作者 —— 咖加用戶：張大媽家的kimi838

前言

最近，中保研的2019年度碰撞結(jié)果全部披露，其中不少車型的碰撞測(cè)試結(jié)果引起熱議，諸如，大眾帕薩特，大眾途觀L，現(xiàn)代菲斯塔，本田凌派的成績(jī)讓消費(fèi)者對(duì)中國(guó)特供車型的安全性心生疑慮，加之之前多款全球車型如本田Inspire在C-IASI中測(cè)試表現(xiàn)不及海外版本車型測(cè)試結(jié)果，身邊不少朋友都對(duì)非"原裝進(jìn)口"的車型的安全性持懷疑態(tài)度，"國(guó)產(chǎn)不能買"，"國(guó)產(chǎn)必減配"等言論甚囂塵上……

安全性是很多消費(fèi)者購(gòu)車考慮的首要因素，而被動(dòng)安全又往往被視為車輛安全性的底線，碰撞測(cè)試結(jié)果該怎么看？買一個(gè)碰撞測(cè)試最佳的車是不是一定能保命？坊間的拆車卡尺黨說的厚道的車一定安全嗎？相信大家關(guān)于汽車安全性的問題還有很多，作為一個(gè)力學(xué)出身的PhD，看著網(wǎng)絡(luò)上各路拆車黨，卡尺黨在2019年依舊在用著"厚度""能否被磁鐵吸附"等民科概念忽悠消費(fèi)者，實(shí)在不忍，于是寫下下面的文字，希望能從科學(xué)角度，帶大家了解車身結(jié)構(gòu)，并對(duì)相關(guān)的被動(dòng)安全概念有所掌握，讓大家能夠避開那些非蠢即壞的消費(fèi)誤區(qū)。

本文的主要內(nèi)容如下：

1、碰撞測(cè)試發(fā)展沿革及知識(shí)科普：碰撞測(cè)試為何而來，現(xiàn)階段的碰撞測(cè)試能夠多大程度提升汽車安全性；

2、車身結(jié)構(gòu)中的材料學(xué)及力學(xué)知識(shí)科普：軟硬、強(qiáng)度、剛度等材料概念和汽車的被動(dòng)安全性有怎樣的聯(lián)系；

3、汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)：在碰撞測(cè)試逐漸嚴(yán)苛的情況下，應(yīng)試不是錯(cuò)，前路在何方；

4、參考資料：權(quán)威來源，拒絕道聽途說。

1、碰撞測(cè)試發(fā)展沿革及知識(shí)科普

為什么C-NCAP評(píng)價(jià)中那些"非5星"產(chǎn)品依然在市場(chǎng)暢行無阻？為什么C-NCAP會(huì)被戲稱"5星批發(fā)部"？同樣是NCAP測(cè)試，中國(guó)和歐美發(fā)達(dá)國(guó)家有哪些差異？要回答下面的問題，我將介紹CNCAP及各國(guó)NCAP的歷史、基本特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。從試驗(yàn)形態(tài)、碰撞速度、假人安放、評(píng)價(jià)指標(biāo)等角度, 比對(duì)了正面碰撞、側(cè)面碰撞、翻滾試驗(yàn)、主動(dòng)安全輔助裝置以及總體評(píng)價(jià)等。

1.1、C-NCAP的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

中國(guó)汽車技術(shù)研究中心在充分研究并借鑒歐洲新車評(píng)價(jià)規(guī)程 (E-NCAP) 發(fā)展經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 結(jié)合我國(guó)汽車法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)制定經(jīng)驗(yàn)、道路標(biāo)準(zhǔn)和交通狀況, 于2006年建立了中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程 (C-NCAP) 。

近年來, 隨著各國(guó)路況變化和安全技術(shù)的提升, 既有的"新車評(píng)價(jià)規(guī)程 (NCAP) "評(píng)價(jià)體系對(duì)于汽車安全性的區(qū)分度一直在降低，這也是為什么一段時(shí)間C-NCAP會(huì)呈現(xiàn)出5星增多的原因。為此, 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心每3年對(duì)《C-NCAP管理規(guī)劃》進(jìn)行一次更新, 以便于對(duì)其不足之處進(jìn)行更改、適應(yīng)科技的進(jìn)步和新的理念。歷次修改變化如下圖所示。

▲ C-NCAP歷年更新。

C-NCAP對(duì)于碰撞試驗(yàn)中三個(gè)重要元素:壁障、速度、假人是較少改變的, 大部分的調(diào)整在分值計(jì)算和權(quán)重部分。幾乎每次更新都會(huì)有新增測(cè)試, 并將新式車型 (新能源汽車) 和新型成熟技術(shù) (安全帶提醒裝置、電子穩(wěn)定控制裝置等) 加入試驗(yàn)范圍。運(yùn)行管理?xiàng)l目的內(nèi)容在每次版本更新時(shí)都會(huì)針對(duì)新增內(nèi)容進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整。

乘員保護(hù)部分在NCAP體系中占有重要地位, 主要包括碰撞試驗(yàn)、低速后碰撞頸部保護(hù)試驗(yàn) (鞭打試驗(yàn)) 。其中碰撞試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)、正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗(yàn)和側(cè)面碰撞試驗(yàn)。在不同NCAP體系, 這些碰撞試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目的細(xì)節(jié)存在差異。

a. 偏置正碰項(xiàng)目

在大多數(shù)正面碰撞中, 車輛的正面僅有一部分遭到撞擊并且被破壞, 即兩輛相撞的汽車存在偏置。而該試驗(yàn)再現(xiàn)的是兩輛相同重量且均以50 km/h速度相向行駛的汽車發(fā)生碰撞時(shí)的場(chǎng)景, 其碰撞產(chǎn)生的能量與64km/h速度的汽車與壁障碰撞產(chǎn)生的能量相當(dāng), 從而達(dá)到模擬的目的。不同NCAP體系中, 偏置碰撞測(cè)試項(xiàng)目差異如下圖所示。

▲ 2018版C-NCAP和歐美測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比。

b. 側(cè)面柱碰項(xiàng)目

該測(cè)試再現(xiàn)的是駕駛員超速、彎道誤判, 或者在路面濕滑情況下由于打滑而對(duì)車輛失去控制時(shí)與路旁的樹干、柱子等剛性物體發(fā)生碰撞。不同NCAP體系中, 側(cè)面柱碰撞測(cè)試項(xiàng)目差異如下圖所示。

▲ 歐美側(cè)面柱碰測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比。

C-NCAP沒有將該項(xiàng)測(cè)試參與評(píng)分, 官方說法是考慮到中國(guó)與歐美不同的國(guó)情:中國(guó)城市中的路燈和電線桿基本上被路肩和綠化帶隔開, 汽車很難與其相撞;歐美國(guó)家從20世紀(jì)初便開始電氣化, 設(shè)立路燈和電線桿時(shí)沒有系統(tǒng)地進(jìn)行規(guī)劃, 現(xiàn)在歐美國(guó)家城市。

