文宵

淺談車身制造材料

文宵

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西南寧 530007）

汽車誕生至今，車身材料不斷變化，每次變革都與車身結(jié)構(gòu)發(fā)展，生產(chǎn)工藝進(jìn)步密切相關(guān)。本文簡單介紹了車身材料的發(fā)展歷史，當(dāng)前廣泛使用的車身材料，并展望未來車身制造發(fā)展的三個(gè)方向：新設(shè)計(jì)，新材料，新工藝。

車身；材料；發(fā)展

1 車身材料發(fā)展歷史

1886年，德國人卡爾·本茨申請獲得了以汽油機(jī)為動(dòng)力的三輪車專利，車身沿用了馬車的結(jié)構(gòu)，整體以木材為主，車身、車架和車輪大部分均為木制結(jié)構(gòu)。由于受到動(dòng)力和續(xù)航能力的限制，為了減輕車重，木制結(jié)構(gòu)車身在很長一段時(shí)間仍然存在。英國Standard汽車公司1929年制造的Fulham系列車型就是木質(zhì)車身的典型代表。早期汽車產(chǎn)量很低，價(jià)格昂貴，基本都是定制車型，木制車身是一種非承載式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度低，碰撞安全性差，還容易引起車輛燃燒。為了提高車身強(qiáng)度及安全性，工程師做了很多努力，其中一大改進(jìn)就是逐漸增加金屬材料的使用。

1908年，美國福特公司開始生產(chǎn)T型車，該車沿用了馬車的非承載式車身，1913年，福特公司通過流水線生產(chǎn)方式，極大提高了T型車的產(chǎn)量。由于車身模具承受不了鐵、鋼等高硬度金屬，鋼材成本又高，整車重量與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不匹配等原因使早期T型車選擇錫片來做模壓，然后再焊接，組裝。這大大降低了材料與生產(chǎn)成本，但出于安全考慮，錫片的硬度很低，后來慢慢被淘汰了。1925年福特公司生產(chǎn)的新型T型車才是真正意義上的鋼制車身，隨著新車的誕生，車身連接技術(shù)也發(fā)生了改變，木制車身的螺紋和鉚釘連接逐漸被焊接所取代。焊接不僅使零件連接強(qiáng)度增大、安全性提高，還大大提高了車身密封性能，減輕車重，降低車內(nèi)噪音，從而獲得更好的行駛舒適性。

1922年意大利藍(lán)旗亞公司生產(chǎn)的Lambda汽車最早采用了承載式車身，這款汽車還創(chuàng)新的使用了獨(dú)立懸架。20世紀(jì)30年代德國歐寶公司和法國雪鐵龍公司也開始采用承載式車身。承載式車身使用沖壓成型的鋼板外殼焊接成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，它降低了車身振動(dòng)，并能實(shí)現(xiàn)低成本大批量生產(chǎn)。承載式車身成為20世紀(jì)60年代車身制造技術(shù)上的一大亮點(diǎn)。20世紀(jì)70年代世界大部分汽車廠商都開始采用承載式車身，直到今天，幾乎所有汽車制造商都使用某種形式的承載式車身進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)。

車身輕量化[1]使汽車制造分成為兩大方向：一是繼續(xù)使用鋼材，但通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝來達(dá)到輕量化要求。早在20世紀(jì)30年代，就出現(xiàn)了以鋼管框架為車身，外圍覆蓋金屬蒙皮的汽車，但直到1951年英國捷豹汽車公司生產(chǎn)的C-Type跑車奪得了24h勒芒耐力賽冠軍，鋼管車身才進(jìn)入人們的視野。鋼管車的特點(diǎn)是鋼制管狀車身（圖1）提供足夠的強(qiáng)度和超輕的車重，最外層的金屬蒙皮（圖2）則提供適于高速行駛的空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)。鋼管車焊接工藝復(fù)雜，不適合大規(guī)模生產(chǎn)，于是人們把注意力轉(zhuǎn)移到車身輕量化的第二個(gè)大方向使用新材料上。除鋼材外，許多新材料被應(yīng)用到車身制造中，包括：鋁合金，玻璃纖維、碳纖維，塑料，高分子復(fù)合材料等。

