关于车身结构设计和高强度钢的应用的探讨

摘要：本文着重介绍了安全车身的结构设计和高强度钢的应用。

关键词：安全车身 车身结构 高强度材料 车身轻量化

近年来，汽车制造产业发展迅猛，各汽车厂商不断追求着产品操控性、安全性、舒适性、豪华性的提升。其中，安全性，一直以来都受到行业内外的高度重视，车身结构是决定汽车安全性的重要因素。本文主要从身结构设计和高强度钢的应用作出以下分析。

一、车身结构设计

车身结构设计是车身安全最基础、最重要的因素，目前市面上众多车型设计思想均采用“吸能区+乘坐区”的车身结构模式。

1、前部碰撞吸能区

如果碰撞时，纯刚性物体的车身会把强大的冲击力直接传递到乘员身上，乘员将受到严重伤害。若把车身前部设计成有一定空间的能量吸收区域，在发生正面碰撞时，发动机舱周围的部件会产生适当的毁坏，从而吸收大部分的撞击力，使在乘坐区的乘员所受的撞击能量极大地减少。车身前部主要由保险杠、水箱固定框、纵梁、副车架等组成，当碰撞时，这些部件产生挤压、弯曲、拉伸等变形，并相互作用，从而能有效地吸收撞击能量。吸能区在设计上除了吸收碰撞能量外，还要把剩余的能量分流，不能只集中在一、二点上传递给乘坐区，主要通过地板纵梁、门槛、A柱、车门防撞梁等向后部传递。以避免因局部破坏而使乘员受伤。正面碰撞的主要受力和变形部件是上、下纵梁，偏置碰撞或柱状碰撞时，主要是保险杠骨架和横梁来承受。之后传递到整个车身上。

2、后部吸能区

后部吸能区的设计比前部有更加宽松的条件。由行李箱后部、车身纵梁等自然构成一个吸能宅间。吸能区在设计上除了吸收碰撞能量外，还要把剩余的能量进行合理的分流。在具体结构设计上，要注意纵粱的断面形状和大小、板料厚度等的选择，以及后悬架固定处的局部刚性保证等问题。

3、高刚性的乘坐区

确保乘员有足够的乘坐空间是保证生存的重要条件，因此这个区段的压缩变形量必须受到限制。乘坐区是由侧围、地板、顶盖、前围、后围等部件构成，各部件的材质、板厚、断面形状及零件形状联接方式等部是影响刚性的因素.目前主要是通过经验设计来完成，并且使用有限元分析和试验进行修改调整，可能要多次反复才能确定方案。

4、能量吸收式转向柱设计

当车辆发生正面碰撞时，人的头部、胸部容易撞到方向盘，甚至是车身溃缩后，方向盘向后挤压，伤到驾驶者。

根据法规，转向柱须设计成在撞击后可溃缩，才能在车辆受前向撞击，驾驶者往前撞击到方向盘时，产生溃缩作用，达到保护驾驶者的目的。

5、乘坐区侧面防碰撞设计

与汽车正面碰撞相比，汽车侧面吸能构件较少，乘员与门内板之间仅存在20―30mm的空间，一旦受到来自侧面的撞击，乘员将受到强烈贯入的冲击载荷作用，严重时危及生命，所以必须提高侧面防碰撞强度。

侧面防撞设计主要针对车体的侧面梁系的设计，它要求车体要一定刚度和强度，通常是在汽车两侧门夹层中间放置一两根非常坚固的钢梁，当侧门受到撞击对，防撞钢梁把碰撞力传送到A柱、B柱上，如果设计更好的话A柱和B柱应该再把这些力传送到底盘的上顶，把这个撞击力化解到最小，因此坚固的防撞杆能大大减轻侧门的变形程度，从而能减少汽车撞击对车内乘员的伤害。Volvo是世界上最早开展侧面安全性能研究的公司之一，其专利技术侧面碰撞保护系统（SIPS）堪称是最好的侧面保护技术，它对B柱作了专门的强化处理，具有优异的抗冲击性能。B柱彼此之间通过5个高强度的横板连接成一体，当任何一个B柱受到碰撞的冲击时，它就会通过横板快速传到其他B柱上，使冲击力能向前、向后、向下快速扩散。车门在侧面碰撞时也扮演着极为重要的角色，Volvo公司对车门采用角钢制成，碰撞时，可以防止车门侵入车舱内伤害到乘客。车门通过特殊结构勾在B柱上，即使受到很大的碰撞力也不会脱落，这样B柱上的冲击力就可以有效地向前、向后、向下扩散开来。底座采用激光焊接，具有很高的强度，与B柱一起可以提供最好的侧面保护。