我國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程自2006年建立以來, 極大推動(dòng)了我國(guó)汽車安全技術(shù)的進(jìn)步。C-NCAP不斷進(jìn)行更新, 逐步增加測(cè)試內(nèi)容、提高碰撞速度、壁障質(zhì)量、改變傷害計(jì)算方式和評(píng)分比重, 使高星評(píng)分獲得更加困難, 提高汽車安全性能的區(qū)分度。但C-NCAP的版本更新時(shí)間為3年, 與E-NCAP和IIHS每年的模塊化更新相比, 時(shí)間跨度上略長(zhǎng), 對(duì)汽車安全技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的反應(yīng)會(huì)有滯后, 也并不符合我國(guó)目前汽車工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀。因此, 縮短更新周期、滿足日新月異的汽車安全技術(shù)進(jìn)步是未來C-NCAP的發(fā)展要求。

1.2、NCAP在世界各國(guó)的發(fā)展概況

近年來, 汽車保有量的激增, 在給人們出行提供極大便利性的同時(shí), 也帶來了汽車交通事故所引發(fā)的大量人員傷亡, 每年在汽車交通事故中死傷人數(shù)在數(shù)百萬以上, 僅從官方公布的數(shù)據(jù)看, 僅在中國(guó)每年的汽車交通事故死亡人數(shù)也達(dá)7萬人左右。因此, 汽車安全已成為全社會(huì)關(guān)注的重要問題, 引起了世界各國(guó)政府的高度重視。為了減少交通事故傷亡率, 提高汽車對(duì)乘員的保護(hù)能力, 各國(guó)政府相繼制定了各種強(qiáng)制性汽車安全法規(guī), 這些法規(guī)的出臺(tái)給汽車制造商提出了明確的技術(shù)要求, 使得制造商加大在汽車安全設(shè)計(jì)技術(shù)上的研發(fā)力度, 汽車安全性有了基本的保障。

然而法規(guī)畢竟只是市場(chǎng)準(zhǔn)入的門檻性要求, 也是對(duì)汽車安全性最基本的要求, 隨著汽車安全技術(shù)的不斷發(fā)展, 強(qiáng)制性安全法規(guī)已不能滿足人們對(duì)汽車安全所期望的要求, 為了更加直觀量化地區(qū)分汽車安全性能的優(yōu)劣, 新車評(píng)價(jià)規(guī)程 (New Car Assessment Program, NCAP) 星級(jí)評(píng)價(jià)規(guī)程應(yīng)運(yùn)而生, 按照比法規(guī)更嚴(yán)格的方法對(duì)在市場(chǎng)上銷售的車型進(jìn)行碰撞安全性能測(cè)試、評(píng)判和劃分星級(jí), 并向消費(fèi)者公開評(píng)價(jià)結(jié)果。NCAP的出現(xiàn)給汽車安全技術(shù)的發(fā)展注入了新的動(dòng)力, 由于各個(gè)國(guó)家實(shí)際情況的差異, 使得各國(guó)的NCAP評(píng)價(jià)方法、試驗(yàn)項(xiàng)目均有不同程度的差異, 并且隨著各國(guó)道路交通條件的變化以及車輛技術(shù)水平的提升, 各國(guó)也在不斷更新各自的NCAP測(cè)試項(xiàng)目與評(píng)價(jià)方法。下面針對(duì)國(guó)外主要NCAP測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)的歷史、基本特點(diǎn), 技術(shù)現(xiàn)狀以及最新的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析, 為大家指出汽車安全發(fā)展的關(guān)注點(diǎn), 同時(shí)也為大家汽車選購(gòu)參考。

美國(guó)是世界上最早研究并實(shí)施NCAP項(xiàng)目的國(guó)家。早在1979年就開始由美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局 (National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA) 牽頭組織實(shí)施新車評(píng)價(jià)規(guī)程US-NCAP, 它是世界上最早的NCAP體系, 在世界汽車安全史上具有非常重要的意義。最初僅有正面全寬碰撞一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目, 發(fā)展到目前涵蓋正面碰撞、側(cè)面碰撞以及翻滾等多測(cè)試項(xiàng)目的評(píng)價(jià)體系, 2010年評(píng)價(jià)規(guī)程有了較大的變化。US-NCAP的實(shí)施, 不僅給消費(fèi)者購(gòu)車提供了權(quán)威且準(zhǔn)確的車輛安全信息, 同時(shí)促動(dòng)了汽車廠家提高汽車安全性能。由于US-NCAP的標(biāo)桿作用, 世界各國(guó)也陸續(xù)開展各自NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程的制定和實(shí)施。

自1993年后, 澳大利亞、日本、美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)、歐盟、韓國(guó)以及拉美均推出了各自的NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程。1993年, 澳大利亞與新西蘭政府聯(lián)合國(guó)家道路管理局、維多利亞州交通事故委員會(huì) (VTAC) 、國(guó)際汽聯(lián)基金會(huì) (FIA) 、NPRM保險(xiǎn)協(xié)會(huì)以及汽車俱樂部等推出了A-NCAP, 試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括40%偏置碰撞、側(cè)面碰撞、側(cè)柱碰撞以及行人保護(hù)。日本于1995年由日本政府授權(quán)國(guó)家車輛安全以及受害者援助機(jī)構(gòu) (National Agency for Automotive Safety and Victim's Aid, NASVA) 推出J-NCAP。試驗(yàn)項(xiàng)目最初僅有正面全寬碰撞試驗(yàn)和制動(dòng)效能試驗(yàn), 1999年增加側(cè)面碰撞試驗(yàn), 2000年增加40%偏置碰撞試驗(yàn), 2003年增加行人保護(hù)頭部碰撞試驗(yàn), 2009年納入追尾碰撞揮鞭傷害試驗(yàn), 2011年增加行人保護(hù)腿部碰撞試驗(yàn)。

在美國(guó), 除了由NTHSA頒布的US-NCAP, 1995年美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)推出了IIHS-NCAP, IIHS-NCAP與其他NCAP主要區(qū)別是不用星劃分, 而是將安全性能劃分為Good (良好) 、Acceptable (可接受) 、Marginal (允許的最低界限) 和Poor (差) 4個(gè)等級(jí)。IIHS-NCAP最初也僅有正面40%偏置碰撞試驗(yàn)一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目, 為了減輕追尾碰撞中乘員頸部傷害, 同年即展開了座椅頭枕幾何形狀的評(píng)價(jià), 是世界上最早評(píng)價(jià)追尾碰撞中揮鞭傷害的NCAP規(guī)程, 2004年增加了側(cè)面碰撞項(xiàng)目, 并增加了基于碰撞臺(tái)車的后碰撞揮鞭傷害試驗(yàn), 2009年, IIHS開始增加車頂強(qiáng)度試驗(yàn)以更好地促進(jìn)車輛抗?jié)L翻性能，后又嘗試增加25%小偏置碰撞測(cè)試。

