浅谈车身制造材料

2016-08-10文宵

大科技 2016年27期

关键词：轻量化碳纤维铝合金

文宵

浅谈车身制造材料

文宵

（广西机电职业技术学院广西南宁 530007）

汽车诞生至今，车身材料不断变化，每次变革都与车身结构发展，生产工艺进步密切相关。本文简单介绍了车身材料的发展历史，当前广泛使用的车身材料，并展望未来车身制造发展的三个方向：新设计，新材料，新工艺。

车身；材料；发展

1 车身材料发展历史

1886年，德国人卡尔·本茨申请获得了以汽油机为动力的三轮车专利，车身沿用了马车的结构，整体以木材为主，车身、车架和车轮大部分均为木制结构。由于受到动力和续航能力的限制，为了减轻车重，木制结构车身在很长一段时间仍然存在。英国Standard汽车公司1929年制造的Fulham系列车型就是木质车身的典型代表。早期汽车产量很低，价格昂贵，基本都是定制车型，木制车身是一种非承载式结构，强度低，碰撞安全性差，还容易引起车辆燃烧。为了提高车身强度及安全性，工程师做了很多努力，其中一大改进就是逐渐增加金属材料的使用。

1908年，美国福特公司开始生产T型车，该车沿用了马车的非承载式车身，1913年，福特公司通过流水线生产方式，极大提高了T型车的产量。由于车身模具承受不了铁、钢等高硬度金属，钢材成本又高，整车重量与发动机动力不匹配等原因使早期T型车选择锡片来做模压，然后再焊接，组装。这大大降低了材料与生产成本，但出于安全考虑，锡片的硬度很低，后来慢慢被淘汰了。1925年福特公司生产的新型T型车才是真正意义上的钢制车身，随着新车的诞生，车身连接技术也发生了改变，木制车身的螺纹和铆钉连接逐渐被焊接所取代。焊接不仅使零件连接强度增大、安全性提高，还大大提高了车身密封性能，减轻车重，降低车内噪音，从而获得更好的行驶舒适性。

1922年意大利蓝旗亚公司生产的Lambda汽车最早采用了承载式车身，这款汽车还创新的使用了独立悬架。20世纪30年代德国欧宝公司和法国雪铁龙公司也开始采用承载式车身。承载式车身使用冲压成型的钢板外壳焊接成一个整体结构，它降低了车身振动，并能实现低成本大批量生产。承载式车身成为20世纪60年代车身制造技术上的一大亮点。20世纪70年代世界大部分汽车厂商都开始采用承载式车身，直到今天，几乎所有汽车制造商都使用某种形式的承载式车身进行研发和生产。

车身轻量化[1]使汽车制造分成为两大方向：一是继续使用钢材，但通过结构设计和制造工艺来达到轻量化要求。早在20世纪30年代，就出现了以钢管框架为车身，外围覆盖金属蒙皮的汽车，但直到1951年英国捷豹汽车公司生产的C-Type跑车夺得了24h勒芒耐力赛冠军，钢管车身才进入人们的视野。钢管车的特点是钢制管状车身（图1）提供足够的强度和超轻的车重，最外层的金属蒙皮（图2）则提供适于高速行驶的空气动力学结构。钢管车焊接工艺复杂，不适合大规模生产，于是人们把注意力转移到车身轻量化的第二个大方向使用新材料上。除钢材外，许多新材料被应用到车身制造中，包括：铝合金，玻璃纤维、碳纤维，塑料，高分子复合材料等。

图1 钢制管状车身

铝合金以优异的延展性、良好的耐腐蚀性成为车身轻量化的首选材料，其自重只有钢材的1/2。铝合金很早就被用于车身生产，航空级铝合金的机械性能和钢材持平，可以在不增加重量的前提下增加结构强度。铝合金几乎不被腐蚀，但出于美观考虑，铝制车身依然会进行涂装。铝制车身的缺点是造价高，成型和焊接工艺都比较复杂，且变形后只能更换变形部件，维修成本高。1962年莲花车队生产的F1方程式赛车首次采用了铝合金单壳体车身，单壳体车身使用一层轻薄而坚固的铝合金代替传统的车架和车身，既作为车身外表面又为整车提供足够强度的支撑。

