閆 輝

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

1 引言

隨著全球汽車保有量的增加，汽車尾氣排放已成為造成全球性溫室效應(yīng)及能源極度消耗的原因之一。各國(guó)為此制定了非常嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，對(duì)汽車的排放提出越來(lái)越高的標(biāo)準(zhǔn)。汽車輕量化是解決節(jié)能減排的最佳途徑之一。輕量化水平和工藝加工能力的進(jìn)步和新材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用密切相關(guān)，汽車的輕量化也將隨著節(jié)能減排和碰撞安全性的要求不斷的深化發(fā)展。筆者分析了車身結(jié)構(gòu)中材料輕量化的選用策略。對(duì)實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排具有重要的實(shí)用價(jià)值，對(duì)汽車車身的輕量化設(shè)計(jì)也具有重要的參考價(jià)值。

2 低強(qiáng)度鋼的應(yīng)用

傳統(tǒng)車身汽車設(shè)計(jì)中，汽車車身鈑金大多采用低強(qiáng)度IF鋼或軟鋼等，它們的屈服強(qiáng)度一般在200MPa以下，具備良好的成型性能，生產(chǎn)成本較低，大多用于大型車身覆蓋件類。

隨著材料冶煉新技術(shù)的應(yīng)用，高強(qiáng)度低合金鋼HSLA、烘烤硬化鋼HB、低碳和超低碳的含P鋼、高強(qiáng)IF鋼等高強(qiáng)度鋼得到廣泛應(yīng)用，其屈服強(qiáng)度在210～550MPa之間，車身大部分構(gòu)件均采用此類高強(qiáng)鋼。

近年來(lái)屈服強(qiáng)度在550～1200MPa的超高強(qiáng)度鋼板應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如DP雙相鋼、相變誘導(dǎo)塑性鋼TRIP、復(fù)相鋼CP及馬氏體鋼M。采用超高強(qiáng)度鋼板能有效降低車身鈑金的厚度，提高零部件的疲勞特性，增強(qiáng)汽車部件在碰撞中的吸能性能。

高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度的應(yīng)用范圍已從2000年的30%左右，提升到2006年的70%左右，近一兩年有些車型高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度的應(yīng)用范圍更是達(dá)到了85% 以上［1］。

側(cè)圍、頂蓋、車門(mén)及前后蓋作為車身覆蓋件，除了滿足造型要求外，還要具備一定的剛度和抗凹性。目前車身外覆蓋件主要使用高強(qiáng)度IF鋼、各向同性鋼和一些低強(qiáng)度級(jí)別的雙相鋼系列如DP300/600、抗拉強(qiáng)度較高的烘烤硬化鋼板，如BH鋼板等?，F(xiàn)在有些整車廠也有將抗拉強(qiáng)度在440MPa級(jí)的BH型高強(qiáng)度鋼板用于車身外覆蓋件。

車門(mén)、前后蓋內(nèi)板結(jié)構(gòu)比外板復(fù)雜，因此要求內(nèi)板采用成形性和深沖性能更為優(yōu)良的鋼材。內(nèi)板多采用成形性和深沖性能優(yōu)良的IF鋼，少量使用IF增磷鋼和TRIP鋼，此類鋼材的抗拉強(qiáng)度通常在180～340MPa范圍內(nèi)。圖1為車身外覆蓋件零件示意圖。

圖1 車身外覆蓋件示意圖

表1為上海汽車幾款量產(chǎn)車型材料選用對(duì)比圖。從表1可看出，車身覆蓋件厚度大概在 0.6～0.8mm 這個(gè)區(qū)間，選用的材料相對(duì)較軟，這主要和有些外覆蓋件結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，深度較大有關(guān)。如榮威350的側(cè)圍外板在整個(gè)Y向的深度大約為200多mm。

表1 上海汽車幾款量產(chǎn)車型內(nèi)外板材料對(duì)比

3 普通高強(qiáng)鋼的應(yīng)用

車身結(jié)構(gòu)件對(duì)于整車性能和安全關(guān)系重大，又和車身輕量化密切相關(guān)，合理選用材料可有效降低車身重量。表2為普通高強(qiáng)度鋼在上汽榮威350車型上的應(yīng)用策略。

表2 上汽榮威350車型材料應(yīng)用策略

車身結(jié)構(gòu)件一般選用具有良好塑性的高強(qiáng)度鋼。一些結(jié)構(gòu)件、加強(qiáng)件等主要使用340～590MPa等級(jí)強(qiáng)度鋼板;有些廠家甚至使用600～800MPa等級(jí)的鋼材用于防撞梁、門(mén)檻加強(qiáng)板、A柱上邊梁等重要結(jié)構(gòu)件。個(gè)別廠家采用新工藝將390MPa、440MPa等級(jí)高強(qiáng)度鋼板沖壓成型后對(duì)強(qiáng)化部分進(jìn)行高頻加熱和淬火，強(qiáng)化部位抗拉強(qiáng)度可達(dá)1000MPa以上。