Euro NCAP于1997年由法、德、瑞典、荷蘭、英國(guó)、盧森堡及西班牙7個(gè)歐洲國(guó)家政府牽頭, 聯(lián)合國(guó)際汽車聯(lián)合會(huì)、國(guó)際消費(fèi)者研究與測(cè)試小組, 歐洲汽車俱樂部以及車輛保險(xiǎn)修復(fù)研究中心共同發(fā)起推出的。Euro NCAP的測(cè)試項(xiàng)目主要包括40%偏置碰撞試驗(yàn)和側(cè)面碰撞試驗(yàn), 隨后先后增加了行人保護(hù)試驗(yàn), 2009年開始增加追尾碰撞揮鞭傷害試驗(yàn), 2010年開始將側(cè)面柱撞列為正式評(píng)價(jià)項(xiàng)目, 并更新了評(píng)價(jià)規(guī)程, 將按成人保護(hù)、兒童保護(hù)、行人保護(hù)以及主動(dòng)安全裝置四大測(cè)試內(nèi)容劃分星級(jí)。通過近十余年的發(fā)展, Euro NCAP已成為世界上很有影響力的汽車安全評(píng)價(jià)體系。

澳大利亞的A-NCAP于1999年起與Euro NCAP簽訂備忘錄, 使用與Euro NCAP相同的試驗(yàn)與評(píng)價(jià)體系, 并共享試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)。

韓國(guó)的K-NCAP于1999年推出, 試驗(yàn)項(xiàng)目也由最初的正面全寬碰撞發(fā)展到如今包括正面全寬碰撞、40%偏置碰撞、側(cè)面碰撞、側(cè)面柱撞、揮鞭傷害、行人保護(hù)以及抗翻滾與制動(dòng)效能等試驗(yàn)。

2010年, 在Euro NCAP、FIA (國(guó)際汽聯(lián)) 、FIA Foundation (FIA基金會(huì)) 、ICRT (國(guó)際消費(fèi)者研究與試用組織) 、GRMF (Gonzalo Rodriguez基金會(huì)) 與IDB (美洲開發(fā)銀行) 的支持下, 正式成立Latin NCAP, 目前其試驗(yàn)項(xiàng)目?jī)H有正面40%偏置碰撞, 假人及評(píng)分規(guī)則與Euro NCAP一致, 沒有統(tǒng)一的星級(jí), 只是針對(duì)成人保護(hù)和兒童保護(hù)2個(gè)項(xiàng)目單獨(dú)評(píng)價(jià)。

盡管都是NCAP, 但是由于各國(guó)道路交通條件不同以及車輛安全技術(shù)的差異, 使得試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法也不盡相同。就主要碰撞形式而言, 上述的NCAP大致可以分為3類:

第一類是在美國(guó)實(shí)施的US-NCAP, 它的正面碰撞采用固定的剛性壁障, 通常只評(píng)價(jià)前排乘員傷害, 側(cè)面碰撞采用63°斜角碰撞, 通常評(píng)價(jià)撞擊側(cè)前后排的乘員傷害情況;

第二類是以Euro NCAP為代表的, 其正面碰撞采用汽車以40%重疊率撞擊在可變形蜂窩鋁壁障結(jié)構(gòu)上, 它不僅對(duì)前排乘客進(jìn)行評(píng)價(jià), 而且對(duì)位于后排位置的兒童乘員也進(jìn)行評(píng)價(jià);側(cè)面碰撞采用90°垂直碰撞 (含柱碰撞) , 通常評(píng)價(jià)撞擊側(cè)駕駛員乘員的傷害情況;

第三類是綜合借鑒前兩種試驗(yàn)方法, 分別采用正面全寬剛性壁障試驗(yàn)以及正面偏置碰撞試驗(yàn), 另加上一種側(cè)面碰撞形式, 這樣碰撞形式就更加完整, 具有更好的綜合評(píng)價(jià)性, 不僅考核了車身的結(jié)構(gòu)安全, 同時(shí)也考核了約束系統(tǒng)匹配的效果。這一類如日本J-NCAP, 中國(guó)C-NCAP以及韓國(guó)的K-NCAP。

除了上述3種主要碰撞形式外, 不同NCAP在試驗(yàn)項(xiàng)目上也各有側(cè)重, 如美國(guó)US-NCAP、IIHS-NCAP以及韓國(guó)K-NCAP均有評(píng)價(jià)車輛抗翻滾性能的測(cè)試項(xiàng)目, 而沒有行人保護(hù)、兒童保護(hù)、等測(cè)試項(xiàng)目, 而Euro NCAP、J-NCAP均有行人保護(hù)與兒童保護(hù)、揮鞭傷害等試驗(yàn)項(xiàng)目, 卻無評(píng)價(jià)車輛抗翻滾性能的測(cè)試項(xiàng)目, C-NCAP更是結(jié)合自己的國(guó)情, 率先在后排增加乘員傷害評(píng)價(jià)。

縱觀NCAP在各國(guó)的發(fā)展歷史, 可發(fā)現(xiàn)其在發(fā)展過程中具有如下特點(diǎn):

1) 試驗(yàn)由初期單一形式逐步完善, 考核項(xiàng)目越來越全面。

尤其是最早開展NCAP的國(guó)家, 評(píng)價(jià)項(xiàng)目已從被動(dòng)安全擴(kuò)充至主動(dòng)安全范疇。較晚開展NCAP的國(guó)家, 初期評(píng)測(cè)項(xiàng)目較為完善, 但隨著車輛安全技術(shù)的發(fā)展以及原有評(píng)價(jià)體系區(qū)分度的下降, 也逐步增加了不同形式的測(cè)試項(xiàng)目, 使得安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)更加完整。

2) 試驗(yàn)項(xiàng)目、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)與各自國(guó)家具體情況結(jié)合緊密。

如美國(guó)道路交通事故調(diào)查表明, 動(dòng)態(tài)滾翻是發(fā)生在美國(guó)交通事故的一種常見形式, 因此US-NCAP具有動(dòng)態(tài)翻滾評(píng)價(jià)項(xiàng)目;日本國(guó)家政策司的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明, 發(fā)生在日本的行人碰撞致死事故中, 60%以上是因?yàn)樾腥说念^部受傷, 因此J-NCAP行人保護(hù)只有頭部保護(hù)項(xiàng)目;而在中國(guó), 汽車后排乘座率高一直是中國(guó)汽車的使用特點(diǎn), 且后排乘員受傷概率是前排乘員的3倍, 死亡概率更是增加5倍, 因此C-NCAP將后排乘員保護(hù)納入評(píng)價(jià)規(guī)程中并逐步強(qiáng)化。

