浅谈汽车结构设计

一线天

杂志社老板林先生是认识快二十年的老学长了，这几年虽然不那么经常见面，但林先生总是会不时打个电话来嘘寒问暖一番。这天又接到林先生的电话，哈拉一阵之后聊到最近史丹福专栏有没有什么好题目，林先生提到最近看到许多新车报导，都在强调车体结构设计，重量变轻、刚性增强等等，其中有许多技术性的概念一般读友们其实不是那么清楚。

老板都这么说了，我自然不敢不敢怠慢，当下搜集了许多车体结构设计相关数据，这个月的史丹福专栏就来为大家剖析一下车体结构设计的问题。

汽车的长期减重计划
您的BMI指数如何？需要减重吗？

谈到车体结构设计，汽车工程师们最高指导原则便是减重。打从自从1970年代石油危机开始，几十年来汽车一直持续在进行减重计划，再加上汽车相关的环保标准越来越严格，汽车工程师一直在寻找方法将汽车减重，以求得更佳的省油性，并且减少废气排放。

过去这三十年减重的努力，一部典型轿车车重减少了大约250公斤，而耗油也减少了大约一半。然而汽车减重的努力路途依然遥远，一方面政府对于省油性和废气排放的标准只会越来越严，不可能放松，另一方面车厂之间彼此在汽车省油性上的竞争也越来越激烈，汽车工程师仍然必须继续寻找减轻车重的新方法。

汽车工程师们为车体结构减重主要有两种策略，一是从结构设计着手，希望寻找更有效率的结构设计概念。另一方面则是从材料着手，寻求更高品质、更稳定的钢铁材料和更经济的制程，或者是更轻的替代材料。

车体结构轻量化
汽车减重像是一个连锁反应，起源便是车体结构的轻量化，如果车体结构可以设计得越轻，悬载、底盘必须承载的重量减少，也可以作得越轻，汽车引擎要拉动的重量减少，又可以搭配排气量较小、较轻的引擎。

旧式的汽车是采用所谓“全车架式(full frame)”，以车架为承载负荷的主体，板金件只是附加在车架上的铁皮而已，在结构上承载负荷的功能较小。近年来车体结构设计的思考已经转变成所谓“单体化(unibody)”架构，“unibody”是从“unitized-body”单元化车体简化而来的，概念上是说车体结构由折迭的槽化钢梁和压制的板金件焊接结合为一个整体刚性的车壳，特别是板金件也共同承载车体结构负荷。

这个单体化架构不只是几根大梁而已，看起来已经像是一整个车壳，只是还没上色而已，汽车业把这个刚性的车壳叫做“白色车体(body in white)”，行话就简单叫做“BIW”。BIW通常占了车体重量三分之一左右，但是前面提到这是汽车减重连锁反应的源头，在这个部分减重对于最终车体重量的减轻可以达到加倍的效果。

在车体中使用更轻的材料
汽车工程师们也都知道车体结构减重的重要，长期投入结构设计研究的结果，现代汽车的结构设计都已经非常成熟，要从中间再挤出改进的空间也已经越来越难。在结构设计上减重的策略逐渐达到极限时，汽车工程师开始转向第二个策略，注意如何在钢制的车体中使用密度较小的材料，像是塑料或铝合金。

汽车材料的改变首先从内装开始，像是现在几乎所有汽车仪表板都使用塑料材料，此外引擎汽缸头也逐渐从沉重的铸铁改采铝合金制造，特别是讲究轻量化的高性能车种。与1975年的车子比起来，现代车子上非铁材料的重量平均增加了一倍，钢铁材料的重量占全车重量的比例从四分之三下降到车重的三分之二。

钢铁材料使用的减少另一个原因是高强度的钢板被广泛使用，高强度的钢板其强度大约是一般低碳钢两倍，目前车体上大约五分之一的钢铁材料是这种高强度钢，使用比例还在继续稳定增加中。采用高强度材料因为其强度较高，较少的材料也可以达成原先相同的结构强度，对于减轻整体重量自然也有帮助。

不过尽管汽车工程师们尝试寻找替代材料，钢板仍是现代汽车车体结构的材料最佳选择，在可预见的未来大概也一直会是如此。理由很简单，钢板仍是汽车制造最符合成本的材料，如果论磅计算的话，一般钢板材料的成本大约是铝合金的五分之一强，要用到复合材料的话成本更要贵上十几倍，而即使是使用高强度钢料，材料成本也只增加10%~15%。除了原材料成本低之外，汽车业界对于使用钢板为生产材料，早已累积了非常丰富的经验，钢板材料很容易成形，其强度、耐久性、耐冲击性都经过时间的证实。加上汽车厂在现有钢板成形、组装、回收设备上早已作了大量投资，除非突然有严厉的新法规出现，或者材料科技有重大的创新，不然很难看出钢铁制的车子近期内会有什么大改变。

