1.2.3 车身选材

汽车车身材料的选择必须遵守材料选择的一般原则。一般，材料选择主要从以下三方面进行：

1）材料的成形性。

2）材料的使用性。

3）材料的经济性。

原来车身主要以钢制车身为主，伴随着节能减排需求，为了达到轻量化和整车性能要求，轻质材料逐渐在车身上进行了应用。而各大汽车主机厂都在致力于从技术和经济的角度分析和改善现有材料和工艺的使用条件，探索新材料、新结构和新工艺在车身上应用的可能性，寻求在保证性能、不增加或者少增加成本的前提下降低汽车结构重量的方法，制定并实施降低汽车重量的规划。

目前，汽车用轻质材料可分为两大类：一类是低密度材料，如铝合金、镁合金和复合材料等；另一类是高强度材料，如高强度钢、超高强度钢、先进高强度钢以及热冲压成形钢等。为了应对新材料的应用和结构的变更，提出了新的车身成形工艺。下面分别对车身使用的高强度钢、铝合金、镁合金和复合材料进行简单介绍。

1. 高强度钢

在车身承载部位，汽车主机厂通常采用高强度钢板代替普通钢板，在保持或者提升车身性能的同时，零部件厚度减薄，从而达到轻量化的目的。钢板按照屈服强度进行分类，可分为软钢、高强度钢板和超高强度钢板，如图1-15所示。高强度钢又可以分为：普通高强度钢（Conventional High Strength Steel, CHSS）、先进高强度钢（Advanced High Strength Steel, AHSS）、超高强度钢（Ultra High Strength Steel, UHSS）、热冲压成形钢（也称热成形钢）等。图1-16是斯柯达科迪亚克全钢车身的高强度钢使用比例，在A柱、B柱以及乘员舱承受撞击载荷的关键位置使用了热成形钢，使用比例达到20.3%，超高强度钢使用比例达2.1%，先进高强度钢使用比例达到7.9%。

2. 铝合金

铝合金是一种理想的汽车用轻质金属材料，密度为2.7g/cm ³ ，是钢材的1/3左右，同时具有优良的减振性能和耐腐蚀性能。全铝车身与钢质车身相比较，重量可以减轻30%～50%。汽车车身中经常使用的铝合金可分为压铸铝合金、铝合金挤压型材和铝合金板材。比较典型的是奥迪A8的全铝空间框架式车身（Aluminum Space Frame, ASF），如图1-17所示。除了考虑碰撞安全性，在B柱等局部位置采用钢板（8%）外，车身其他位置都采用铝合金。铝合金板材占车身重量的35%，主要使用在地板、前围板等位置。在关键的接头位置，主要布置了铝合金压铸件，包括铝合金薄壁高真空压铸减振塔，占车身重量的35%。采用铝合金挤压型材形成承载式车身框架占22%。白车身（不包含车门、翼子板与开闭件等）重量仅231kg，而其车身扭转刚度可达到37600N·m/（°），铝合金车身的刚度可以达到较高的水平。

目前，国内也已经推出了具有全铝车身的车型，比如北汽新能源的LITE和奇瑞的小蚂蚁。这两款A00级两厢紧凑型新能源汽车，都采用框架式全铝车身，达到了非常好的车身轻量化效果。

铝合金在车身上的应用，必须要重点考虑铝合金零件之间的连接工艺，包括采用不同工艺制造的铝合金零部件之间的连接，以及异质材料（如钢、铝）之间的连接方法。在奥迪A8上采用了多种连接工艺，如图1-18所示，包括了自冲铆连接（Self -piercing Rivet, SPR）、熔化极惰性气体保护焊（Melt Inert-gas Welding, MIG）、热熔攻丝连接（Flow Drill Screw, FDS）和焊接等8种连接工艺。实际上，新型材料的开发与应用，必须要考虑其成形工艺的可实现性与连接问题，尤其是连接工艺的效率和成熟度等问题。这也是目前国内主机厂都在努力提升的技术能力。

3. 镁合金

镁合金的密度为1.7g/cm ³ ，是铝合金密度的2/3，是目前最轻的结构合金。镁合金具有非常好的减振性能、铸造性能，以及优良的切削加工性能和较好的尺寸稳定性。但是其表面形成的氧化膜与铝合金相比非常疏松，从而其耐腐蚀性能差，需要进行表面处理。目前，镁合金压铸件可用于汽车仪表板管梁、汽车座椅骨架、转向盘骨架、变速器壳体、发动机壳体类零部件、车门内板、轮毂、支架、离合器壳体和车身支架等。

4. 复合材料

与金属材料相比，复合材料尤其是碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）的优势显而易见，它的密度通常在1.7g/cm ³ 左右，比铝合金更轻，且强度较高，使车体更加结实、坚固。发生碰撞时，碳纤维会粉碎性断开，从而吸收撞击能量，碳纤维复合材料碰撞吸能水平达到100kJ/kg。相对来说，铝合金的碰撞吸能大约为30kJ/kg，而钢的碰撞吸能水平仅有大约20kJ/kg。同时，碳纤维复合材料的断裂韧性、抗疲劳性、抗蠕变性和拉伸强度都高于一般的金属。

宝马i3是全球第一种大面积运用碳纤维复合材料车身的量产车型，其Life模块90%都是采用CFRP材料。在2015年款宝马新7系中，宝马进行了碳纤维复合材料和钢板复合零部件的设计和应用，首次打造了Carbon Core钢-铝-碳纤维三种材料的混合车体，如图1-19所示。在车体的底部、侧面等主要框架部分，宝马仍旧是以铝、钢的材质混搭，在A柱、B柱、C柱以及中央通道等位置处，增加碳纤维复合材料，形成碳纤维复合材料和金属的复合结构，达到优化刚度和强度的目的。车顶部横梁直接以碳纤维打造而成，并与车身左右两侧连接。新宝马7系的白车身重量为323kg，车身扭转刚度却达到了42100Nm/（°），达到了非常好的性能指标。

继宝马之后，通用、克莱斯勒也开始在自己的汽车上使用更多的碳纤维复合材料设计。但是，碳纤维复合材料的应用面临着制造成本和维修成本高、成型效率低的难题。除此之外，碳纤维复合材料零部件开发需要同时考虑材料、结构以及工艺的一体化设计和虚拟模拟分析，国内目前量产碳纤维复合材料零部件设计人才匮乏。同时，一般碳纤维复合材料零部件的制作工艺生产效率较低，产品一致性差，很难满足汽车规模化生产的要求。这些问题制约着主机厂在量产车型中应用碳纤维复合材料，需要同时在制造工艺、设计和材料三方面进行大幅提升。 eAW6gyFiXfVBMIIhzE1+wYWd20yazGfQ2eu9S4AjoeFBPom1hsEwivbs6Iya2ASp