3) 即便是相同的試驗(yàn)項(xiàng)目, 所評(píng)價(jià)的部位和評(píng)價(jià)的指標(biāo), 不同NCAP也有可能不同。

例如, 在正碰試驗(yàn)中假人頭部傷害評(píng)估中, Euro NCAP采用HIC值和頭部累計(jì)3 ms加速度值作為衡量頭部傷害情況的指標(biāo), 而J-NCAP僅采用HIC值衡量受傷情況。

4) 不同NCAP在整體評(píng)價(jià)中, 不同試驗(yàn)形式會(huì)有不同的權(quán)重。

如US-NCAP對(duì)于正碰、側(cè)碰、以及滾翻試驗(yàn)的權(quán)重設(shè)置為5:4:3, C-NCAP則對(duì)于正碰、偏置、側(cè)碰權(quán)重設(shè)為1:1:1, Euro NCAP則按不同試驗(yàn)形式下將成人乘員、兒童乘員、行人保護(hù)、輔助安全裝置權(quán)重設(shè)置為5:2:2:1。這些測(cè)量部位、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及評(píng)測(cè)權(quán)重上的差異均與各自國(guó)家的道路交通情況、車輛技術(shù)情況、使用特征等具體情況密切相關(guān)。

1.3、NCAP 未來發(fā)展趨勢(shì)

a. NCAP將逐步納入主動(dòng)安全范疇。

隨著主動(dòng)安全技術(shù)的逐步完善以及相關(guān)技術(shù)的工程應(yīng)用, 各國(guó)NCAP從最初的被動(dòng)安全評(píng)價(jià), 都逐步擴(kuò)展到主動(dòng)安全評(píng)測(cè)范疇, 歐、美、澳等國(guó)家均已著手研究相關(guān)避撞技術(shù)的試驗(yàn)評(píng)測(cè)方法與評(píng)價(jià)技術(shù)。如Euro NCAP對(duì)裝備有安全輔助裝置的車輛進(jìn)行加分, 如電子穩(wěn)定性控制 (ESC) 、限速裝置 (SLD) 、安全帶提醒裝置 (SBR) , 并在2013年以后的評(píng)價(jià)程序更新計(jì)劃中, 增加了中、高速后碰撞中自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng) (AEB) 評(píng)價(jià)內(nèi)容, 以及關(guān)于車道偏離預(yù)警 (LDW) 與車道保持輔助系統(tǒng) (LKD) 安裝要求, 分?jǐn)?shù)也由目前的7分增加至13分, 并將主動(dòng)安全輔助裝置權(quán)重由原來的10%提高至20%;NHTSA目前也在研究增加車道偏離預(yù)警 (LDW) 、前向碰撞預(yù)警 (FCW) 和電子穩(wěn)定性控制 (ESC) 評(píng)價(jià)項(xiàng)目;澳大利亞A-NCAP自從2008年以來, 規(guī)定獲取5星評(píng)價(jià)的車輛必須安裝ESC。

綜上, NCAP的發(fā)展趨勢(shì)是逐步納入并加大主動(dòng)安全在評(píng)測(cè)中的權(quán)重, 目前引入安全輔助技術(shù)的重要挑戰(zhàn)是如何開發(fā)通用的有效的測(cè)試評(píng)價(jià)程序, 包括簡(jiǎn)單的功能測(cè)試與復(fù)雜的路面性能試驗(yàn)。

b. NCAP評(píng)價(jià)項(xiàng)目將更加全面、更加苛刻。

NCAP的推出, 極大推動(dòng)了汽車安全技術(shù)水平的提高, 為了促進(jìn)汽車安全技術(shù)水平的進(jìn)一步提高以及保持NCAP對(duì)汽車安全評(píng)價(jià)的區(qū)分度, NCAP評(píng)價(jià)規(guī)則也只能水漲船高, 因此使得評(píng)價(jià)項(xiàng)目越來越全面、涵蓋了正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾碰撞、行人保護(hù)等碰撞形態(tài), 通過被動(dòng)安全技術(shù)到主動(dòng)安全裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)車內(nèi)外乘員保護(hù)越來越高的要求。諸如IIHS，各國(guó)NCAP增加25%小偏置碰撞試驗(yàn)。

c. NCAP評(píng)價(jià)將趨于全球化、同一化。

盡管目前各國(guó)NCAP評(píng)價(jià)項(xiàng)目在試驗(yàn)形式以及碰撞試驗(yàn)假人選取以及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)都不盡相同, 但從目前發(fā)展趨勢(shì)來看, 各個(gè)NCAP組織之間也在相互借鑒、相互協(xié)調(diào)。如C-NCAP最早開始使用Hybrid III 5th女性假人。隨后美國(guó)、歐洲、日本也在其評(píng)價(jià)規(guī)程中增加了相關(guān)內(nèi)容。而C-NCAP也將40%偏置碰撞的碰撞速度提升至與Euro NCAP一致。歐洲也將于2015年增加正面全寬碰撞試驗(yàn)。以及US-NCAP也會(huì)在不遠(yuǎn)的將來開始增加主動(dòng)安全技術(shù)的評(píng)測(cè)。此外, 從評(píng)星方法來看, 各個(gè)國(guó)家目前也都采用了一個(gè)綜合的安全評(píng)價(jià)作為車輛安全的整體評(píng)價(jià)。隨著Global-NCAP的推出, 預(yù)計(jì)將在不久的將來, 其將會(huì)更好地協(xié)調(diào)各國(guó)NCAP在試驗(yàn)項(xiàng)目以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)全球化、同一化。

2、車身結(jié)構(gòu)中的材料學(xué)及力學(xué)知識(shí)科普

在現(xiàn)實(shí)世界中發(fā)生的重大汽車碰撞事故中, 有一類正面碰撞形式——正面小重疊碰撞。據(jù)美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì), 正面小重疊碰撞發(fā)生概率占所有正面碰撞形式的24%, 而全正面碰撞只占6%, 而且正面小重疊偏置碰撞致死率很高, 大約占正面碰撞死亡事故的1/4。而此類正面小重疊碰撞工況未被包含在各種汽車碰撞安全的國(guó)家法規(guī)和新車安全評(píng)估系統(tǒng)中。正是由于正面小重疊碰撞工況的重要性, IIHS為幫助車輛進(jìn)一步提升正面碰撞保護(hù)性能, 于2012-08-14發(fā)布了一項(xiàng)新的測(cè)試工況——正面25%重疊碰撞試驗(yàn)。

想當(dāng)年，在 IIHS公布的首批正面25%重疊碰撞測(cè)試結(jié)果中，11款中等豪華車型在其它測(cè)試工況評(píng)價(jià)下都獲得一個(gè)較高的安全評(píng)級(jí), 但在正面25%重疊碰撞中的測(cè)試結(jié)果并不理想, 只有2款車獲得了Good評(píng)級(jí), 1款車獲得了Acceptable評(píng)價(jià), 而多達(dá)4款車獲得了Poor的評(píng)級(jí), 具體測(cè)試結(jié)果見下圖。

