止其变形，因而通常由强度非常高的钢制造。抗拉强度高的钢更适合用于保险杠，因此双相钢和马氏体钢通常更适合。通过辊轧将这些钢成形为合适的形状是一种高效低成本的制造工艺。
    与此相反，发动机室纵梁的功用是吸收能量并减少传递到乘客室的能量。为了吸收足够大的能量，发动机室纵梁被设计成能够产生足够的但是可控的变形。发动机室纵梁通常由传统的高强度钢制造，屈服强度为300～500MPa的沉淀硬化钢和碳锰合金钢是最常使用的材料。双相钢的吸能性与相同屈服强度的传统钢相比更好，因此双相钢成为发动机室纵梁常用的材料。抗拉强度为590MPa、屈服强度为340MPa的双相钢，通常称为双相钢600或DP600，已经被成功地应用于发动机室纵梁，并且现在已经被来自欧洲、亚洲和北美的许多汽车制造厂生产。DP800等级的双相钢通过合适的设计已经被证明甚至具有更好的吸能性，并且显示出了这种钢良好的应用前景。为了吸收大部分的能量，工程师通常试图将这些碰撞吸能纵梁设计成手风琴折皱形状，即当受到轴向碰撞时要求纵梁形成折皱，这样可以最大限度地吸收能量。在图2-21中示出了纵梁在受到轴向冲击前、后的形状。在图b中试验后的纵梁在轨道区的折皱非常明显，在变形过程中这些折皱通过弯曲和非弯曲吸收大量的能量，这一过程可以通过计算机进行有效地模拟。运用上述方法，模拟和试验表明双相钢比传统的高强度钢能够吸收更多能量。抗拉强度为590MPa、屈服强度为340MPa的双相钢与屈服强度相当、抗拉强度为410MPa的微合金钢相比吸能高10%～15%（Yan et al，2005）。这些优点是实现汽车轻量化结构的关键。

图2-21发动机室纵梁的轴向碰撞
a）碰撞试验前的发动机室纵梁b）碰撞试验后的发动机室纵梁
 

    图2-19和图2-20中的车身下边梁与发动机室纵梁正好相反，它趋向于阻止折皱。这一点很重要，因为车身下边梁就位于乘客室下方，那里不希望有变形。使乘客室尽可能小地变形就可以维持乘客的空间，这是设计者的最大愿望，也是防止伤害的重要策略。这一概念在汽车工业中被称为“安全笼”，即在乘客周围区域设计的大部分结构件都是为了保护汽车的内部空间，从而减少可能的严重伤害。

图2-22车身侧构件

    汽车上的任何其他位置都不如汽车结构内部更适合“安全笼”这一概念。如图2-22所示，在没有侵入乘客室的情况下，车身侧构件几乎没有或者根本没有碰撞吸能空间，当发生侧碰撞时，车身侧构件侵入乘客安全区域是汽车设计者力图避免的问题。这一区域对乘客的安全如此重要，以至于世界上许多国家、管理结构和安全组织建立标准,测试汽车防止侧面侵入性能。
    从图中可以清楚地看出车身侧构件的复杂程度、零件数量以及组成一个完整系统的子系统的数量。车身侧构件的设计工艺、材料选择以及如何调整子系统性能是非常困难的，需要一支有实践经验的、有才能的工程师队伍。尽管此书不能详细介绍车身侧构件设计和负荷管理这样的问题，但能够详细介绍主负荷和材料选择基本思路。
    侧面碰撞的负荷方向主要对着B立柱，汽车的外覆盖件（见图2-23）主要由非常薄的低碳钢和烘烤硬化钢板组成，它通常不能对汽车的整体结构起主要作用。

图2-23侧面碰撞负荷方向

    但是构成汽车内部结构的零件，包括B立柱外加强件、下边梁、上边梁是主要负荷承受部件。如前所述，车身侧构件抵抗碰撞力并且不产生明显的变形而使车内的乘客处于危险中。因此这些零件应使用高强度钢制作成需要的形状。B立柱外加强件和下边梁是两个承受高负荷的部件，并且是抵抗侧面碰撞的最重要的部件。由于这些零件被设计成能够抵抗碰撞变形或者只在预先确定的区域碰撞变形，正如以前所讨论的原因，它们由高强度钢制造，并且按需要的形状成形。对于B立柱外加强件，所用的最高强度的钢是马氏体钢，但在常温下使马氏体钢成形制造成通常的马氏体钢零件是不可能的。因此这些零件通常是用硼钢热冲压而成。使用这一工艺，零件最终的抗拉强度可以达到1400MPa左右，屈服强度接近1000MPa。从性能上看，当需要承受高负荷并且需要限制变形时，热冲压零件对轻量化和高性能而言通常被认为是最佳选择。
    上边梁在抵抗侧面碰撞中也发挥着重要作用，由于力是从被撞的B 立柱传递的，负荷传递至下边梁和上边梁，乘客室上部明显的侵入将可能对乘客造成伤害。因此，可以考虑是否可以将模压淬火钢也作为这种用途的零件的材料。这一区域如此重要，以至于汽车制造厂在某些汽车上安装了侧碰撞安全气囊，以防乘客受到伤害。
    但车身侧构件设计与上述简单分析有许多细微差别，采用更改这些区域的材料和选择合适的强度的设计策略，使更多的负荷传递到车身下边梁，较少地传递到上边梁。这样可能减少传递到乘客头部和胸部位置的力，更多地将力传递到车身下部，在这些位置通过撞击其他不重要的部件而使力被无损害地吸收。采用这一策略，通过调整这些部件的设计和材料选择，能够使负荷转移到对乘客危害较小的区域。
    除了车身侧构件以外，当碰撞力大到足以传递到车身上部结构件时，如图2-22所示的车顶结构也用来抵抗侧面碰撞，在这里，力从B 立柱加强件传递到上边梁，如果负荷足够大，中间车顶弯梁将受到负荷的作用。在某些设计中，车顶弯梁采用高强度钢，以便支撑上边梁，并且最终将负荷传递到另一侧，离开负荷主传递路线。
    在某些碰撞事故中还有其他重要的负荷传递路线。对于后碰撞，后保险杠和后纵梁起着与发动机室纵梁相同的作用。这些后纵梁起着双重作用：不仅保护乘客，而且在大冲击负荷下可以保护油箱，避免油箱漏油。当汽车发生翻滚时，车身顶部和侧面结构提供的保护与它们受到侧面碰撞时提供的保护一样，除非撞击负荷的方向与侧面碰撞事故有很大的不同。高强度上边梁和B立柱可以防止车顶坍陷，保护车内的乘客。