圖1 鋼制管狀車身

鋁合金以優(yōu)異的延展性、良好的耐腐蝕性成為車身輕量化的首選材料，其自重只有鋼材的1/2。鋁合金很早就被用于車身生產(chǎn)，航空級鋁合金的機(jī)械性能和鋼材持平，可以在不增加重量的前提下增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。鋁合金幾乎不被腐蝕，但出于美觀考慮，鋁制車身依然會(huì)進(jìn)行涂裝。鋁制車身的缺點(diǎn)是造價(jià)高，成型和焊接工藝都比較復(fù)雜，且變形后只能更換變形部件，維修成本高。1962年蓮花車隊(duì)生產(chǎn)的F1方程式賽車首次采用了鋁合金單殼體車身，單殼體車身使用一層輕薄而堅(jiān)固的鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的車架和車身，既作為車身外表面又為整車提供足夠強(qiáng)度的支撐。

圖2 鋁合金金屬蒙皮

纖維材料比金屬更輕更堅(jiān)固，在制作時(shí)像織布一樣紡織成片，用有機(jī)膠浸潤并固化。CFPR碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料Carbon Fiber Reinforced Polymer密度1.7g/cm3，在2200℃的高溫下，依然能夠保留強(qiáng)度，其斷裂韌性、抗疲勞性、抗蠕變性、伸拉強(qiáng)度和彈性模量都高于一般碳素材料。1981年邁凱倫車隊(duì)在其MP4/1方程式賽車上采用碳纖維加強(qiáng)材料制造單殼體車身，1992年，邁凱倫將碳纖維單殼體車身技術(shù)應(yīng)用到量產(chǎn)車F1上，F(xiàn)1成為了當(dāng)時(shí)速度最快的量產(chǎn)車。SMC片狀模塑料Sheet Moulding Compound，是一種玻璃纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料，密度1.3g/cm3，熱膨脹系數(shù)與鋼材相同，抗腐蝕和抗損傷性優(yōu)于鋼材，主要成分為樹脂和玻璃纖維。相對昂貴的CFPR，SMC被大量的使用在量產(chǎn)車及商用車上，到20世紀(jì)90年代，SMC被美國各大汽車廠商采用，車型包括雪佛蘭Corvette，卡迪拉克XLR，福特Edge等，歐洲的部分車型如雪鐵龍Berlingo也使用SMC來制造車頂。

2 當(dāng)前車身制造材料

目前，在以德國大眾集團(tuán)，日本豐田汽車公司為代表的現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中，使用最多的還是普通低碳鋼。鍍鋅鋼板普遍用于各類乘用車及商用車的車身制造，它具有很好的塑性，強(qiáng)度和剛度，能滿足車身焊接要求。鋼鐵企業(yè)不斷推出的高強(qiáng)度鋼滿足了車身輕量化要求。高強(qiáng)度鋼是在低碳鋼的基礎(chǔ)上強(qiáng)化得來的，可以在厚度減薄的情況下保持車身的機(jī)械性能，從而減輕車身重量。高強(qiáng)度鋼用來制造車身特別需要強(qiáng)度和剛度的部分，而低碳鋼則用于車身外圍的覆蓋件。

鋁合金是僅次于鋼材廣泛使用于車身制造的材料，從長遠(yuǎn)來看鋁合金車身的生產(chǎn)比鋼制車身更節(jié)能環(huán)保，鋁合金的使用可以有效降低車重，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。目前，大部分汽車廠商都使用鋁合金制造車身上的部分零件，形成一種鋼、鋁混合的結(jié)構(gòu)，目的是實(shí)現(xiàn)車身輕量化。少數(shù)類似奧迪，捷豹，路虎等廠商在其豪華車中采用了全鋁車身。限制鋁合金使用的主要問題還是成本和生產(chǎn)工藝及高維修費(fèi)用。

