【MFC推荐】轻量化材料在商用车白车身的应用

2022-09-02 14:35:44 来源：

导读：

冲压与模具工艺 发表于江苏

摘要：根据商用车发展趋势，轻量化成为白车身开发的工作重点，而轻量化材料的应用是白车身轻量化工作的重要途径。文章介绍了高强钢、铝合金、玻璃钢及碳纤维等汽车轻量化材料技术发展动向，论述了轻量化材料的应用现状及存在的问题，为轻量化材料在商用车白车身的应用提供借鉴。

关键词：商用车；轻量化；白车身；材料应用

新一轮产业变革和科技革命浪潮正席卷全球，汽车行业新材料、新技术获得广泛应用，新模式、新业态不断涌现。为了应对这种新浪潮，东风公司为响应国家“五化”的概念，即轻量化、电动化、智能化、网联化、共享化。轻量化作为节能减排的主要途径，成为近年来车身开发的工作重点。

对于商用车轻量化未来的趋势，材料及工艺是汽车轻量化重要途径之一，多种材料的集成应用是汽车用材的发展方向。满足“轻量化—成本—用户期望”的协同发展，新材料、新工艺及新技术是发展的动力源泉。

本文主要探讨轻量化材料在商用车白车身的应用。轻量化材料有着不同的特性，白车身轻量化材料主要的技术路径包括高强度钢、铝合金、玻璃钢、复合材料等。常用几种轻量化材料的减重效果及相对成本如表1所示[1]。

根据白车身不同零部件对材料的使用要求，开发轻质、高性能、易成形的先进轻量化材料应用，为节能型商用车的设计制造提供材料研发和技术储备。

表1 轻量化材料减重效果及相对成本

高强钢

目前商用车白车身的主体材料是低碳钢板，而高强钢作为一种特殊钢材，更容易替代普通钢板。在实际开发过程中，优化结构截面尺寸、减薄零件料厚、应用高强度钢材来获得性能相当的车身结构，因而通过高强钢应用可获得较好的轻量化效果。

有资料表明，使用高强度钢板，原厚度为1.2 mm～1.4 mm的白车身零件可减薄至 1.0 mm～1.2 mm，白车身质量减小15%～20%，节油8%～15%[2]。

图1是高强钢在某商用车白车身骨架上的应用实例，通过高强钢的应用，显著地降低了结构件的料厚，从而达到轻量化的目的。

按照国际钢铁协会ULSAB（Ulrta Light Steel Auto Body）项目组的定义，将屈服强度在210 MPa～550 MPa范围内的钢定义为高强度钢（High Strength Stee1, HSS），屈服强度在550 MPa以上的钢定义为超高强度钢（Ultra High Strength Steel, UHSS）[3]。

普通高强度钢（HSS）主要应用于非主要承力结构件，例如前顶托架、地板边梁等；590～980MPa级的超高强度钢（UHSS）主要应用于安全性相关的主要承力结构件，如侧后顶托架、B柱C柱及地板纵梁等；其中前围横梁由于与碰撞相关，需要超高强度，还可以用到1 500 MPa级的超高强钢。

图1 高强钢在某商用车白车身骨架上的应用

高强钢除了通过强度等级分类，还可以通过强化机理分类。常用的分类包括双相钢（Dual- Phase Steel, DP）和相变诱导塑性钢（Transforma- tion Induced Plasticity steel, TRIP）。

双相钢（DP钢）是一种较为常用的材料，它的主要特点是屈服强度可达400 MPa～550 MPa，常用于汽车的安全部件，如车门防撞杆、B柱等结构部位。而诱导塑性钢也具有优异的性能，是汽车制造材料研究以及未来发展的重要方向。

以相变诱导塑性钢（TRIP钢）为例，它具有优异的可成型性和高强度，在汽车制造中得到了广泛的应用。并且由于对TRIP 钢相关影响因素进行的调控措施，TRIP钢的性能持续提高，逐渐满足了第三代汽车用薄板钢的性能要求[4]。

考虑到成本及加工因素，高强钢虽不能显著降低汽车总重，但其对传统的汽车冲压焊接工艺要求并不高，只需要对设备进行一定程度的改造，还能有效提高汽车安全性。虽不显眼，但却是商用车白车身最常用的轻量化材料。

铝合金

铝合金作为轻量化代表材料在白车身上广泛应用，基于如下优点：

（1）密度低，重量轻。在强度和刚性能够满足安全需求的同时，使用铝合金可大大减轻车辆的自重，由于铝合金密度只有钢材的三分之一，一般来说铝合金车辆比钢材车辆轻30%～50%；

