探究汽车新钢种应用的安全性能

newmaker    来源：Automotive Engineering International杂志

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 虽然人们都普遍接受各种车辆节能的解决方案，但是大多数人还是不会愿意通过牺牲安全性来达到这一目的。当汽车制造商通过轻量化来达到节能减排的目的时，这种直接有效的手段也同时给车辆碰撞性能和乘客安全带来一定的威胁。 也正是因为这种矛盾的存在——降低车身重量同时提高车辆碰撞性能，人们通过钢的强度对钢材料进行了分级，从传统的高强度钢（HSS）和先进高强度钢（AHSS）到超高强度钢（UHSS）、双相（DP）钢以及变诱导塑性（TRIP）钢。这些钢具有较高的可成形性和屈服强度，可以帮助汽车制造商在降低车身重量的同时使车身维持足够的机械强度，从而保证整车的碰撞性能。 除此之外，汽车工程师们在继续利用这些高性能钢的同时还辅以其他一些技术并在一些非传统汽车车身应用中对这些材料进行结构性能测试，从而进一步开发不同级别钢种可以带来的好处。此外，这些创新技术正在进行大量的测试，确保不会牺牲车辆性能和乘客安全。 Arcelor Mittal汽车应用研究中心和Nobel International公司的研究人员在他们的研究报告中介绍了激光焊接坯料在车门框和前后纵梁上的应用。在他们的试验中，激光焊接坯料将一种称为Ductibor的压力强化钢与带有涂层的硼钢结合在一起。当碰撞发生时，Ductibor 500P钢的作用是吸收碰撞能量，而硼钢的作用是将负荷从驾驶舱上转移开，从而避免灾难性的塑性变形。 虽然经过涂层处理的硼钢具有较高的可成形性和结构性能，但是在焊接方面会有一定问题，因为焊熔池中进行的Al-Si合金熔覆会导致金属间相的形成。而金属间相会直接导致焊缝失效，延伸率低，从而影响碰撞中的吸能效果。将带有涂层的硼钢与Ductiblor 500P钢（碳含量低）结合可以让熔覆出现在熔区，这样为两个坯料的结合提供了一个平顺的过度区。为了验证其效果，研究人员对基底金属、热影响区和熔区进行了焊后热处理硬度测试。 为了对焊接质量和抗碰撞能力进行评估，带有热影响区的样品坯料还要进行一些额外的测试，包括三点弯曲测试、高速拉伸测试和压碎测试。虽然三点弯曲测试中冲击力作用在焊缝的中间，但是Ductibor 500P基底钢出现了损伤，表明焊区对性能来说不是关键所在。 高速拉伸测试采取焊缝横放的方式，其结果也是导致Ductibor 500P基底钢的损伤。研究人员还对焊接前经过热冲压的激光焊接件以及焊接前经过硬化处理的点焊件分别进行了压碎测试。压力机的冲压重量为350kg，速度为16m/s，动能为45kJ。压碎测试结果显示激光焊区没有任何问题，采用这些材料制成的热成形零件具有较高的稳定性，尤其是经过涂层处理的硼钢在经过热冲压后具有较高的结构性能。 研究人员还设计了三个测试项目，依照欧洲碰撞标准（EuroNCAP）将一个小型的家庭轿车作为测试参考进行。他们分别对一辆装置专门设计的门环的车辆和一辆配置标准车门组件（包含四个独立部分）的参照车辆进行了欧洲碰撞标准中的前部和侧部碰撞试验。其中定制的门环（如图所示）将四个不同的部件整合到一个由四件经过涂层处理的硼钢子坯料制成的激光焊接件上。 在侧碰撞测试中，研究人员采用的车辆重量为1248kg，势能为92kJ，测试B柱盖板最大内变形程度。碰撞结果直接反应了车辆在受到外力作用下抗变形从而保护乘客的能力。