纖維材料的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)一樣明顯，碳纖維非常昂貴而且生產(chǎn)工藝復(fù)雜，如何降低成本和大批量生產(chǎn)是限制碳纖維使用的兩大難題，目前，只有賽車、超級跑車和少數(shù)豪華車使用此材料。玻璃纖維在高溫下性能不如碳纖維穩(wěn)定，而且它不可回收，污染環(huán)境，這些都限制了它大規(guī)模的使用。

3 未來汽車的車身制造

寶馬i3電車已經(jīng)向人們展示了未來汽車的雛形，新設(shè)計(jì)，新工藝，新材料。i3摒棄了承載式車身采用LifeDrive模塊構(gòu)架（圖3），即整車分成Life和Drive兩部分。Life乘坐模塊有更大的空間，因?yàn)檐嚿聿辉儇?fù)責(zé)傳遞載荷，懸架、電池組、電動(dòng)機(jī)、碰撞防護(hù)結(jié)構(gòu)都被直接分配到Drive模塊中。Life模塊采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料CFPR，而Drive模塊則形成了一種鋼、鋁和碳纖維的混合結(jié)構(gòu)。

圖3 寶馬i3 LifeDrive模塊構(gòu)架

塑料質(zhì)量輕、成本低、加工簡單，一直以來都作為輔助材料用于制造車身的部分零件。隨著技術(shù)發(fā)展一種新型“全塑車身”正在出現(xiàn)。全塑車身主體部分為輕質(zhì)滾塑材料，采用滾塑整體成型工藝制造，由于塑料可以進(jìn)行調(diào)色處理，成型后不再需要涂裝，因此省去了傳統(tǒng)加工的沖壓和噴涂工序，即“一次成型”。滾塑整體成型工藝和一體式?jīng)_壓成型工藝有本質(zhì)區(qū)別，后者多用于車門、翼子板等零件，它簡化了焊接工藝，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并增加美感，而前者則將車身制造一次完成，這種一次性制備出具有復(fù)雜曲面的大型或超大型中空塑料的能力正好滿足了車身體積大，外觀線條曲面圓滑的要求。目前這項(xiàng)技術(shù)還不成熟，仍處在起步階段，丹麥節(jié)能電動(dòng)車ECOmove QBEAK使用類似的超輕車身使得整備質(zhì)量僅為425kg。

未來，更輕的金屬將應(yīng)用到車身制造中。2014年，雷諾Ecolab概念車使用了韓國浦項(xiàng)公司生產(chǎn)的鎂合金[2]板材。2015年保時(shí)捷911GT3 RS使用鎂合金車頂，較普通版本質(zhì)量減輕10kg。鎂合金比鋁合金輕33%，比鋼輕77%，為常用金屬材料中最輕的材料，能更有效的實(shí)現(xiàn)車身輕量化。金屬微格Metallic microlattices[3]是一種合成多孔金屬材料（圖4），密度0.9mg/cm3，由美國HRL實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)，加州理工技術(shù)大學(xué)合作發(fā)展，2011年發(fā)表，原型樣品為鎳-磷合金，是世界最輕的固體材料。金屬微格的力學(xué)性質(zhì)似彈性體，壓縮體積變小，壓縮超過50%仍能恢復(fù)原形，這種性質(zhì)能很好的吸收震動(dòng)。2012年，大眾機(jī)械評選金屬微格為改變世界十大創(chuàng)新之一。金屬微格本是航空材料，但其超輕的質(zhì)量和恢復(fù)變形的能力更適合車身制造，它的使用將極大的提高車身的安全性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)車身輕量化。

圖4 金屬微格合成多孔結(jié)構(gòu)示意圖

[1]劉偉燕，王書偉.輕量化技術(shù)在汽車車身上的應(yīng)用[J].汽車工程師，2011（2）：51～54.

[2]孫景林，郭 靜.鎂合金在汽車輕量化方面的應(yīng)用[J].輕金屬，2008（7）：58～61.

[3]TA Schaedler，AJ Jacobsen.Ultralight metallic microlattices.Science，2011，334（6058）：962～965.

U463.82

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1004-7344（2016）27-0036-02

2016-8-16

文宵（1982-），男，講師，研究生，主要從事汽車整形技術(shù)專業(yè)教學(xué)工作。