關(guān)于車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用的探討

張建國(guó) 楊欠欠

摘 要：隨著能源危機(jī)以及環(huán)境問題的日益加劇，環(huán)保、節(jié)能、低碳以及安全一直是各汽車廠商關(guān)注的熱點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)環(huán)保、節(jié)能、低碳這一目標(biāo)，減輕汽車重量是十分有效的方法，而減輕車重勢(shì)必影響整車的安全性，這就導(dǎo)致了各種高強(qiáng)鋼在汽車車身上的廣泛應(yīng)用。本文主要探討了車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：車身結(jié)構(gòu) ；高強(qiáng)度鋼

一.車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是車身安全最基礎(chǔ)、最重要的因素，目前市面上眾多車型設(shè)計(jì)思想均采用“吸能區(qū)+乘坐區(qū)”的車身結(jié)構(gòu)模式。

1、前部碰撞吸能區(qū)

如果碰撞時(shí)，純剛性物體的車身會(huì)把強(qiáng)大的沖擊力直接傳遞到乘員身上，乘員將受到嚴(yán)重傷害。若把車身前部設(shè)計(jì)成有一定空間的能量吸收區(qū)域，在發(fā)生正面碰撞時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙周圍的部件會(huì)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臍?，從而吸收大部分的撞擊力，使在乘坐區(qū)的乘員所受的撞擊能量極大地減少。車身前部主要由保險(xiǎn)杠、水箱固定框、縱梁、副車架等組成，當(dāng)碰撞時(shí)，這些部件產(chǎn)生擠壓、彎曲、拉伸等變形，并相互作用，從而能有效地吸收撞擊能量。吸能區(qū)在設(shè)計(jì)上除了吸收碰撞能量外，還要把剩余的能量分流，不能只集中在一、二點(diǎn)上傳遞給乘坐區(qū)，主要通過地板縱梁、門檻、A柱、車門防撞梁等向后部傳遞。以避免因局部破壞而使乘員受傷。正面碰撞的主要受力和變形部件是上、下縱梁，偏置碰撞或柱狀碰撞時(shí)，主要是保險(xiǎn)杠骨架和橫梁來承受。之后傳遞到整個(gè)車身上。

2、后部吸能區(qū)

后部吸能區(qū)的設(shè)計(jì)比前部有更加寬松的條件。由行李箱后部、車身縱梁等自然構(gòu)成一個(gè)吸能宅間。吸能區(qū)在設(shè)計(jì)上除了吸收碰撞能量外，還要把剩余的能量進(jìn)行合理的分流。在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，要注意縱粱的斷面形狀和大小、板料厚度等的選擇，以及后懸架固定處的局部剛性保證等問題。

3、高剛性的乘坐區(qū)

確保乘員有足夠的乘坐空間是保證生存的重要條件，因此這個(gè)區(qū)段的壓縮變形量必須受到限制。乘坐區(qū)是由側(cè)圍、地板、頂蓋、前圍、后圍等部件構(gòu)成，各部件的材質(zhì)、板厚、斷面形狀及零件形狀聯(lián)接方式等都是影響剛性的因素.目前主要是通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)來完成，并且使用有限元分析和試驗(yàn)進(jìn)行修改調(diào)整，可能要多次反復(fù)才能確定方案。

4、能量吸收式轉(zhuǎn)向柱設(shè)計(jì)

當(dāng)車輛發(fā)生正面碰撞時(shí)，人的頭部、胸部容易撞到方向盤，甚至是車身潰縮后，方向盤向后擠壓，傷到駕駛者。

根據(jù)法規(guī)，轉(zhuǎn)向柱須設(shè)計(jì)成在撞擊后可潰縮，才能在車輛受前向撞擊，駕駛者往前撞擊到方向盤時(shí)，產(chǎn)生潰縮作用，達(dá)到保護(hù)駕駛者的目的。