该测试结果显示激光焊接门环结构在盖板变形方面的性能提高了2.4%，而相对标准的四件门环来说降低了20%的重量。 前碰撞的目的是为了测试车辆吸收并转移外力的能力。在这项测试中，研究人员采用的车辆重量为1486kg，冲击能量为228.8kJ。安置在仪表板上的测试仪器结果显示试验车辆前碰撞性能要好于参照车辆，表明激光焊接车门框架结构可以在降低车身重量的同时提高车辆的碰撞性能。 研究人员还对采用Ductibor 500P和硼钢制成的激光焊接前后纵梁坯件进行了测试。对后纵梁来说，激光焊接坯料在替换冷冲压超高强度钢方面具有很大的优势，因为后纵梁冲压过于复杂，超高强度钢很难满足要求。FMVSS（联邦机动车安全标准）301测试结果显示激光焊接坯件对减重有帮助。该测试结果显示传统的单体部件与激光焊接坯件相比没有太大的差别，但是重量却降低了38%。 冲压的复杂性对U型前纵梁来说也是一个问题，而激光焊接坯件可以简化生产工艺，还可以降低车身重量。在前碰撞测试中，采用激光焊接件制成的前保险杠与参照车辆的保险杠表现相当，但是重量却降低了43%。 研究人员还建立了模型，分析三个激光焊接坯料部件厚度的减少给整个白车身刚度带来的影响。研究人员分别将三个部件放入模型中，然后进行扭转刚度、横向刚度以及弯曲刚度测试。结果显示，与参照白车身相比，在分别应用三个部件下整车整体刚性基本没有差别。研究人员表示，连续激光焊接有效补偿了部件厚度造成的刚度损失。 白车身的重量大约为整车重量的三分之一，底盘和动力系统方面还有进一步减重的机会。底盘部件基本都是热轧钢板制成，而动力系部件一般都是采用铸件和锻件，这两个系统约分别占整车总重的三分之一。 福特汽车公司工程师Raj Sohmshetty和KiranMallela表示，虽然热轧钢板成本较低，但是与冷轧钢板相比在机械性能、焊接属性以及可成形性方面有很大差别。为了确定低成本的热轧双相钢和变诱导塑性钢是否可以用于承载重量的底盘结构制造上，这两位工程师测试了一系列合金材料，包括热轧DP590钢（即带有590MPa的最小张力）。 福特研究人员认为DP590的问题是不同供应商提供的材料具有机械性能差异，而且强度级别上去了但是刚度却没有上去。刚度对卡车车身框架来说至关重要，比如中梁（主要控制车辆的整体弯曲刚度）和横梁以及梁之间的结合处（主要控制车辆的扭转刚度），因此高强度钢的刚度达不到要求会给车辆安全带来隐患。研究人员认为有必要对支架与梁结合处之间的区域进行重新设计，来应对在紧急情况下可能出现的额外张力，同时也可以提高结构支架的疲劳寿命，而该寿命可能会因为使用DP590而受到影响。 研究人员还发现较高级别的钢如先进高强度钢和超高强度钢可能需要提高焊接工艺来充分发挥其性能。对于建模分析，他们指出最好在冲压后再采用这些材料的属性，因为这些级别的钢很容易在机械加工后硬化。他们还指出针对尺寸缩小了的部件还要进行破坏模式的分析，与之前的部件相比，破坏模式下的较大改变可能需要对部件进行重新设计。 DP590可以进行一次性冲压，多次冲压会导致材料硬化，因为DP级别的钢在外力作用下其内部很容易硬化。虽然DP590部件的反弹度要大大高于一般的钢制部件，但是研究人员表示该特性是可以预知及补偿的。但是，他们表示加工寿命可能需要进一步研究才能确定。 研究人员还发现采用DP590制造厚度低于2.5mm的部件会遇到侵蚀的问题，而针对这方面的研究还没有确定。此外，研究人员还发现材料供应的缺乏是这种合金作为一种轻量化材料应用到底盘部件上的主要障碍。但是在技术快速发展的今天，相对其他一些问题，这种现象也不会长久存在，也许这还会带来新一轮的技术发展。 