▲ IIHS正面25%重疊碰撞第一批測(cè)試結(jié)果。

下面以兩個(gè)國(guó)內(nèi)消費(fèi)者較熟悉的代表車型：沃爾沃S60及奧迪A4為例：

▲ S60 25%碰撞測(cè)試結(jié)果。

沃爾沃S60在車輛結(jié)構(gòu) (如上圖所示) 和假人傷害值方面表現(xiàn)都很出色, 只是在約束系統(tǒng)/假人運(yùn)動(dòng)學(xué)方面存在一些問題。在測(cè)試中, 假人頭部接觸駕駛員氣囊后向外側(cè)滑動(dòng), 但氣囊與氣簾之間有一個(gè)間隙(此間隙是由于駕駛員氣囊形狀不規(guī)則并且Y向很窄, 同時(shí)側(cè)氣簾未延伸至A柱造成) , 不能給頭部完全的保護(hù), 使其與A柱和車門有硬接觸的風(fēng)險(xiǎn), 因此約束系統(tǒng)/假人運(yùn)動(dòng)學(xué)得到了Acceptable的評(píng)級(jí), 但總的評(píng)價(jià)進(jìn)過加權(quán)后得到Good的評(píng)級(jí)。

▲ A4 25%碰撞測(cè)試結(jié)果。

奧迪A4三項(xiàng)測(cè)試成績(jī)均得到Poor的評(píng)級(jí)。車輛結(jié)構(gòu)——乘員艙由于A柱、前圍板的侵入變形嚴(yán)重 (如上圖示) , 擱腳空間侵入量達(dá)到280 mm, 儀表板侵入250~280 mm, 轉(zhuǎn)向管柱后移量130 mm。約束系統(tǒng)/假人運(yùn)動(dòng)學(xué)——在測(cè)試中, 假人的頭部接觸駕駛員氣囊但向外側(cè)滑出, 使得頭部有與車門和A柱硬接觸的風(fēng)險(xiǎn)，同樣胸部得到來自安全氣囊很少的保護(hù)。出現(xiàn)這種情況, 某種程度上是因?yàn)檗D(zhuǎn)向管柱向右移動(dòng)180 mm, 而假人向左運(yùn)動(dòng)。側(cè)氣簾展開并有效地向前覆蓋保護(hù)頭部免于與側(cè)面結(jié)構(gòu)硬接觸。側(cè)氣囊未展開, 導(dǎo)致胸部極易與側(cè)面結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞。駕駛員側(cè)車門在碰撞中打開, 有將駕駛員甩出車外的風(fēng)險(xiǎn)。假人傷害值——假人傷害值顯示左側(cè)大腿及髖部在碰撞中受到極其嚴(yán)重的傷害, 其它區(qū)域傷害值很小。綜上所述, A4只得到Poor的評(píng)級(jí)。

為什么在其他測(cè)試工況中都能取得好成績(jī)，但在25%碰撞測(cè)試中卻滑鐵盧呢？眾所周知在40%重疊偏置碰撞中, 車身的傳力通道包括上邊梁、縱梁和副車架共3條, 而在正面25%重疊碰撞中主要考察的是縱梁不起作用的碰撞工況, 所以車身傳力通道只有上邊梁一條。A柱、門檻發(fā)生較大折彎, 縱梁前段變形吸能中段折彎, 地板相對(duì)來說較完整。

▲ 25%碰撞測(cè)試中主要車身結(jié)構(gòu)和障礙物相對(duì)位置。

▲ 正面25%重疊碰撞傳力通道。

為此，如果在25%偏置碰撞中要取得較好的成績(jī)，根據(jù)車身變形情況以及車身關(guān)鍵部位變形結(jié)果, 從兩方面進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 首先要增加傳力通道,將碰撞力向車身后方和非碰撞側(cè)傳遞, 保證傳遞路徑暢通;其次是提高乘員艙剛度, 保證在力的傳遞過程中乘員艙穩(wěn)定, 具體方案如下圖所示。

▲ 25%碰撞優(yōu)化思路。

1) 增加縱向傳力通道——設(shè)計(jì)車門腰梁結(jié)構(gòu);

2) 增加橫向傳力通道——設(shè)計(jì)前圍板橫梁;

3) A柱、B柱和門檻梁采用高屈服強(qiáng)度的材料，進(jìn)而提高乘員艙框架的整體穩(wěn)定性。

通過以上分析可知, 現(xiàn)有在售車型在小重疊工況下表現(xiàn)較差，不僅僅是差在A柱的用料上，而是車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，通過對(duì)車體結(jié)構(gòu)傳力通道和關(guān)鍵部件選材兩方面進(jìn)行優(yōu)化后, 車輛的整體評(píng)級(jí)由提升為Good其實(shí)并不困難。因此, 在后期車輛安全性能開發(fā)過程中, 主機(jī)廠應(yīng)該充分考慮小重疊工況, 尤其是在車輛標(biāo)定過程中加入此種工況，諸如像帕薩特、菲斯塔、思域等車型還是可以搶救的。

3、汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

隨著汽車保有量大幅增長(zhǎng), 全球汽車已超過10 億輛。汽車已成為世界能源消耗和污染物排放的主要來源。各發(fā)達(dá)國(guó)家均制訂了嚴(yán)格的法規(guī)來限制汽車燃油消耗和溫室氣體的排放, 我國(guó)也發(fā)布了油耗強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——《乘用車燃料消耗量限值》，并且不斷通過排放標(biāo)準(zhǔn)的提升來增高準(zhǔn)入門檻 。

研究表明, 汽車輕量化是降低能耗、減少排放的最有效措施之一。例如汽車每減少100kg, 可節(jié)省燃油0.3~0.5 L/ (100 km) , 可減少CO2排放8~11 g/ (100 km) 。因此, 自20 世紀(jì)90 年代以來, 許多大型研究計(jì)劃積極推動(dòng)了汽車輕量化技術(shù)的研究, 如美國(guó)的新一代汽車合作伙伴計(jì)劃 (partnership for new generation of vehicles, PNGV) 計(jì)劃、國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)組織的超輕鋼制車身 (ultra light steel auto body, ULSAB)和超輕鋼制車身—先進(jìn)概念車型 (ultra light steel auto body-advanced vehicle concepts, ULSAB-AVC) 研究計(jì)劃等。

此外, 實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化, 還有利于改善汽車的動(dòng)力性、舒適性和操縱穩(wěn)定性。雖然都是質(zhì)量的下降，但輕量化絕非消費(fèi)者眼中的偷工減料，不過兩者有什么差異呢？下文分解。

