關于車身結構設計和高強度鋼的應用的探討

張建國 楊欠欠

摘 要：隨著能源危機以及環境問題的日益加劇，環保、節能、低碳以及安全一直是各汽車廠商關注的熱點。為了實現環保、節能、低碳這一目標，減輕汽車重量是十分有效的方法，而減輕車重勢必影響整車的安全性，這就導致了各種高強鋼在汽車車身上的廣泛應用。本文主要探討了車身結構設計和高強度鋼的應用。

關鍵詞：車身結構 ；高強度鋼

一.車身結構設計

車身結構設計是車身安全最基礎、最重要的因素，目前市面上眾多車型設計思想均采用“吸能區+乘坐區”的車身結構模式。

1、前部碰撞吸能區

如果碰撞時，純剛性物體的車身會把強大的沖擊力直接傳遞到乘員身上，乘員將受到嚴重傷害。若把車身前部設計成有一定空間的能量吸收區域，在發生正面碰撞時，發動機艙周圍的部件會產生適當的毀壞，從而吸收大部分的撞擊力，使在乘坐區的乘員所受的撞擊能量極大地減少。車身前部主要由保險杠、水箱固定框、縱梁、副車架等組成，當碰撞時，這些部件產生擠壓、彎曲、拉伸等變形，并相互作用，從而能有效地吸收撞擊能量。吸能區在設計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、二點上傳遞給乘坐區，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，主要是保險杠骨架和橫梁來承受。之后傳遞到整個車身上。

2、后部吸能區

后部吸能區的設計比前部有更加寬松的條件。由行李箱后部、車身縱梁等自然構成一個吸能宅間。吸能區在設計上除了吸收碰撞能量外，還要把剩余的能量進行合理的分流。在具體結構設計上，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

確保乘員有足夠的乘坐空間是保證生存的重要條件，因此這個區段的壓縮變形量必須受到限制。乘坐區是由側圍、地板、頂蓋、前圍、后圍等部件構成，各部件的材質、板厚、斷面形狀及零件形狀聯接方式等都是影響剛性的因素.目前主要是通過經驗設計來完成，并且使用有限元分析和試驗進行修改調整，可能要多次反復才能確定方案。

4、能量吸收式轉向柱設計

當車輛發生正面碰撞時，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。

根據法規，轉向柱須設計成在撞擊后可潰縮，才能在車輛受前向撞擊，駕駛者往前撞擊到方向盤時，產生潰縮作用，達到保護駕駛者的目的。

5、乘坐區側面防碰撞設計

與汽車正面碰撞相比，汽車側面吸能構件較少，乘員與門內板之間僅存在20-30mm的空間，一旦受到來自側面的撞擊，乘員將受到強烈貫入的沖擊載荷作用，嚴重時危及生命，所以必須提高側面防碰撞強度。

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

二.高強度鋼板的應用

1 雙相鋼

雙相鋼（Dual Phase Steels）被認為是最早開發用于汽車車身制造的一種先進高強度鋼鐵材料，它具有強度高以及成形性好的特點。近年來，熱處理雙相鋼的生產技術取得了重大進展，但能實現雙相鋼工業化生產的只有安賽樂米塔爾，日本JFE公司，中國寶鋼等為數不多的幾個鋼鐵企業。我國寶鋼現今能生產雙相鋼的最高級別為DP1180，面對飛速發展的汽車產業，怎樣進一步提高雙相鋼的強度級別是鋼鐵研究者的首要任務。

2 相變誘導塑性鋼

相變誘導塑性鋼（Transformation Induced Plastic Steels）是一種新型汽車結構用鋼，它是通過相變誘導產生塑性效應，具有比較好的成型性和高的強度，在汽車上的應用前景很值得期待。TRIP鋼具有屈服強度和抗拉強度高，延展性以及沖壓性好等特點，這對減輕車重，降低油耗，保障乘車安全性等具有顯著的優勢。現在TRIP鋼主要用來制作汽車的擋板，底盤和車的沖擊梁等部件。在韓國浦項，成型性好的TRIP鋼，可用來加工成形狀復雜的汽車部件；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TRIP鋼的工藝手段與方法的逐步完善，它的大規模工業化生產即將成為現實，TRIP鋼也將有一個更加廣闊的應用前景。

3 超級貝氏體鋼

貝氏體鋼的強度比較高，韌性比較好，深受材料研究者的喜愛。近年來，一種具有良好強韌性能的高強度貝氏體鋼，我們稱之為超級貝氏體鋼（Super Bainite Steels）越來越受到鋼鐵界的重視。英國劍橋大學的Bhadeshia教授的研究團隊，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組織。這種貝氏體鋼的抗拉強度可達2.5GPa，硬度超過 600HV，斷裂韌度值為30-40MPa·m1/2，該鋼高的強韌性，使它成為汽車輕量化用鋼的一個良好備選材料。

雖然Bhadeshia等研發的超級貝氏體鋼抗拉強度很高，但由于采用相對高的合金和碳含量，焊接性能差，不太適合大規模的生產應用。清華大學方鴻生教授等降低碳含量，研究了Fe-0.25C-2.5Mn-1.8Si-0.5Cr貝氏體和馬氏體復相鋼，該鋼的抗拉強度為1500MPa，伸長率為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合而成。對于含碳量較低的鋼，經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。當碳含量較高的時候，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則分布。Q&P鋼是一種具有高強度和較高延伸率結合的新鋼種，其優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。高強度來自于馬氏體和合金元素固溶強化的貢獻，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使其奧氏體化后淬火到馬氏體開始轉變溫度和轉變結束溫度之間某一設定溫度，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鋼因優異的強韌性的結合，成分中主要有C、Mn、Si（A1）元素，有著廣闊的應用前景。

參考文獻：

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