关于欧美前碰撞及侧碰撞分级 一辆新车或二手车的安全性有多高？也许你觉得这个问题的答案很简单，但是专家一般都会建议你仔细看一看测试结果。但是哪一种测试可以让你准确地知道一辆车的安全性能？ 今天市场上的乘用车在遇到碰撞的时候一般都是吸收冲击能量，然后将其从车厢上转移开。美国交通部下属的美国高速公路安全管理局（NHTSA）通过碰撞试验制订了一个五星级的评级系统，来评估车辆在发生前和侧碰撞时对驾驶员和乘客提供的保护。在前碰撞中，车辆以56km/h的速度撞向一个固定的障碍物，来模拟两辆相同车辆发生正面碰撞的情况。 在NHTSA测试中，驾驶员和前排乘客座位上会安置两个假人，通过分析从假人身上获取的数据来确定在碰撞中乘员可能受伤的机会和程度。接受碰撞测试的车辆将根据结果被评为1到5个星级，表明可能受伤的程度，比如说，1颗星意味着车辆受到这样的碰撞可能会对乘员生命带来危险，需要立即接受救治。碰撞级别只能在相同车身重量分类中进行比较。 在美国公路安全保险协会（IIHS）的一项测试中，车辆以64km/h的速度进行前碰撞测试，不过前冲力被集中到车辆前部的一端，大多数人认为这更能真实地反应出真实的碰撞效果。在这种前端侧角的碰撞中，车辆前端的40%撞向障碍物。与整个前端碰撞相比，在这种碰撞下车辆前部更容易陷入到车厢内。该碰撞将对三个指标进行评估，分别为结构性能、损伤程度以及约束系统的变化。 IIHS侧角碰撞的结构性能指标主要通过从车厢内十个标准位置获得的数据来评估碰撞引发的结构运动情况。这些数据还包括A柱和B柱之间距离的变化，帮助确定车身侵入车厢的量和方式。据了解，这种碰撞测试自1995年开始实行至今已经有效帮助了车辆在发生前碰撞时如何有效地保护乘员的安全。与NHTSA前部碰撞相比，IIHS的侧角碰撞也只能在同一车身重量类别的车辆之间进行比较。 由欧洲车辆安全促进委员会制订的欧洲新车评价规程（Euro NCAP）的前碰撞与IIHS的正面碰撞相似，正面撞击力都是作用在车辆前脸40%的一侧。在该测试中，车辆以64km/h的速度撞击蜂窝铝固定壁障。这项测试用来模拟两辆重量相近的两辆车以约55km/h的速度各自正面撞向车辆前脸的一半。据该委员会称，这是欧洲最常见的带来导致严重乘员伤害的碰撞类型。 侧碰撞测试主要用来评估车辆受到侧面碰撞时对乘员的保护能力。在IIHS侧碰面碰撞试验中，障碍物以50km/h的速度撞击固定车辆的侧面；障碍物用来模拟皮卡或SUV等车辆。从车内安置的两个假人（分别在前后排座椅上）身上获取的数据可以用来分析乘员头部的保护情况以及对身体其他部位带来伤害的可能性。此外还将根据B柱侵入车厢内的情况对车身结构性能作出评估。 在NHTSA侧碰撞中，重量为1368kg的障碍物以62km/h的速度撞击车辆的侧面，用来模拟十字路口常常发生的碰撞。从车内安置的假人（系上保险带）身上获得的数据用于评估在此类碰撞中乘员胸部受到伤害的可能性和程度。IIHS和NHTSA的侧碰撞结果可以在不同重量的车辆之间进行比较。 在Euro NCAP侧碰撞中，可变形障碍物以50km/h的速度撞击车辆驾驶员一侧的车门。驾驶员座椅上安置的假人，从其身上获取的数据用于评估车辆对驾驶员的保护情况。 NHTSA和Euro NCAP的碰撞测试主要评测碰撞对乘员带来的伤害程度，而IIHS测试除此之外还对车辆的结构性能作出评估。哪一种评级更为重要，相信明智的购买者会作出选择。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/17/2013)