（2）耐火、耐腐蚀性能。铝合金材料具有优良的导热性，而且散热性也比钢更好。铝合金容易氧化，表面形成一层氧化膜，因此铝合金比钢质车身耐腐蚀性能更优；

（3）冲击吸收性好。铝的吸收冲击能力是钢的2倍，在碰撞安全性方面有着较为明显的优势；

（4）易于加工、制造性。铝合金件适用于各种表面处理，因此更加便于维护。可回收性高，使制造工艺大大简化。

基于以上优点，铝合金用于汽车零件及车身技术已发展成熟，可应用于白车身外覆盖件，例如顶盖板、车门外板。但铝合金在国内商用车驾驶室应用仍有局限，分析其原因如下：

（1）成型难度大，主要是深冲性能较差，而国外制造水平已达到与钢板冲压性能相当，因此在国外商用车车身大量应用；

（2）焊接性能差，由于铝合金的热导率和电导率是钢的3倍，且铝的焊缝强度相较于钢的低，焊接铝合金所需的电流密度是钢的3倍左右，因此需考虑别的方式进行零件间的连接；

（3）铝合金在撞击变形后无法修复原状，必须将整部分拆下换上新件，维修成本高；

（4）铝合金和钢材接触后加速钢的腐蚀；

（5）铝合金成本高。

由于这些缺点，铝合金在商用车白车身上的应用受到限制。图2是某商用车的铝合金工具箱门。工具箱门由于成型简单，且内外板是通过包边的形式连接，因此克服了成型和焊接工艺的问题；由于工具箱门作为一个相对独立的系统，维修过程易于独立换装，因此克服了维修困难；且由于零件本身不大，对成本的影响也较小，又可以达到较好的降重效果，因此，可以作为商用车上铝合金的主要应用。

图2 某商用车的铝合金工具箱门

玻璃钢

玻璃钢（Fiber Reinforced Plastic, FRP）的学名又叫玻璃纤维增强塑料，是由合成树脂、玻璃纤维物与玻璃纤维毡复合而成的一种材料，能理想地完成以塑代钢。玻璃钢在国外的商用车白车身有着广泛应用，基于如下优点：

（1）轻质高强，相对密度低，在1.5～2.0之间，只有碳素钢的1/4～1/5，拉伸及弯曲强度好，与碳素钢相当；

（2）工艺性优良，成型工艺简单，容易制成型面复杂的覆盖件；

（3）耐腐蚀性好，对大气、水和一般浓度的酸碱盐等都有较好的抵抗能力；

（4）零件大小不受冲床限制，可以减少零件分块，将几个零件合并为一个零件。

由于以上优点，玻璃钢一般应用于商用车白车身的外覆盖件，例如顶盖板。采用玻璃钢顶盖板不仅可以降低重量，而且由于无需分块焊接，顶盖板的密封性大大提升。图3是一种商用车的玻璃钢顶盖结构。

顶盖总成采用外板加骨架的结构设计，白车身其他都是点焊连接在一起，而玻璃钢（FRP）是一种非金属材料，与其他部分无法实现焊接。所以顶盖外板与后围及侧围通过流水槽打胶实现粘接，而顶盖骨架是通过螺栓连接的。

图3 某商用车的玻璃钢顶盖结构

这种玻璃钢顶盖虽然有着诸多优点，但应用到大批量生产的驾驶室上仍有困难：一方面由于玻璃钢件的成型一般为手糊成型或模压成型，其效率都远低于钢材的冲压成型，无法满足大产量；另一方面由于玻璃钢顶盖为整体顶盖，占据空间较大，不宜于传统车间内大量储存和摆放；并且玻璃钢材料回收利用技术不成熟，无法达到环保的目标。基于以上原因，玻璃钢在白车身上的应用受到局限。

碳纤维

碳纤维复合材料之前主要应用在航空航天领域，伴随航空技术向汽车领域转移，碳纤维复合材料在很多特性上超越传统材料，将成为汽车车身机构轻量化中材料的重要方向。

在汽车众多轻量化材料中，碳纤维复合材料优势明显，质轻、高强、耐腐蚀、抗冲击。在满足安全性要求的前提下，碳纤维车身能减少的车身重量是铝合金等材料的2倍；同时，碳纤维复合材料比重不到钢的1/ 5，比强度却是钢的8倍，因此具有优越的安全性能。

用碳纤维取代目前的钢材车身，可大幅减重高达60%，从而提高30%多的燃油效率，新能源汽车上能平衡多装电池所带来的重量。

碳纤维复合材料车身结构给汽车带来的好处不仅仅是减重，还带来以下影响：

（1）安全性。采用碳纤维减重，使得整车的重心下移，从而提升了汽车操稳性，车辆的运行将更加安全。碳纤维复合材料具有很好的能量吸收率，碰撞吸能是钢材的6、7倍、铝的3、4倍，从而更进一步地保证了商用车的安全性。

（2）舒适度。碳纤维复合材料具有很高的震动阻尼，合金材料需要9秒才能停止震动，碳纤维复合材料2秒就能停止，所以碳纤维材料如果应用在商用车上，对于整车NVH的提升贡献度很大，可以大幅增加商用车行驶过程中的舒适性。

（3）耐久性。碳纤维复合材料具有很高的疲劳强度，通常钢和铝的疲劳强度是抗拉强度的30%～50%，但碳纤维复合材料却能达到70%～80%，所以汽车上应用碳纤维复合材料对于车身疲劳耐久度有着很大的提升。

虽然碳纤维有着诸多优点，但同玻璃钢一样，加工效率低和难以储存摆放是阻碍碳纤维复合材料大规模使用的主要因素。且碳纤维成本很高，在商用车白车身上的应用受到局限。

结束语

通过以上总结不难看出，在商用车白车身的结构中应用到轻量化材料，能够有效地减轻驾驶室的重量，达到节能降耗的效果。但是，轻量化材料由于成本高、工艺复杂等原因，无法得到大量的应用。因此，需要以“合适的材料用在合适的部位”的思想把轻量化材料应用于白车身结构上[5]。

如今，汽车制造业迅猛发展。同时，全球环境问题和能源缺损问题日益突出，汽车制造的轻量化发展成为产品研发的重要课题之一。