高强度的钢铁材料
OK，汽车终究还是要用钢来制造。钢制的车子想要减重，唯一可做的是就是，用比较少的钢。前面提到实务上的作法之一，就是改采高强度的钢铁材料。

这里必须先解释一下，所谓材料的“强度”，概念上是说，材料承受多大的力时会发生破坏。钢铁材料有非常多，同样是铁，含碳的成分、合金的成分、或者制造、热处理的方式不一样，承载负荷的强度变会差异非常大。像是中强度低合金钢Medium-strength low-alloy (MSLA)在融化过程中加入了较多的磷和锰合金成分，强度便大幅提升（当然成本也提高了些），常被用来作车体外壳。高强度低合金钢High-strength low-alloy (HSLA) steel则掺入了稀有金属钛和铌，强度可以达到中强度低合金钢的两倍。

不过不管是什么钢，金属的本质还都是铁，强度可以差好几倍，密度却是完全一样的，意思是说，同样的体积不管是什么钢，重量完全一样。因此前面提到采用高强度的钢料，更细、更薄的结构也能达成同样的强度，材料就可以用的更少一些些，重量就可以减少一些。

高强度低合金钢已经被发现几十年了，但是用在汽车上只是最近十几年的事，在现代汽车中百分之六十的钢铁材料都是MSLA和HSLA。HSLA钢板成形的可塑性较差是重要的缺点，也是目前材料工程师研究的重点。HSLA还不是强度最高的，再往上去还有强度更高的钢铁材料，比MSLA强上五倍，但是这些材料不是成本过高，就是可塑性过差，或者有焊接、镀锌困难等问题，因此在汽车工业上采用不多。

强度设计或是刚性设计？
您会问，既然这些高强度的钢料可以进一步减轻车体重量，材料成本也增加不多，如果制造上的问题可以克服，那么何不整部车都采用高强度的材料呢？

Mmmm，这个问题其实很深刻，机械科系毕业的学生都不见得有清楚的概念。

这里首先要厘清一个观念，强度其实不是结构设计上的唯一考量，甚至不是主要考量，在汽车结构设计上，最主要的考量因素是“刚性”。

结构的强度和刚性字面上感觉起来似乎没什么不同，但在结构设计专业上可是完全两码子事儿。前面提到结构“强度”的概念是结构受到多大外力时会产生破坏，在汽车结构上只有大约20%的结构件以强度为最重要考量，主要是车体结构上处理冲击负荷的部分，像是冲击梁、保险杆柱、车体B柱补强等，通常我们希望在这些主要承受冲击的零件采用高强度钢。

刚性英文是“stiffness”，而在描述汽车结构时常用的英文字则是“rigidity”，主要的概念是结构受到外力时产生变形量的大小，简单的说，受到同样外力变形量很大，表示结构刚性差，变形量小则表示结构刚性好。

早先车体设计上对刚性的考虑只要不要让汽车过度变形，门还可以关上就好。现代汽车提升刚性则成为车体结构设计上真正的焦点。除了提升安全性之外，车体刚性提升还可以改进汽车的操控性和行路性，减低引擎或路面不平造成的振动。

材料的刚性是由其“弹性模数(modulus of elasticity)”来代表，就像弹簧都有“弹簧常数”，弹簧常数越大，表示弹簧越“硬”，施力时的变形量越小—刚性越大。这里要提出另外一个重要的概念是，钢铁材料强度的变化范围非常大，但是不管什么钢，弹性模数都是一样的。

提升车体结构的钢性
所以如果结构设计的设计目标是提升刚性，使用高强度钢板不会有任何帮助，因为材料的弹性模数不会改变，如果你要将车子现有的单体结构BIW刚性提高，唯一可以用的策略是增加钢料，其中的学问是如何把钢料补强在最关键的部位，增加少量钢料即能大幅提升刚性。

另外一个有趣的现象是，铝的密度大约是钢的三分之一，但是铝的弹性模数大约也只是钢的三分之一。意思是说，同样的结构采用铝合金材料重量会是采用钢铁材料的三分之一，但是结构刚性也只是采用钢铁材料的三分之一，因此如果同时希望提升刚性和减轻重量的话，要不要改采铝合金材料，这个算盘可就得好好拨一拨了。

扯了这么多，不晓得对读友们概念上有没有一些帮助。

最后给您一个家庭作业，实验题，测量一下您的爱车刚性够不够。找一个路边人行道之类的，把车子开上去，但是只有一个轮子挂在人行道上。这时候车体重量不是平均向下压，一定会造成车体结构的变形，试试看开关您的车门，如果车子刚性不好，门框变形量太大，车门可能会关不起来。

benben5555

呵呵，比较详细

明春润花儿

:) :) 受教了啊

soar_feng

汽车越轻越结实最好，还可以省油。

xuwenyuan

好贴！感觉以后车身板金有向着复合化材料走的趋势

wn_yao

en ....受教了....