3.1、汽車的偷輕不是像想象中那么簡(jiǎn)單

汽車輕量化本質(zhì)上是一個(gè)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化 (multidisciplinary design optimization, MDO) 問題。例如, 對(duì)車身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)就需要同時(shí)考慮多個(gè)學(xué)科性能, 如剛度、強(qiáng)度、舒適性、碰撞安全性、疲勞等。理論上講, 為了獲得全局最優(yōu)解, 在進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)考慮所有學(xué)科的影響。但由于各個(gè)學(xué)科的建模和計(jì)算的工作量很大、各學(xué)科響應(yīng)函數(shù)的性質(zhì)各不相同 (線性、非線性、多峰、噪音等) 、對(duì)學(xué)科變量的選擇也不同, 目前還很難在一次優(yōu)化中全部考慮。若只考慮部分學(xué)科性能, 則有可能所獲得的優(yōu)化解無法滿足另外學(xué)科的要求, 還需要經(jīng)過多輪修改才能找到一個(gè)滿足各個(gè)學(xué)科性能要求的妥協(xié)解。

▲ 白車身設(shè)計(jì)中的拓?fù)鋬?yōu)化。

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在白車身開發(fā)過程中的應(yīng)用，見上圖 , 最終減輕質(zhì)量10%。該優(yōu)化模型以桿梁Boole (布爾) 值為設(shè)計(jì)變量, 以整車質(zhì)量最小、整車扭轉(zhuǎn)剛度最大和最大應(yīng)力最小為優(yōu)化目標(biāo), 并根據(jù)客車車身的對(duì)稱性要求和車身骨架的生產(chǎn)要求, 在拓?fù)鋬?yōu)化模型中考慮設(shè)計(jì)空間的對(duì)稱性和一致性約束。最終獲得的拓?fù)鋬?yōu)化方案, 在剛度稍有增加、應(yīng)力略有下降的情況下, 整車質(zhì)量減少近90kg。由上可見，車身結(jié)構(gòu)的輕量化絕非簡(jiǎn)單的拆除和補(bǔ)強(qiáng)，需要綜合車輛的整體設(shè)計(jì)，一輛量產(chǎn)車的結(jié)構(gòu)輕量化過程也絕不是各類汽車改裝&翻修節(jié)目中那樣信手拈來。

3.2、相比顯而易見的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，材料的進(jìn)化論更不易察覺

除了上述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)之外, 輕量化材料的開發(fā)和應(yīng)用是當(dāng)前汽車輕量化技術(shù)另一主要研究方向。輕量化材料的研究是目前國(guó)際上材料領(lǐng)域最活躍的研究方向之一。美國(guó)的PNGV計(jì)劃中明確提出:選用輕量化材料 (高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂、鈦合金、塑料及復(fù)合材料) 來實(shí)現(xiàn)汽車輕量化, 并把先進(jìn)輕量化材料作為急需開發(fā)的技術(shù)領(lǐng)域。PNGV-Class樣車車身全部采用高強(qiáng)度鋼, 質(zhì)量只有218 kg, 與全鋁車身相當(dāng)。在輕量化材料的使用方面, 用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和鋁、鎂合金替代普通鋼來制造汽車主要承載構(gòu)件已成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。高強(qiáng)度鋼已大量應(yīng)用于汽車車身、底盤、懸架和轉(zhuǎn)向零件上。另外, 為了滿足車輛結(jié)構(gòu)的碰撞安全性要求, 而又不增加額外的質(zhì)量, 泡沫鋁、編織復(fù)合材料等性能優(yōu)越的新型吸能材料被應(yīng)用于車輛結(jié)構(gòu)中。這也正是目前國(guó)際上學(xué)術(shù)界和工程界的一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域, 即"超輕材料和超輕結(jié)構(gòu) (ultralight materials and ultralight structures) "。

a. 高強(qiáng)度鋼

高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)化機(jī)理主要有固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、組織強(qiáng)化、烘烤硬化和細(xì)晶強(qiáng)化;按強(qiáng)度可分為高強(qiáng)度鋼 (HSS, σy> 210 MPa) 和超高強(qiáng)度鋼 (UHSS, σy> 550 MPa) ;按冶金學(xué)特征可分為普通高強(qiáng)鋼 ( 包括C-Mn鋼、 高強(qiáng)度IF鋼、BH鋼、IS鋼和HSLA鋼) 和先進(jìn)高強(qiáng)鋼 ( 即AHSS, 包括DP、CP、TRIP、M和HF) 。AHSS是通過材料的相變來達(dá)到高強(qiáng)度的。與深拉鋼和傳統(tǒng)低合金高強(qiáng)度鋼相比, AHSS具有更大的屈服強(qiáng)度, 因而可大幅度減少車身結(jié)構(gòu)中的附加支撐件、加強(qiáng)梁和嵌套截面, 采用更少的部件和更薄的板料, 因而有效減輕車身質(zhì)量。在抗碰撞性能、耐蝕性能、疲勞性能和成本方面, AHSS較其他材料仍具有較大的優(yōu)勢(shì), 因此是今后最主要的汽車輕量化材料。如ULSAB-AVC項(xiàng)目研制的概念車中97% 的材料為高強(qiáng)度鋼, 其中AHSS占80% 以上, 結(jié)合先進(jìn)的制造工藝, 使車身減小質(zhì)量達(dá)20%~30%。目前, AHSS已成為新型汽車輕量化材料的研究熱點(diǎn)。

在AHSS中最常用的是雙相鋼 (DP) 。雙相鋼主要由鐵素體和馬氏體構(gòu)成, 馬氏體以島狀分布于鐵素體基體中, 含量在5%~20% 之間, 強(qiáng)度隨馬氏體含量的增加而提高 (0.9~1.2 GPa) 。雙相鋼具有較高的伸長(zhǎng)率以及較高的加工硬化率, 抗疲勞性能好。目前雙相鋼的主要類型有DP450、DP600、DP780 和DP980, 主要用于汽車的結(jié)構(gòu)件和安全部件, 如前內(nèi)縱梁、后內(nèi)縱梁、中支柱里板、座椅橫梁等零件。法國(guó)阿塞洛、瑞典SSAB和日本新日鐵、神戶制鋼等鋼廠可以生產(chǎn)多種規(guī)格的雙相鋼;國(guó)內(nèi)寶鋼、武鋼和鞍鋼也可以提供一些規(guī)格的雙相鋼。復(fù)相鋼 (CP) 強(qiáng)度可達(dá)0.8~1.0 GPa, 特別適合于汽車的車門防撞桿、保險(xiǎn)杠和中立柱等安全零件。相變誘導(dǎo)塑性鋼 (TRIP) 在汽車行業(yè)尚沒有得到大規(guī)模應(yīng)用。熱成形鋼 (HF) 是通過熱成形技術(shù)獲得超高強(qiáng)度的馬氏體鋼, 強(qiáng)度可達(dá)1.5 GPa, 主要用于車門防撞桿、前后保險(xiǎn)杠、A/B/C柱等安全件。熱成形鋼技術(shù)在國(guó)外發(fā)展迅速, 法國(guó)阿賽洛公司、德國(guó)蒂森-克虜伯等公司均擁有熱成形技術(shù)及成套生產(chǎn)線。總體上看, 目前國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)可以提供一些規(guī)格的高強(qiáng)度鋼板, 不過從品種與質(zhì)量來看, 與國(guó)外的先進(jìn)水平還有較大的差距。