二、高强度钢板（High Strength SIeel，HSS）的应用

高强度钢板通常是指屈服强度≥210 MPa的钢板。高强钢主要包括高强度lF钢、IF增磷钢、各向同性铡（1s钢）、烘烤硬化钢（BH钢）、固溶强化钢（c―Mn钢）、高强度低合金钢（HsLA钢）、双相钢（DP钢）、相变诱发蠼性钢（TRJP钢）、孪生诱发颦性钢（TWIP钢）、复相钢（CP钢）以及马氏体钢（Mart钢）。

高强度钢板的应用对于汽车提高撞击安全性是十分有效的，各汽车制造厂的高强度钢板使用比例正在不断提高。资料显示， 日本新型轿车车身使用高强度钢板的使用率达 30 %～ 50 % ，是旧车型的1. 5～ 5 倍。

1、在汽车面板上的应用

车顶、 车门、 行李箱等部件要求具有变形刚度和抗凹陷性，主要使用抗拉强度为340～ 390 MPa的烘烤硬化钢板（ BH 钢板）。BH 钢板的屈服强度在烘烤涂漆时升高， 可在不损失成形性的前提下，提高抗凹陷性， 减薄钢板。现在，有的车型已使用440 MPa 级BH 型高强度钢板。

2、在车体框架上的应用

随着正面撞击、侧面撞击的撞击安全性标准的提高，结构件、加强件等主要使用 590 MPa 级高强度钢板。也有厂家使用780 MPa 级、980MPa级高强度钢板。有些厂家甚至将390 MPa、440 MPa级高强度钢板冲压成形后，对强化部分进行高频加热和淬火，以使部件局部抗拉强度达到1200 MPa，并在冲压加热钢板的同时进行冷却，以使部件整体抗拉强度达到1470 MPa。此外，还有采用激光拼焊方法，将不同厚度、不同材质钢板拼合起来，使材料配置适用于所要求材质和使用部位。由于拼焊能使部件拼合，减少部件数量，去除点焊凸缘，这对汽车轻量化有着很大的作用。尽管拼焊材料在使用初期以提高材料利用率为目的，仅用于小型部件上，但最近已将拼焊材料扩大应用于车身侧板和车箱底板等大型部件。拼焊板主要采用400～ 590 MPa 级高强度钢板，也有使用780 MPa 级和980 MPa级高强度钢板的情况。

3、在汽车底盘上的应用

悬挂梁用材已从传统的440 MPa级热轧板发展到780 MPa级，最大减重达30% 。近年来，高强度钢板在底盘上的使用比例正在急剧增加。今后，高强度钢板的使用比例及更高强度钢板的应用有望进一步提高。

三、 车身轻量化

汽车车身约占汽车总质量的30%，对汽车本身来说，约70%的油耗是用在车身质量上的，所以汽车车身的铝化对减轻汽车自重，提高整车燃料经济性至关重要。奥迪汽车公司最早于1980年在Audi 80和Audi 100上采用了铝车门，然后不断扩大应用。1994年开发了第一代Audi A8全铝空间框架结构（ASF），ASF车身超过了现代轿车钢板车身的强度和安全水平，但汽车自身的重量减轻了大约40%。

车身减重主要是合理利用新材料、新技术和新设计来实现的。如选择高强钢，可以减少零件数量、降低料厚和缩小结构尺寸来达到减重的效果，并保证成本变化不大。另外，铝材、镁合金、工程塑料的大量采用对车身的减重也起到了很大的帮助。例如铝的发动机罩、镁合金的仪表板横梁或座椅支架、塑料的翼子板或举升门等，对整车重量的减小都有着很大的帮助。

四、结语

应重视合理的车身结构设计，以及高强度钢板等新技术的应用，创造出既环保、节能又能更好的实施主动安全控制的汽车，这是今后汽车车身技术发展的趋势。