5、乘坐區(qū)側(cè)面防碰撞設(shè)計(jì)

與汽車正面碰撞相比，汽車側(cè)面吸能構(gòu)件較少，乘員與門內(nèi)板之間僅存在20-30mm的空間，一旦受到來自側(cè)面的撞擊，乘員將受到強(qiáng)烈貫入的沖擊載荷作用，嚴(yán)重時(shí)危及生命，所以必須提高側(cè)面防碰撞強(qiáng)度。

側(cè)面防撞設(shè)計(jì)主要針對(duì)車體的側(cè)面梁系的設(shè)計(jì)，它要求車體要一定剛度和強(qiáng)度，通常是在汽車兩側(cè)門夾層中間放置一兩根非常堅(jiān)固的鋼梁，當(dāng)側(cè)門受到撞擊對(duì)，防撞鋼梁把碰撞力傳送到A柱、B柱上，如果設(shè)計(jì)更好的話A柱和B柱應(yīng)該再把這些力傳送到底盤的上頂，把這個(gè)撞擊力化解到最小，因此堅(jiān)固的防撞桿能大大減輕側(cè)門的變形程度，從而能減少汽車撞擊對(duì)車內(nèi)乘員的傷害。Volvo是世界上最早開展側(cè)面安全性能研究的公司之一，其專利技術(shù)側(cè)面碰撞保護(hù)系統(tǒng)（SIPS）堪稱是最好的側(cè)面保護(hù)技術(shù)，它對(duì)B柱作了專門的強(qiáng)化處理，具有優(yōu)異的抗沖擊性能。B柱彼此之間通過5個(gè)高強(qiáng)度的橫板連接成一體，當(dāng)任何一個(gè)B柱受到碰撞的沖擊時(shí)，它就會(huì)通過橫板快速傳到其他B柱上，使沖擊力能向前、向后、向下快速擴(kuò)散。車門在側(cè)面碰撞時(shí)也扮演著極為重要的角色，Volvo公司對(duì)車門采用角鋼制成，碰撞時(shí)，可以防止車門侵入車艙內(nèi)傷害到乘客。車門通過特殊結(jié)構(gòu)勾在B柱上，即使受到很大的碰撞力也不會(huì)脫落，這樣B柱上的沖擊力就可以有效地向前、向后、向下擴(kuò)散開來。底座采用激光焊接，具有很高的強(qiáng)度，與B柱一起可以提供最好的側(cè)面保護(hù)。

二.高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用

1 雙相鋼

雙相鋼（Dual Phase Steels）被認(rèn)為是最早開發(fā)用于汽車車身制造的一種先進(jìn)高強(qiáng)度鋼鐵材料，它具有強(qiáng)度高以及成形性好的特點(diǎn)。近年來，熱處理雙相鋼的生產(chǎn)技術(shù)取得了重大進(jìn)展，但能實(shí)現(xiàn)雙相鋼工業(yè)化生產(chǎn)的只有安賽樂米塔爾，日本JFE公司，中國(guó)寶鋼等為數(shù)不多的幾個(gè)鋼鐵企業(yè)。我國(guó)寶鋼現(xiàn)今能生產(chǎn)雙相鋼的最高級(jí)別為DP1180，面對(duì)飛速發(fā)展的汽車產(chǎn)業(yè)，怎樣進(jìn)一步提高雙相鋼的強(qiáng)度級(jí)別是鋼鐵研究者的首要任務(wù)。