▲ 鋼鐵材料延伸率與拉伸強(qiáng)度相圖。

不過，隨著AHSS應(yīng)用的增多, AHSS部件中的特殊斷裂問題陸續(xù)被報(bào)道。這是由于不同鋼種的延伸率通常隨強(qiáng)度增高而下降。隨著強(qiáng)度的增加, 高強(qiáng)度鋼沖壓性能變差、回彈量大、尺寸難以控制;而且, 高強(qiáng)度鋼的可焊性比普通低碳鋼要差, 焊接工藝參數(shù)存在較大差異。為了開發(fā)力學(xué)性能和加工性能更好的高強(qiáng)度鋼, 國(guó)外的一些鋼鐵公司正在積極開發(fā)第二代高強(qiáng)度汽車用鋼, 如孿晶誘導(dǎo)塑性鋼 (TWIP) 、具有誘導(dǎo)塑性的輕量化鋼 (L-IP) 。這些鋼種具有非常高的應(yīng)變硬化率和極高的塑性。而第三代高強(qiáng)度汽車用鋼 (見上圖) 也在研發(fā)之中。在高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用方面, 國(guó)內(nèi)汽車合資企業(yè)的技術(shù)直接來源于國(guó)外母公司, 高強(qiáng)度鋼應(yīng)用水平與國(guó)外汽車企業(yè)相近。自主品牌汽車企業(yè)在高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用方面整體落后于國(guó)外汽車公司, 但有了可喜的進(jìn)步。國(guó)內(nèi)自主品牌的一些新車型的白車身中, 高強(qiáng)度鋼的比例已經(jīng)到達(dá)45%以上。當(dāng)然, 從高強(qiáng)度鋼部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到加工工藝, 都還有很大的進(jìn)步空間。

b. 鋁合金（鎂合金等輕金屬合金）

鋁合金與鋼鐵相比, 具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、易于加工等特點(diǎn), 是應(yīng)用較早且技術(shù)日趨成熟的輕量化材料。根據(jù)國(guó)際鋁協(xié)統(tǒng)計(jì), 2006 年每輛轎車的鋁合金平均用量為121 kg, 約占整車質(zhì)量的10%，預(yù)計(jì)到2020 年將達(dá)到180 kg。當(dāng)前汽車用鋁合金主要是鑄鋁、鍛鋁、鋁板材和鋁型材。隨著快速凝固鋁合金、粉末冶金鋁合金、超塑性鋁合金、鋁基復(fù)合材料和泡沫鋁材等新材料的開發(fā)與應(yīng)用, 未來鋁合金在汽車中的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。

▲ 國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)的每車鋁合金用量。

目前汽車用鋁合金中, 鑄鋁占最主要部分, 約占汽車用鋁量的80%, 主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、殼體類零件和底盤上的其他零件。現(xiàn)已大批量應(yīng)用的零件有發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、離合器殼、保險(xiǎn)杠、車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)托架等幾十種零件。鍛造鋁具有更好的力學(xué)性能, 在汽車上也有應(yīng)用, 如鍛造鋁車輪、橫向轉(zhuǎn)向叉已應(yīng)用于奧迪的A8、A4 等車型。變形鋁合金, 如鋁板、鋁型材從上世紀(jì)80 年代開始用于車身發(fā)罩外板、前翼子板、頂蓋, 后來用于車門、行李箱蓋板、保險(xiǎn)杠、車廂底板結(jié)構(gòu)件、熱交換器甚至全鋁車身等。汽車車身鋁合金板材主要有3 個(gè)系列, 分別為2XXX系、5XXX系和6XXX系。目前, 很多國(guó)外車型，如奧迪A2 和A8、福特Prodigy、本田NSX、捷豹XJ等, 均采用全鋁車身。制約鋁合金板材在汽車身大量應(yīng)用主要因素有:鋁材的性能和工藝尚需提高和改進(jìn);價(jià)格太高;另外, 在維修方面, 能夠提供鋁制車身修復(fù)服務(wù)的修理廠很少, 增加了使用成本。采用鋼、鋁混合車身是一個(gè)折衷的方案。例如, 寶馬5 系車身采用了鋁合金前端 ( 主要為發(fā)動(dòng)機(jī)罩) , 在減重的同時(shí), 還可以平衡車身前后配重以提升操控性。

▲ 鋁合金前端結(jié)構(gòu)能夠在保證碰撞安全的同時(shí)給車輛前端減重。

除了鋁之外，鎂作為目前工業(yè)應(yīng)用材料中最輕的一種金屬, 同時(shí)具有很高的比強(qiáng)度和比剛度, 而且鎂資源非常豐富，鎂合金被公認(rèn)為最有發(fā)展前景的汽車輕量化材料。早在1936 年, 大眾汽車公司生產(chǎn)的"甲殼蟲"汽車, 其曲軸箱、傳動(dòng)箱殼體采用了鎂合金。1982 年, 隨著鎂合金防腐性能的提高和價(jià)格的下降, 福特汽車公司再次將鎂合金用于離合器、變速箱、轉(zhuǎn)向柱、制動(dòng)系統(tǒng)等各類殼體零件上。到上世紀(jì)90 年代末, 鎂合金用量快速增長(zhǎng)。近幾年, 轎車上鎂鑄件的應(yīng)用以每年20% 的高速增長(zhǎng), 已有超過60 多種的鎂合金零部件在汽車上得以應(yīng)用, 如方向盤骨架、變速器箱體、離合器外殼、發(fā)動(dòng)機(jī)閥蓋、缸蓋、座椅骨架、儀表板、進(jìn)氣岐管、車輪、車門框架等, 其中絕大部分構(gòu)件是通過鑄造方式生產(chǎn)的。壓鑄成型和防腐蝕工藝已日趨成熟。不過由于鎂合金為密排六方 (HCP) 晶體結(jié)構(gòu), 常溫下的變形機(jī)制除了其他金屬中常見的位錯(cuò)滑移外, 還包含HCP晶體結(jié)構(gòu)特有的孿生模式, 由于孿生變形模式存在極性, 因而鎂合金會(huì)表現(xiàn)出明顯的拉伸與壓縮力學(xué)性能的差異性, 即拉壓非對(duì)稱性；另外, 變形鎂合金中存在明顯的織構(gòu)現(xiàn)象, 導(dǎo)致其力學(xué)性能呈各向異性。同時(shí), 其力學(xué)性能還具有明顯的應(yīng)變率相關(guān)性。這種各向異性、拉壓非對(duì)稱性和應(yīng)變率敏感性等特性也增大了鎂合金結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)的技術(shù)復(fù)雜性。特別是變形鎂合金與傳統(tǒng)的低碳鋼相比韌性較差, 在結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊時(shí), 容易發(fā)生脆性斷裂。變形鎂合金的特殊力學(xué)行為給鎂合金在汽車結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。高性能變形鎂合金的開發(fā)、力學(xué)性能研究及其在汽車結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用, 將是未來的重點(diǎn)研究方向。