由圖2所示榮威350普通高強(qiáng)鋼所占比重為50%強(qiáng)，軟剛應(yīng)用比例相對(duì)較高，這說(shuō)明國(guó)內(nèi)車身選材相對(duì)比較保守。但根據(jù)2008年歐洲車身年會(huì)相關(guān)資料顯示，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家汽車廠，高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用比重已在80%以上。如圖3所示2008款Passat CC［2］高強(qiáng)鋼的應(yīng)用比重已達(dá)到81%，這都可以有效的降低整車的重量。

圖2 榮威350不同材料牌號(hào)所占比重餅圖

圖3 Passat CC不同材料牌號(hào)所占比重餅圖

4 超高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用

超高強(qiáng)度鋼板在常溫下的屈服強(qiáng)度為500～600MPa，加熱使之奧氏體化后，迅速送入帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成型，同時(shí)被模具冷卻淬火，如圖4所示。其微觀組織由奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，發(fā)生了相變硬化，強(qiáng)度可提高三倍以上達(dá)到1500～2000MPa，用于超高強(qiáng)度沖壓件生產(chǎn)。

圖4 超高強(qiáng)度鋼板的產(chǎn)生流程一

另外也可以先進(jìn)行冷沖壓，成形出大部分形狀后，進(jìn)行激光切割出基本零件形狀，再加熱到950°左右放入模具中整形及冷卻硬化，最后再做表面處理等，如圖5所示。

圖5 超高強(qiáng)度鋼板的產(chǎn)生流程二

這種熱成型技術(shù)由于具有很好的強(qiáng)度，可用于生產(chǎn)輕量且具有超高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)件，并且高溫下成形無(wú)回彈，零件精度高，能一次成形出冷沖壓無(wú)法成形的復(fù)雜零件。由于熱成型技術(shù)具有這種優(yōu)良的特點(diǎn)，目前在各大整車廠廣泛應(yīng)用。圖3中Passat CC的熱成型板材使用比例達(dá)到16%。

通過(guò)使用熱成型技術(shù)，可減薄料厚及優(yōu)化結(jié)構(gòu)有效地降低重量。如新款Polo A柱上邊梁［3］和B柱加強(qiáng)板材料熱成型技術(shù)，取消了老款車型中B柱第二加強(qiáng)板和幾個(gè)支架降低了8kg重量，同時(shí)有效的提高了側(cè)碰性能，如圖6所示。

圖6 新款Polo熱成型材料應(yīng)用

同樣Passat CC B柱加強(qiáng)板使用熱成型及激光拼焊技術(shù)，通過(guò)取消零件和減薄料厚可有效減輕重量1.8kg，如圖7 所示。

圖7 Passat CC熱成型及激光拼焊使用

5 輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用

近年來(lái)鎂、鋁、鈦等輕質(zhì)合金的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。因其具有材料密度小這一特性，能夠克服材料最小加工厚度的限制，可進(jìn)一步降低部件質(zhì)量。其耐腐蝕性、導(dǎo)熱性、吸能性較好易于回收再利用，但成本較高，加工、焊接、鉚接工藝難度較大。目前汽車防撞梁、儀表板骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋等零件廣泛使用這種輕質(zhì)材料［4-5］。

6 結(jié)論

汽車輕量化研究結(jié)果表明，鋼廠技術(shù)創(chuàng)新，特別是一些高強(qiáng)度鋼和新型加工技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于汽車企業(yè)安全、環(huán)保及低廉的汽車有很大的積極意義。筆者詳細(xì)分析了各種材料在汽車車身中的應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化選材具和對(duì)汽車車身的輕量化設(shè)計(jì)都具有一定的參考價(jià)值。

［1］ 程振彪.世界汽車輕量化新進(jìn)展及新型材料的研發(fā)應(yīng)用［J］.世界汽車，2002(6):11-12.

［2］ 陳 軍.鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用分析［J］.材料研究與應(yīng)用，2010(6):81-84.

［3］ 馮美斌.汽車輕量化技術(shù)中心材料的發(fā)展及應(yīng)用［J］.汽車工程，2006(3):213-220.

［4］ 敖炳秋.輕量化汽車材料技術(shù)的最新動(dòng)態(tài)［J］.汽車工藝與材料，2002(3):8-9.

［5］ 廖 君.汽車輕量化技術(shù)發(fā)展的探討［J］.機(jī)械，2009(1):4-7.