汽车轻量化与高强度钢板的应用.pdf

与此同时,钢铁公司也独立开展了针对钢概念轻量化白车身的研究项目,如阿
赛洛的 ABC(Arcelor Body Concept )和蒂森的 NSC(New Steel Concept ),目标
是通过高强度钢板的大量应用实现 20%~40%的减重效果[5]。
2007 年底,在巴厘岛举行的联合国气候变化大会上,IISI 汽车钢联盟宣布了
一项耗资数百万美元的计划“FSV-未来钢铁汽车”,提出钢制一体化汽车车身理念。
包括宝钢、鞍钢在内的世界 16 家钢铁公司共同开展面向 2020 年量产汽车的材料
解决方案。未来钢制汽车的特点是钢制车身结构,重量比标杆车减轻 35%以上,排
放量在全生命周期减少近 70%[6],以期更进一步地确立钢铁材料在汽车制造中的优
势地位。
在传统的钢铁产业致力于汽车轻量化的同时,轻金属行业在汽车轻量化方面
的研究也一直在推进之中。从 1994 年的奥迪 A2 和 A8,到英国的捷豹,日本的
INSIGHT,汽车全铝车身的应用也越来越多。并且,应用铝合金冲压零件的商品乘
用车的年产量已达到 700 万辆。
另外,超高强度的碳纤维材料在轻量化车身上的应用也呈现逐渐增加的态势,
兰博基尼、奔驰 E 级 Superlight、帕加尼 Zonda F、宝马电动车等车身都采用了
超高强度的碳纤维材料。
当然,在未来汽车轻量化材料的解决方案中,更倾向于多种材料的组合。代表
铝合金车身设计先进水平的奥迪 A8,在其第三代 ASF 结构中,就使用了以铝为主,
高强钢辅助的材料解决方案。B 柱等零件由热成形钢制成,用量占整个车身重量的
8%。
1 汽车对钢板材料的要求
汽车碰撞安全性
汽车的碰撞安全性等级,越来越多的成为用户选购车型的重要参考指标。
目前世界范围内主要的汽车碰撞标准有美国的 NHTSA、IIHS(Insurance
Institute for Highway Safety)、欧洲的 Euro-NCAP、日本的 J-NCAP、澳大利亚
的 A-NCAP、拉丁美洲的 Latin NCAP 和中国的 C-NCAP 等。典型的碰撞形式有正面
碰撞、侧面碰撞和车尾碰撞。三种碰撞条件下碰撞力的传递路径如图 1 所示。
(a) 正面碰撞(b) 侧面碰撞(c) 车尾碰撞
图 1 三种典型碰撞条件下碰撞力的传递路径
汽车车身的安全性,主要取决于车身结构设计(其中包括可承受高负荷的架
梁结构、最佳利用变形长度、极高刚度的乘员舱和多功能前端总成结构等)、材料
匹配选用(高强钢的应用比例和整体强度水平)及先进制造技术(TWB、TRB、液
压成形、滚压成形、热成形等)的保障。图 2 为不同高强度钢板应用比例的车型
正面碰撞情况示意图,足以说明高强度钢板的应用对汽车安全性的作用。
图 2 不同高强度钢用量的车型正面碰撞示意图
轻量化
图 2 不同高强度钢用量的车型正面碰撞示意图
汽车轻量化
汽车轻量化是在满足安全法规、整车性能的前提下,汽车公司为适应不断严
格的低碳、排放和油耗等法规要求,借助新技术进行重量和成本优化的技术。汽
车轻量化技术被视为当今全球汽车领域最顶尖的两个技术领域之一,得到了众多
汽车企业高度认同和重视。
有试验表明,汽车质量每减轻 10%,油耗下降 6%~8%,排放量下降 4%[7],同时
汽车轻量化直接提高汽车的比功率,使汽车的动力性和承载能力提高。
乘用车的轻量化
车身重量约占整个汽车重量的 1/3,车身的轻量化是汽车轻量化的主体内容。
由德国宝马公司 Bruno Ludke 提出的车身轻量化系数概念,已成为国内外评
价车身轻量化设计水平的重要参考指标。白车身轻量化系数 L 可用下式表示:
3
m ⎡ Nm ⎤ 3
L = BIW ×10 图 3 轻量化系数示意图
⎢ o ⎥
Ct × A ⎣kg ×( )⎦
式中 mBIW 为白车身的结构质量(不包括车门和玻璃),kg;Ct 为静态扭转刚度
(包括玻璃),N·m/(°);A为四轮间的正投影面积,即前后轮平均轮距乘以轴距,
m2。
从公式看出,车身轻量化系数的优化就是减轻车身质量和提高扭转刚度。减
轻车身质量,可以从结构设计、材料选用和制造工艺三环节的优化考虑,其中有
效控制零件数量是控制车身质量的重要途径;提高车身扭转刚度,则可以通过车
身加强件的增加或板材加厚、高强度板应用比例的提高、结构的断面优化和车身
接头设计优化等方法实现[8],TWB、TRB 材料的应用以及液压成形等制造技术的配
套应用,也将对车身扭转刚度的提高起到非常重要的作用。
表 1 为欧洲车