汽车结构材料的选择

汽车结构材料的选择

杨阳

同济大学汽车学院上海201800

【摘要】

本文主要介绍汽车结构材料的分类、应用，重点介绍塑料等非金属材料在汽车上的应用，尤其在汽车支撑结构上的应用。

【关键词】汽车材料支撑结构结构设计材料选择

0引言

汽车迅猛发展的结果已经被人类社会所利用，传统燃油车的脚印已遍布世界各地，它对人类方便、快捷环境的改善是巨大的，卓有成效的。为了使汽车耗能逐渐减少，充分缓解地球的压力，保护人类赖以生存的家园，每位汽车工程师都付出了自己的智慧和汗水。

现今汽车对环境影响最大的方面莫过于燃油消耗量大，环境污染严重。这些影响已经成为迫使汽车发生改变的根本性原因。为了使燃油消耗量尽量减少，各个汽车整车厂及零部件生产厂都致力于设计更加轻便的燃油车，或尽量减少燃油使用量的混合动力汽车，或不依赖燃油的纯电动汽车。因此汽车轻量化，是汽车发展迫在眉睫的现实，也是汽车发展的大趋势。

1汽车结构材料的分类

现今汽车空间骨架结构主要是由独立面板冲压、焊接而成，通用材料为钢、铝等金属材料，骨架设计取决于结构中支撑梁截面大小及其连接特点，它必须满足强度、刚度、碰撞及抗腐蚀要求。通常汽车车身钢板的重量约占整车总重量的25%以上，因此减轻钢板的重量，将会有效的改善整车的总体性能，减少燃油的使用量。材料的选择限制了汽车框架结构吸收冲击力的能力，这种能力主要体现在材料的弯曲特性上，包括保持基本截面及避免截面自身收缩破坏的能力。

目前汽车结构所使用材料有钢材、铝合金、镁合金、钛合金等金属材料，它们在高速撞车时强度增高约200%-250%，其性能是可以通过一定的变形吸收能量，但一旦破坏，超过其材料本身的屈服极限，就不能吸收更多的能量了。

1.1金属材料的性能

下面将对这几种金属材料进行比较：

1）与汽车钢板相比，铝合金具有密度小（2.7g/cm3）、强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生、技术成熟等优点。采用全铝来加工车身骨架和外板结构，经试验数据测定，比传统钢材料加工成的车身减轻了约43％。由于所有的铝合金都可以回收再生利用，所以深受环保人士的欢迎。根据车身结构设计的需要，将不同厚度的铝板或者用铝板与钢板复合压制成型，再在表面涂覆防腐蚀材料的工艺，使其整车结构大幅度轻量化且具有良好的耐腐蚀性。

2）与汽车钢板相比，镁的密度为1.8g/cm3，仅为钢材密度的35％，铝材密度的66％。此外它的比强度、比刚度高，阻尼性、导热性好，电磁屏蔽能力强，尺寸稳定性好，因此在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。

3）钛的密度为4.6g/cm3，仅是铁的1/2，但强度和硬度都超过了钢，且不易生锈。用钛合金铸造的汽车发动机部件更轻、更坚固、更耐腐蚀，钛合金车身可以承受更大的作用力。

1.2复合材料的性能

金属材料发展到今天，虽然可以通过结构及加工工艺的不断改善，使其重量越来越轻，强度越来越大，但相对于密度小，有极大发展空间的复合材料来说，重量上还是无法相提并论的。复合材料是一种多相材料，是由有机高分子、无机非金属和金属等原材料复合而成。目前玻璃纤维增强树脂复合材料和碳纤维增强树脂复合材料在汽车上已经获得成功的应用。

1）复合材料的优点：

复合材料在撞车时的缓冲作用与其他同类材料相类似，在很大程度上取决于材料纤维的特点。最好的复合材料吸收的能量可达到100MJ/Kg，而最好的金属材料吸收的能量仅达到40MJ/Kg。

2）复合材料的缺点：

复合材料的缺点也是需要注意的，它在吸收能量时与金属连接的复合材料不会产生整体变形破坏，仅会局部的掉下一些碎片，在这种情况下就会削弱剩余复合材料在多次事故中的强度能力，另外，还可能产生一种反作用力作用于事故发生断裂的部分。

1.3塑料的性能

对于塑料类产品来说，汽车上使用较多的是工程塑料，与通用塑料相比，工程塑料具有优良的机械性能、电性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等优点，且比要取代的金属材料轻、成型时能耗少。工程塑料用于汽车结构，可实现轻量化和节能，代替金属后的车身取得了轻量化方面的显著成果，而且工程塑料可回收和循环利用，因此其在汽车材料使用上的发展空间已显而易见。

目前六大类的塑料：PP、PUR、PVC、ABS、PA和PE在汽车上得到广泛的应用，通常用于制造车身覆盖件、车门门褴、车身内外装饰件和水箱面罩、保险杠和车轮护罩，现在汽车设计师正在研发将塑料用于汽车支撑结构上，并已经可以在一些汽车上发现其踪影。

2金属及非金属材料在汽车上的应用

从以上图示NVH分析结果可得：结构一阶模态振动频率为28Hz，满足要求。

综上：从以上例子强度及NVH分析结果可以看出，用GMT（PP+30%玻纤）的非金属材料加工汽车内部具有承载能力的支撑结构（此材料现已应用于某整车厂汽车蓄电池托盘的试制中），加入适量的玻纤，并优化设计结构，塑料类非金属材料的强度并不比钢板等金属材料的强度逊色，不但会满足整车整体性能要求，而且会使整车重量大大降低，达到汽车轻量化，节能减排的目的。

4结语

汽车结构材料的选择要根据汽车本身的要求进行，汽车上所用的材料非常多，并且同一种材料用在不同的部位有不同的性能要求，因此也就需要进行各种项目的检测。例如拉伸强度、撕裂强度、硬度、弯曲强度、摩擦系数、色泽等。随着非金属材料的性能及加工工艺的日新月异，非金属材料正以前所未有的速度被应用在汽车上。伴随非金属材料在汽车领域应用范围的日益扩大，也给此类材料相应性能的检测提出了要求，例如汽车内饰材料有毒有害物质的挥发对人体的影响，座垫、靠背等和人体接触材料的透气透湿性对驾乘人员舒适度的影响等，针对这些问题，相应的检测方法、检测标准、检测仪器也相继推出和不断完善，更重要的是若塑料等非金属材料加工成汽车内部主要的支撑结构，是否会对汽车的安全性产生影响，这都是需要进一步研究，探讨并要逐步解决的。即便现在非金属材料在汽车上的应用还有诸多的限制，但它的普遍应用，甚至全非金属汽车将会是一个大的发展趋势，指引着汽车材料的选择向更方便，更轻巧，更节能的方向发展。

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