c. 塑料及復(fù)合材料

塑料及纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用日趨廣泛, 使用量持續(xù)增長(zhǎng)。從1977 年到2001 年, 單車塑料用量由76 kg提高到115 kg, 增幅達(dá)50%, 2013年則已經(jīng)超過了150 kg 。占汽車總質(zhì)量的12%~20%。1986 年, 歐洲就推出Carmat新材料計(jì)劃, 6 個(gè)國(guó)家14 個(gè)汽車公司參加, 探索了塑料、復(fù)合材料在汽車車身上的應(yīng)用。汽車用塑料按類型分為通用塑料、工程塑料和特種工程塑料。各種塑料在汽車上的用量所占比例見下圖。

▲ 統(tǒng)稱為塑料，但它們還是各自有別的。

復(fù)合材料 ( 如玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料、長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料、碳纖增強(qiáng)復(fù)合材料) 在汽車零部件上的應(yīng)用顯示出越來越強(qiáng)大的生命力。玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料 (GMT) 在汽車工業(yè)中的應(yīng)用達(dá)40 多種, 主要有座椅骨架、保險(xiǎn)杠、儀表板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、電池托架、腳踏板、前端、地板、護(hù)板、后牽門、車頂棚、行李托架、遮陽板、備用輪胎架等部件。GMT的基體材料通常為聚丙烯 (PP) 。目前以聚碳酸酯 (PC) 和聚醚酰亞胺 (PEI) 作為基體的低密度GMT產(chǎn)品正在開發(fā)應(yīng)用之中。長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料 (LFRT) 主要應(yīng)用在保險(xiǎn)杠、行李倉(cāng)底板、蓄電池槽、車門、車身、座椅靠背、備胎架、發(fā)動(dòng)機(jī)底座、儀表盤等。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有足夠的強(qiáng)度和剛度, 適于制造汽車車身、底盤等主要結(jié)構(gòu)件。預(yù)計(jì)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可使汽車車身、底盤減輕質(zhì)量40~60%。寶馬2013 年量產(chǎn)的i3 純電動(dòng)汽車, 外殼材料為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、底盤材料為鋁合金, 比傳統(tǒng)同類型汽車的減輕質(zhì)量250~350 kg。另外, 編織復(fù)合材料在碰撞過程中以基體開裂、分層、纖維斷裂、拔出等多種形式吸收能量, 具有比金屬材料更高的吸能比。不過，由于成本過高, 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用仍然有限, 僅在高級(jí)及小批量車型上有所應(yīng)用, 如寶馬的M3 系列車頂蓬和車身, 福特的GT40 車身、保時(shí)捷911 GT3 車身等。在車用纖維復(fù)合材料研究方面, 低成本碳纖維生產(chǎn)工藝和碳纖維復(fù)合材料的回收是其大量應(yīng)用需要解決的首要問題。

3.3、除了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，材料進(jìn)化，工藝的迭代也不容小覷

▲ 神車Golf 5代，作為一代神車，在工藝上就主打激光焊接牌。

在大量采用高強(qiáng)度鋼、鋁鎂合金、塑料和復(fù)合材料等輕量化材料和結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的同時(shí), 與之相匹配制造工藝也得到了應(yīng)用, 如用于高強(qiáng)度鋼板沖壓件的熱沖壓成形工藝, 用于車身結(jié)構(gòu)連接的膠接和膠焊工藝等。熱沖壓成形將板料在紅熱狀態(tài)下沖壓成形并同時(shí)在模具內(nèi)冷卻淬火, 可以成形強(qiáng)度高達(dá)1.5GPa的沖壓件;膠接工藝用于塑料和復(fù)合材料部件的連接, 如寶馬最近量產(chǎn)的寶馬 i3 純電動(dòng)汽車的采用膠接工藝進(jìn)行復(fù)合材料車身部件的連接, 每輛車使用約10 kg的強(qiáng)力膠。而另一方面, 一些新型成型和連接工藝, 如液壓成型、激光焊接、激光拼焊等可以顯著減輕汽車結(jié)構(gòu)的質(zhì)量, 比如轎車副車架原來用沖壓焊接工藝生產(chǎn), 需數(shù)十個(gè)沖壓件焊接在一起, 而采用液壓成型技術(shù)只用一個(gè)零件, 質(zhì)量由12 kg變?yōu)?.9 kg, 減少34%。因此, 液壓成型、激光焊接等先進(jìn)工藝得到了廣泛應(yīng)用, 成為汽車輕量化技術(shù)的重要部分。

3.4、"偷工減料"絕非一件容易的事

綜上：各種輕量化技術(shù)是相輔相成的, 充分發(fā)揮不同輕量化手段的優(yōu)勢(shì), 研究汽車材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)即輕量化技術(shù)的系統(tǒng)化和集成化, 依然是未來汽車結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)的發(fā)展方向。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面多學(xué)科、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，拓?fù)鋬?yōu)化方法, 還有待進(jìn)一步發(fā)展和完善。在輕量化材料的應(yīng)用方面：沖壓變形鎂合金、新型塑料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有較大的應(yīng)用潛力；另外, 由于單一材料難以最大程度地滿足汽車結(jié)構(gòu)的輕量化要求, 研究多種材料混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論、方法和相應(yīng)工藝, 不同部位采用不同的材料, 充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)勢(shì), 可以實(shí)現(xiàn)選材與零部件功能的最優(yōu)組合, 這種多材料一體化設(shè)計(jì)理論和方法將成為未來汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)手段。在工藝研究方面:液壓成型、激光焊接將得到更為廣泛的應(yīng)用, 熱成形工藝和變厚度板的應(yīng)用將得到進(jìn)一步發(fā)展。此外, 零部件的輕量化將得到重視。目前汽車輕量化技術(shù)的研究多以車身結(jié)構(gòu)為主, 而零部件的總質(zhì)量約占整車整備質(zhì)量的3/4, 具有很大的輕量化潛力，因此, 零部件如車橋、懸架、動(dòng)力系統(tǒng)（的電池系統(tǒng)）等的輕量化研究將會(huì)得到進(jìn)一步重視。

4、參考資料