2 相變誘導(dǎo)塑性鋼

相變誘導(dǎo)塑性鋼（Transformation Induced Plastic Steels）是一種新型汽車結(jié)構(gòu)用鋼，它是通過相變誘導(dǎo)產(chǎn)生塑性效應(yīng)，具有比較好的成型性和高的強(qiáng)度，在汽車上的應(yīng)用前景很值得期待。TRIP鋼具有屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度高，延展性以及沖壓性好等特點(diǎn)，這對(duì)減輕車重，降低油耗，保障乘車安全性等具有顯著的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在TRIP鋼主要用來制作汽車的擋板，底盤和車的沖擊梁等部件。在韓國(guó)浦項(xiàng)，成型性好的TRIP鋼，可用來加工成形狀復(fù)雜的汽車部件；在日本，TRIP鋼已被用在概念車底盤約80種零件上，從而使車的零件重量約減輕12%。隨著生產(chǎn)TRIP鋼的工藝手段與方法的逐步完善，它的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)即將成為現(xiàn)實(shí)，TRIP鋼也將有一個(gè)更加廣闊的應(yīng)用前景。

3 超級(jí)貝氏體鋼

貝氏體鋼的強(qiáng)度比較高，韌性比較好，深受材料研究者的喜愛。近年來，一種具有良好強(qiáng)韌性能的高強(qiáng)度貝氏體鋼，我們稱之為超級(jí)貝氏體鋼（Super Bainite Steels）越來越受到鋼鐵界的重視。英國(guó)劍橋大學(xué)的Bhadeshia教授的研究團(tuán)隊(duì)，他們把高碳高硅鋼淬火至200-300°C的低溫，再在此淬火溫度等溫轉(zhuǎn)變幾天后，可得到厚度為20-40nm 的貝氏體板條和板條間富碳的殘余奧氏體組成的納米級(jí)組織。這種貝氏體鋼的抗拉強(qiáng)度可達(dá)2.5GPa，硬度超過 600HV，斷裂韌度值為30-40MPa·m1/2，該鋼高的強(qiáng)韌性，使它成為汽車輕量化用鋼的一個(gè)良好備選材料。

雖然Bhadeshia等研發(fā)的超級(jí)貝氏體鋼抗拉強(qiáng)度很高，但由于采用相對(duì)高的合金和碳含量，焊接性能差，不太適合大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。清華大學(xué)方鴻生教授等降低碳含量，研究了Fe-0.25C-2.5Mn-1.8Si-0.5Cr貝氏體和馬氏體復(fù)相鋼，該鋼的抗拉強(qiáng)度為1500MPa，伸長(zhǎng)率為13%，相比較而言綜合性能有所提高。

4. 淬火配分鋼（Q&P）

淬火配分鋼的顯微組織主要是由馬氏體基體和殘余奧氏體雙相復(fù)合而成。對(duì)于含碳量較低的鋼，經(jīng)Q&P處理后其顯微組織為典型的板條馬氏體和馬氏體條間的薄膜狀殘余奧氏體組成。當(dāng)碳含量較高的時(shí)候，基體為由板條馬氏體和孿晶馬氏體混合而成的組織，殘余奧氏體則呈不規(guī)則分布。Q&P鋼是一種具有高強(qiáng)度和較高延伸率結(jié)合的新鋼種，其優(yōu)越的性能主要來自于鋼中馬氏體和奧氏體雙相組織的合理配比。高強(qiáng)度來自于馬氏體和合金元素固溶強(qiáng)化的貢獻(xiàn)，而高塑性則取決于馬氏體中的碳含量和殘余奧氏體的含量及其分布。

2003年，Speer等基于對(duì)碳配分過程的理解提出了淬火配分（Q&P）熱處理工藝，該熱處理過程包括：首先將試樣加熱到奧氏體區(qū)使其奧氏體化后淬火到馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度和轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度之間某一設(shè)定溫度，得到馬氏體和殘余奧氏體的混合組織；并在此溫度（一步法）或高于此溫度（兩步法）保溫一定時(shí)間使碳元素從過飽和的馬氏體向奧氏體中配分，提高奧氏體穩(wěn)定性，從而在最后淬火至室溫的過程中保留下來。Q&P鋼因優(yōu)異的強(qiáng)韌性的結(jié)合，成分中主要有C、Mn、Si（A1）元素，有著廣闊的應(yīng)用前景。

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