图2 铝合金金属蒙皮

纤维材料比金属更轻更坚固，在制作时像织布一样纺织成片，用有机胶浸润并固化。CFPR碳纤维增强复合材料Carbon Fiber Reinforced Polymer密度1.7g/cm3，在2200℃的高温下，依然能够保留强度，其断裂韧性、抗疲劳性、抗蠕变性、伸拉强度和弹性模量都高于一般碳素材料。1981年迈凯伦车队在其MP4/1方程式赛车上采用碳纤维加强材料制造单壳体车身，1992年，迈凯伦将碳纤维单壳体车身技术应用到量产车F1上，F1成为了当时速度最快的量产车。SMC片状模塑料Sheet Moulding Compound，是一种玻璃纤维增强热固性复合材料，密度1.3g/cm3，热膨胀系数与钢材相同，抗腐蚀和抗损伤性优于钢材，主要成分为树脂和玻璃纤维。相对昂贵的CFPR，SMC被大量的使用在量产车及商用车上，到20世纪90年代，SMC被美国各大汽车厂商采用，车型包括雪佛兰Corvette，卡迪拉克XLR，福特Edge等，欧洲的部分车型如雪铁龙Berlingo也使用SMC来制造车顶。

2 当前车身制造材料

目前，在以德国大众集团，日本丰田汽车公司为代表的现代汽车生产中，使用最多的还是普通低碳钢。镀锌钢板普遍用于各类乘用车及商用车的车身制造，它具有很好的塑性，强度和刚度，能满足车身焊接要求。钢铁企业不断推出的高强度钢满足了车身轻量化要求。高强度钢是在低碳钢的基础上强化得来的，可以在厚度减薄的情况下保持车身的机械性能，从而减轻车身重量。高强度钢用来制造车身特别需要强度和刚度的部分，而低碳钢则用于车身外围的覆盖件。

铝合金是仅次于钢材广泛使用于车身制造的材料，从长远来看铝合金车身的生产比钢制车身更节能环保，铝合金的使用可以有效降低车重，保证结构强度。目前，大部分汽车厂商都使用铝合金制造车身上的部分零件，形成一种钢、铝混合的结构，目的是实现车身轻量化。少数类似奥迪，捷豹，路虎等厂商在其豪华车中采用了全铝车身。限制铝合金使用的主要问题还是成本和生产工艺及高维修费用。

纤维材料的缺点和优点一样明显，碳纤维非常昂贵而且生产工艺复杂，如何降低成本和大批量生产是限制碳纤维使用的两大难题，目前，只有赛车、超级跑车和少数豪华车使用此材料。玻璃纤维在高温下性能不如碳纤维稳定，而且它不可回收，污染环境，这些都限制了它大规模的使用。

3 未来汽车的车身制造

宝马i3电车已经向人们展示了未来汽车的雏形，新设计，新工艺，新材料。i3摒弃了承载式车身采用LifeDrive模块构架（图3），即整车分成Life和Drive两部分。Life乘坐模块有更大的空间，因为车身不再负责传递载荷，悬架、电池组、电动机、碰撞防护结构都被直接分配到Drive模块中。Life模块采用碳纤维增强复合材料CFPR，而Drive模块则形成了一种钢、铝和碳纤维的混合结构。

图3 宝马i3 LifeDrive模块构架

塑料质量轻、成本低、加工简单，一直以来都作为辅助材料用于制造车身的部分零件。随着技术发展一种新型“全塑车身”正在出现。全塑车身主体部分为轻质滚塑材料，采用滚塑整体成型工艺制造，由于塑料可以进行调色处理，成型后不再需要涂装，因此省去了传统加工的冲压和喷涂工序，即“一次成型”。滚塑整体成型工艺和一体式冲压成型工艺有本质区别，后者多用于车门、翼子板等零件，它简化了焊接工艺，提高结构强度并增加美感，而前者则将车身制造一次完成，这种一次性制备出具有复杂曲面的大型或超大型中空塑料的能力正好满足了车身体积大，外观线条曲面圆滑的要求。目前这项技术还不成熟，仍处在起步阶段，丹麦节能电动车ECOmove QBEAK使用类似的超轻车身使得整备质量仅为425kg。

未来，更轻的金属将应用到车身制造中。2014年，雷诺Ecolab概念车使用了韩国浦项公司生产的镁合金[2]板材。2015年保时捷911GT3 RS使用镁合金车顶，较普通版本质量减轻10kg。镁合金比铝合金轻33%，比钢轻77%，为常用金属材料中最轻的材料，能更有效的实现车身轻量化。金属微格Metallic microlattices[3]是一种合成多孔金属材料（图4），密度0.9mg/cm3，由美国HRL实验室和加州大学，加州理工技术大学合作发展，2011年发表，原型样品为镍-磷合金，是世界最轻的固体材料。金属微格的力学性质似弹性体，压缩体积变小，压缩超过50%仍能恢复原形，这种性质能很好的吸收震动。2012年，大众机械评选金属微格为改变世界十大创新之一。金属微格本是航空材料，但其超轻的质量和恢复变形的能力更适合车身制造，它的使用将极大的提高车身的安全性能，同时实现车身轻量化。